芳綸纖維材料在電氣絕緣和電子領(lǐng)域中的應(yīng)用

文/趙肖斌 姚博煒

我國對于芳綸材料研究和國外對比起步晚，相關(guān)技術(shù)滯后。目前，將其應(yīng)用在各種材料的制造方面，性能較為良好的芳綸材料主要依靠進(jìn)口。此種材料在電氣絕緣以及電子領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用，為促使其充分發(fā)揮材料優(yōu)勢，有必要就具體應(yīng)用形式加以研究。

1 芳綸纖維在電氣絕緣以及電子領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用方向

1.1 變壓器

在變壓器的芯線、層間以及相間絕緣方面，使用芳綸纖維無疑是較為理想的材料。其在應(yīng)用過程優(yōu)勢明顯，纖維紙限氧指數(shù)>28，因此自身屬于良好的阻燃材料。同時耐熱性能達(dá)到220級，能夠?qū)⒆儔浩骼鋮s空間減小，促使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，減少變壓器空載時的損耗，還能降低制造成本。由于其絕緣效果好，可提高變壓器對溫度的存儲以及諧波負(fù)載等能力，因此在變壓器絕緣方面有重要應(yīng)用。此外，材料抗潮性好，可應(yīng)用于潮濕環(huán)境下。

1.2 電機(jī)

在電機(jī)的制造過程中，芳綸纖維的應(yīng)用廣泛，纖維和紙板共同組成電機(jī)產(chǎn)品的絕緣系統(tǒng)，使產(chǎn)品能在超出負(fù)荷的狀態(tài)下運(yùn)行。由于材料尺寸小、性能良好，因此可在線圈繞組過程不受損壞。其應(yīng)用途徑包括相間、引線、對地、導(dǎo)線、槽襯等絕緣。例如：厚度在0.18mm～0.38mm的纖維紙柔韌性好，適合用于槽襯絕緣；厚度在0.51mm～0.76mm的下內(nèi)置硬度較高，因此可應(yīng)用在槽楔位置。

1.3 電路板

在電路板中應(yīng)用芳綸纖維之后，電氣強(qiáng)度、點(diǎn)阻力、激光速度較大，同時離子的可加工性能更高，離子密度較低，由于以上優(yōu)勢，其在電子領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。在20世紀(jì)的90年代，由芳綸材料制作而成的電路板成為SMT基板材料社會關(guān)注重點(diǎn)，芳綸纖維在電路板基材等方面應(yīng)用廣泛。

1.4 雷達(dá)天線

在衛(wèi)星通訊的迅速發(fā)展中，要求雷達(dá)天線具備質(zhì)量小、輕便、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢。芳綸纖維在性能上具有較高的穩(wěn)定性、電氣絕緣能力良好，并且透波性和力學(xué)性能較強(qiáng)，因此可將其應(yīng)用在雷達(dá)天線領(lǐng)域當(dāng)中。例如：可以合理運(yùn)用在高架天線、軍艦和飛機(jī)等天線罩以及雷達(dá)饋線等結(jié)構(gòu)當(dāng)中。

2 芳綸纖維在電氣絕緣以及電子領(lǐng)域內(nèi)的具體應(yīng)用

2.1 各類變壓器中的應(yīng)用

芳綸纖維可應(yīng)用在干式變壓器當(dāng)中，在線圈繞點(diǎn)使用芳綸纖維，將變壓器絕緣系統(tǒng)溫度指數(shù)有效提升，并延長其使用壽命。由纖維紙、高溫油等組成抗高溫的絕緣系統(tǒng)，應(yīng)用在鐵路牽引設(shè)備以及配電設(shè)備當(dāng)中，減小變壓器質(zhì)量和體積。在高速列車中使用芳綸材料構(gòu)成變壓器的絕緣系統(tǒng)，將變壓器體積變?yōu)樵瓉淼?0%～85%，降低其出現(xiàn)故障維修的工作量，提高了變壓器安全性能。充分利用芳綸纖維優(yōu)勢，將其應(yīng)用在變壓器當(dāng)中作為絕緣主材，可保障結(jié)構(gòu)安全性。在油浸變壓器中可使用芳綸纖維，配合燃點(diǎn)較高的β油制造出具有高燃點(diǎn)的變壓器。該種類型的變壓器運(yùn)行消耗成本低、防火性能好。如：使用芳綸纖維和硅油制作出150kVA變壓器，質(zhì)量和100kVA的變壓器相差不大。

2.2 各類電機(jī)中的應(yīng)用

芳綸纖維可應(yīng)用在特種電機(jī)的絕緣系統(tǒng)中，在變頻調(diào)速電機(jī)以及2500kV交變頻電機(jī)中應(yīng)用芳綸纖維絕緣性能良好。同時使用芳綸纖維制作成環(huán)氧樹脂類復(fù)合材料作為發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子保護(hù)環(huán)，可有效解決傳統(tǒng)玻璃纖維的無緯帶性能較弱的問題。在正常狀態(tài)下，試樣的拉伸強(qiáng)度為1816MPa，因此可滿足高度運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境下要求。此外，還可利用芳綸纖維作為電機(jī)匝間的結(jié)構(gòu)絕緣，這樣可減小絕緣層的厚度，同時降低電機(jī)溫度上升速度，提高電機(jī)整體性能。

