溫度和機(jī)械應(yīng)力對GF/EP介電強(qiáng)度的影響

劉樹美　敖明　李忠華

摘要：為了研究溫度和機(jī)械應(yīng)力對玻璃纖維/環(huán)氧樹脂（Glass Fiber/Epoxy， GF/EP）復(fù)合材料介電強(qiáng)度的影響，分別在不同溫度、不同應(yīng)力大小和不同應(yīng)力作用形式下對GF/EP復(fù)合材料進(jìn)行了工頻擊穿試驗(yàn)，并依據(jù)電介質(zhì)的擊穿理論分析了溫度和機(jī)械應(yīng)力對其介電強(qiáng)度的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：在環(huán)境溫度一定的情況下，GF/EP復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度隨拉應(yīng)力的增大而減小；在彎曲正應(yīng)力增大的初始階段擊穿強(qiáng)度有所上升，而后呈下降趨勢；在確定的機(jī)械應(yīng)力下，GF/EP復(fù)合材料低溫和高溫的介電強(qiáng)度都比室溫下有所提高。研究結(jié)果為GF/EP復(fù)合材料在工程實(shí)際應(yīng)用中提供了重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：GF/EP復(fù)合材料；溫度；機(jī)械應(yīng)力；介電強(qiáng)度

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.016

中圖分類號： TM85

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）01-0087-06

Abstract：To research the effects of temperature and mechanical stresses on the dielectric breakdown strength （DBS） of Glass Fiber/Epoxy （GF/EP） composites， the AC breakdown test has been carried out on the GF/EP composites under different temperatures、different stress magnitude and different style of the stresses， the effects of temperature and mechanical stresses on the dielectric strength have been analyzed according to the dielectric breakdown theory. The results show that： the dielectric strength of GF/EP composites decrease with increasing tensile stress under certain temperature； the dielectric strength increase at first with increasing bending stress， reach a maximum and indicate a decreasing tendency thereafter； compared to room temperature， the dielectric strength of GF/EP composites have been increased in different level under certain stress. The results provide important experimental basis for GF/EP composites in the practical application.

Keywords：Glass Fiber / Epoxy composites； temperature； mechanical stress； dielectric strength

0引言

玻璃纖維/環(huán)氧樹脂（GF/EP）復(fù)合材料具有較高的機(jī)械和介電性能，而且耐疲勞、耐腐蝕，憑借其良好的絕緣性能和優(yōu)異的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于電機(jī)、繞包絕緣干式變壓器、戶外干式空心電抗器等高壓電力設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)中[1-2]。

電力設(shè)備的運(yùn)行狀況直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定，而電力設(shè)備的可靠性在很大程度上取決于絕緣的工作情況，電力設(shè)備中的絕緣一旦發(fā)生擊穿，就會對整個系統(tǒng)造成難以估量的危害?？梢?，復(fù)合材料的擊穿特性是評價(jià)設(shè)備復(fù)合絕緣程度好壞的重要指標(biāo)之一[3-5]。隨著電力系統(tǒng)電壓等級的提高，對系統(tǒng)供電可靠性的要求也越來越高，保證電力設(shè)備的絕緣在高場強(qiáng)下的正常工作非常重要[6-8]。因此長期以來，電介質(zhì)的擊穿特性一直是高電壓絕緣領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

在高壓電氣產(chǎn)品中絕緣不但受到振動、沖擊等機(jī)械應(yīng)力的作用，同時(shí)承受著電、熱應(yīng)力的作用[9-12]，因此研究GF/EP復(fù)合材料在機(jī)械應(yīng)力和溫度共同作用下的介電強(qiáng)度，對于提高材料的電氣強(qiáng)度、完善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具有重要意義。GF/EP復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)由樹脂基體、玻璃纖維和界面三部分組成，在工頻電壓下的擊穿特性非常復(fù)雜[13]。國內(nèi)外學(xué)者針對這種材料也做了相關(guān)研究，日本學(xué)者C.H.Park[14-15]等測試了室溫和液氮溫度下，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力對PET和FRP介電強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：溫度一定時(shí)，PET和FRP的擊穿強(qiáng)度隨壓應(yīng)力的增大，呈先上升后下降的趨勢；而在拉應(yīng)力下?lián)舸?qiáng)度均隨拉應(yīng)力的增大而減小。Sauers[16-18]也做了在液氮溫度下GF/EP復(fù)合材料的耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究表明電場與界面之間的夾角以及試樣的厚度都會對擊穿場強(qiáng)產(chǎn)生影響。王繼輝[1，19]等研究了玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料低溫下的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的強(qiáng)度隨溫度的降低呈增加趨勢。劉鈞[20]等人研究了室溫下，拉應(yīng)力對樹脂基體和單向玻璃纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的介電強(qiáng)度，提出并證明了基體的介電強(qiáng)度與拉應(yīng)力呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，認(rèn)為復(fù)合材料中纖維與基體的界面是影響材料介電強(qiáng)度的主要因素。但是，針對電力設(shè)備實(shí)際運(yùn)行環(huán)境溫度和彎曲應(yīng)力下的介電強(qiáng)度問題，目前還沒有相關(guān)的研究報(bào)道。我國東北地區(qū)年溫差較大，干式空心電抗器在冬季異常低溫條件下發(fā)生絕緣故障的現(xiàn)象較為頻繁。因此，研究較寬溫度范圍內(nèi)GF/EP復(fù)合材料的介電強(qiáng)度具有重要意義。

本文研究了溫度、應(yīng)力大小和應(yīng)力作用形式對GF/EP復(fù)合材料介電強(qiáng)度的影響。

1試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1高低溫環(huán)境的實(shí)現(xiàn)

本次試驗(yàn)中環(huán)境溫度設(shè)置在-40℃～65℃范圍內(nèi)進(jìn)行。采用高電壓高低溫試驗(yàn)冰箱來實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的模擬，該冰箱可以提供連續(xù)的-40℃～80℃的穩(wěn)定運(yùn)行環(huán)境。試驗(yàn)中將整個測試系統(tǒng)浸入到盛有變壓器油的玻璃缸內(nèi)，防止進(jìn)行擊穿試驗(yàn)時(shí)表面電弧放電的影響。試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)倉和溫度控制系統(tǒng)采用分體設(shè)計(jì)，中間由絕緣通風(fēng)管道連接?？諝庥伤惋L(fēng)機(jī)驅(qū)動，流經(jīng)制冷換熱器、加熱器、送風(fēng)管道、試驗(yàn)倉和回風(fēng)管道形成循環(huán)，使主體試驗(yàn)倉基本穩(wěn)定在試驗(yàn)設(shè)置的溫度條件下實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的模擬。

1.2拉應(yīng)力及電極系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

在研究GF/EP復(fù)合材料的介電強(qiáng)度隨拉應(yīng)力的變化規(guī)律時(shí)，采用球—板電極系統(tǒng)，將棒狀的高壓極端部設(shè)計(jì)成直徑為10mm的半球形，地電極為經(jīng)過倒角處理的直徑為50mm的圓柱電極。為了使高壓極與地電極中心處相互垂直以保證測得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并且便于在實(shí)驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)移位置，將上下電極固定在絕緣支架上，如圖2所示。

測試所用試樣為3240環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板，拉伸試樣的厚度為0.2mm，尺寸設(shè)計(jì)為300×240mm，其中有效長度為200mm。為了保證試樣在拉伸過程中只受到均勻分布的拉應(yīng)力作用，將試樣兩端用多個螺釘對稱固定在拉伸模具上?？紤]到試樣開孔處拉力與剪切力同時(shí)存在，并且在孔邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中，為了防止試樣在開孔處發(fā)生破壞，將試樣兩端用PQ膠粘貼在表面粗糙、厚為5mm的絕緣板上。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

試驗(yàn)所用拉伸模具中螺栓的螺距為1.75mm，從試樣的原長開始，通過改變模具兩端六角螺母的角度，按照0.292mm每次的方式對試樣梯度拉伸，由式（1）可得到試樣測試點(diǎn)處所受拉應(yīng)力大小如表1所示。

1.3彎曲應(yīng)力及電極系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

為了研究GF/EP復(fù)合材料的介電強(qiáng)度隨彎曲正應(yīng)力的變化規(guī)律，本文采用一種特殊的電極形式，其中高壓極為直徑5mm、長200mm的實(shí)心圓柱電極，地電極采用長500mm、外徑各不相同的空心金屬鋁管。測試試樣的厚度為0.3mm，長度設(shè)計(jì)為450mm，寬度根據(jù)地電極的不同外徑分別取值。將試樣用絕緣帶固定在地電極上，并將電極固定在絕緣支架上，為了提高試驗(yàn)效率，1個地電極可以對應(yīng)5個高壓極，試驗(yàn)裝置如圖5所示。

1.4試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法

進(jìn)行試驗(yàn)之前，將擊穿試樣用酒精擦拭干凈，充分干燥后連同電極系統(tǒng)浸入變壓器油中。設(shè)定好試驗(yàn)所需的溫度，待達(dá)到所需實(shí)驗(yàn)溫度并穩(wěn)定60min以后進(jìn)行擊穿測試。每種條件下至少測10個數(shù)據(jù)點(diǎn)，若試樣擊穿之后表面碳化痕跡明顯或擊穿點(diǎn)明顯偏離接觸點(diǎn)，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)不合格，應(yīng)該舍棄。Weibull分布作為對失效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的模型，在對絕緣材料擊穿數(shù)據(jù)的處理中得到廣泛應(yīng)用。圖8給出了機(jī)械應(yīng)力對GF/EP復(fù)合材料擊穿強(qiáng)度影響的Weibull分布圖，從圖中可得出給定條件下?lián)舸?shù)據(jù)的特征值，并用此特征值進(jìn)行數(shù)據(jù)的后續(xù)處理與分析。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1拉應(yīng)力對介電強(qiáng)度的影響

GF/EP復(fù)合材料的介電強(qiáng)度隨拉應(yīng)力的變化規(guī)律如圖9所示。從圖中可以看出：在環(huán)境溫度一定的情況下，擊穿強(qiáng)度隨所受拉應(yīng)力的增大而減小，而且拉應(yīng)力越大，擊穿強(qiáng)度的下降速率越快。

分析以上結(jié)果認(rèn)為：GF/EP復(fù)合材料的界面之間存在許多缺陷，在靜電力和拉應(yīng)力共同作用下分子鏈內(nèi)化學(xué)鍵變?nèi)?，界面結(jié)構(gòu)遭到破壞，絕緣性能下降，導(dǎo)致?lián)舸?qiáng)度降低。隨著拉應(yīng)力增大，弱界面破壞加劇，致使復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度下降速率增大。

拉應(yīng)力作用下GF/EP復(fù)合材料的介電強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律如圖10所示。從圖中可以看出：試樣承受拉應(yīng)力一定的情況下，擊穿強(qiáng)度隨著溫度的升高呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢。

固體電介質(zhì)在電場作用下介質(zhì)內(nèi)部的損耗將引起發(fā)熱，由于環(huán)境溫度升高，散熱條件不利，導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)部溫度升高，擊穿強(qiáng)度降低。數(shù)據(jù)處理過程中，假設(shè)試樣的彈性模量為一常量，得出擊穿強(qiáng)度隨溫度的升高呈先下降后增大的趨勢。而實(shí)際情況下，當(dāng)環(huán)境溫度大于0℃時(shí)，GF/EP復(fù)合材料的彈性模量隨溫度的上升而下降，即相同伸長量下，試樣受到的拉應(yīng)力隨溫度的升高而降低。因而，曲線的上升階段符合前述的擊穿強(qiáng)度隨拉應(yīng)力增大而減小的規(guī)律。

2.2彎曲正應(yīng)力對介電強(qiáng)度的影響

在研究彎曲正應(yīng)力對GF/EP復(fù)合材料介電強(qiáng)度的影響中，環(huán)境溫度從-15℃開始，每隔10℃梯度升溫至55℃。分別在不同溫度和不同彎曲正應(yīng)力作用下以500V/s的速度對試樣加壓，直至試樣發(fā)生擊穿。

GF/EP復(fù)合材料的介電強(qiáng)度隨彎曲正應(yīng)力的變化規(guī)律如圖11所示。從圖中可以看出，在環(huán)境溫度一定的情況下，GF/EP復(fù)合材料的介電強(qiáng)度在彎曲正應(yīng)力增大的初始階段有所上升，當(dāng)彎曲正應(yīng)力增大到85.23MPa后呈現(xiàn)下降的趨勢，且彎曲正應(yīng)力越大，介電強(qiáng)度下降速率越快。

分析以上結(jié)果認(rèn)為：在彎曲正應(yīng)力增大的初始階段，試樣內(nèi)部分子排列致密，致使在溫度和應(yīng)力的共同作用下的擊穿強(qiáng)度有所上升，而后隨著應(yīng)力增大界面結(jié)構(gòu)遭到破壞，絕緣性能下降，導(dǎo)致?lián)舸?qiáng)度降低。

彎曲正應(yīng)力作用下GF/EP復(fù)合材料的介電強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律如圖12所示。從圖中可以看出，擊穿強(qiáng)度隨著溫度的升高呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢。

擊穿強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律與拉應(yīng)力下?lián)舸?qiáng)度的變化規(guī)律相同，但是變化幅度減小，這與C.H.Park[15]的研究結(jié)果相同，即相同應(yīng)力作用下，試樣的厚度會影響擊穿強(qiáng)度的變化程度。GF/EP復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)隨溫度變化比較復(fù)雜，由于復(fù)合材料中樹脂基體和玻璃纖維的熱脹冷縮能力不同，在不同溫度、不同應(yīng)力作用下，樹脂基體和玻璃纖維的粘附力增強(qiáng)，界面處的微孔減少，使試樣的擊穿強(qiáng)度在低溫和高溫下有所提高。

3結(jié)論

通過對GF/EP復(fù)合材料的試樣在不同溫度、不同應(yīng)力大小和不同應(yīng)力作用形式下的擊穿測試，可以得出以下結(jié)論：

1）拉應(yīng)力使GF/EP復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)遭到破壞，引起復(fù)合材料擊穿強(qiáng)度降低，并且拉應(yīng)力越大擊穿強(qiáng)度下降速率越快。

2）復(fù)合材料試樣發(fā)生彎曲時(shí)，受到剪切力和拉應(yīng)力的共同作用，導(dǎo)致材料的擊穿強(qiáng)度在受力初始階段有所上升，而后隨著應(yīng)力增大擊穿強(qiáng)度逐漸降低。

3）溫度對GF/EP復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度有顯著影響，與室溫下相比，高溫和低溫均能使試樣的擊穿強(qiáng)度得到提高。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：王萍）