在發(fā)電機(jī)中也可將芳綸纖維應(yīng)用其中，將纖維紙使用環(huán)氧樹脂浸泡之后，放在轉(zhuǎn)子線圈中，形成絕緣結(jié)構(gòu)，提高線圈的機(jī)械強(qiáng)度，同時還能縮短發(fā)電機(jī)的制造周期。研究人員對三峽機(jī)組中使用的東方發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)機(jī)組使用芳綸材料作為繞組絕緣，不但符合機(jī)組在技術(shù)方面的絕緣要求，這種發(fā)電機(jī)可應(yīng)用在大型或者中型的水輪發(fā)電機(jī)當(dāng)中。

此外，芳綸纖維還可用在電機(jī)的接地絕緣當(dāng)中，避免電機(jī)出現(xiàn)異常停機(jī)的問題。使用芳綸纖維與聚酰亞胺組成復(fù)合材料，形成封閉式引線，內(nèi)外層通過芳綸纖維進(jìn)行編制，可使電機(jī)在潤滑油以及冷媒條件下絕緣性能良好。

2.3 印制電路板中的應(yīng)用

印制電路板（下文簡稱PCB）的制造過程，使用芳綸纖維合成具有高密度的電子片引線支座，此類型支座具有較強(qiáng)的張拉性能，因此可避免銅片受熱之后和樹脂基體之間產(chǎn)生分離的問題。在電子工業(yè)中，使用芳綸材料制造PCB板，可增強(qiáng)電路板的強(qiáng)度和質(zhì)量。此種電路板尺寸優(yōu)良，膨脹系數(shù)3×10-6/℃。由于電路板的介電常數(shù)較低，所以可適用于線路的高速傳輸。和玻璃纖維材料相對比，這種電路板的質(zhì)量降低了20%，因此實(shí)現(xiàn)了電子設(shè)備質(zhì)量輕、體系小的制造目標(biāo)。日本某公司研制出穩(wěn)定性更好、柔韌度更高、抗?jié)裥阅芨鼜?qiáng)的PCB板，在制造過程，在間位使用芳綸纖維，加速了環(huán)氧基樹脂材料的制取。對比于對位材料的應(yīng)用，其更容易加工，吸潮性能更好。使用芳綸纖維制作的PCB，其質(zhì)量輕、性能強(qiáng)，可應(yīng)用在智能手機(jī)以及平板電腦當(dāng)中。此外，當(dāng)前基于多層結(jié)構(gòu)的芳綸纖維制造出的電路板可對高密度電子進(jìn)行封裝，適合應(yīng)用在電路的高速傳輸過程中，在軍工領(lǐng)域中取得廣泛應(yīng)用。

2.4 天線部件中的應(yīng)用

由于芳綸材料具有良好的介電性能，將其應(yīng)用在雷達(dá)罩部件當(dāng)中，比傳統(tǒng)玻璃雷達(dá)天線罩更薄，剛度良好，信號的透過率更高。和半波長類型的雷達(dá)罩相比，處于夾層位置的天線罩，使用芳綸材料制作蜂窩夾層，其芯材的質(zhì)量更輕，并且強(qiáng)度比玻璃不芯材高，不足之處為制造消耗的成本較高。因此，只能將其應(yīng)用在艦載雷達(dá)和機(jī)載雷達(dá)等高端領(lǐng)域的天線罩部件制造當(dāng)中。美國公司和日本共同研制出雷達(dá)拋物面天線，在雷達(dá)反射面使用對位芳綸材料。由于我國對芳綸材料的研究起步相對較晚，但是技術(shù)發(fā)展迅速。當(dāng)前研制的衛(wèi)星APSTAR-2R，其使用蜂窩夾層作為天線的反射面，天線的內(nèi)外蒙皮部分使用對位芳綸材料，間位使用蜂窩芳綸。在飛機(jī)雷達(dá)罩制造過程，使用對位芳綸，利用此材料良好的透波性能，同時膨脹系數(shù)較低，因此反射器頻率可滿足自身結(jié)構(gòu)以及功能雙重要求。ESA曾經(jīng)研制出雙色副類型反射器，其直徑1.1m，在夾層結(jié)構(gòu)中使用間位蜂窩結(jié)構(gòu)，使用芳綸材料作為蒙皮，該結(jié)構(gòu)環(huán)氧樹脂溫度可達(dá)25℃，介電常數(shù)為3.46，損耗因數(shù)為0.013，該種反射器傳輸環(huán)節(jié)反射損耗只有0.3dB，傳輸信號損失0.5dB。瑞典在衛(wèi)星系統(tǒng)中應(yīng)用的雙色副類型反射器，直徑1.42m，在傳輸環(huán)節(jié)損耗<0.25dB，反射損耗<0.1dB。我國電子研究所研制出同類產(chǎn)品，和國外天線存在相同的夾層結(jié)構(gòu)，但是使用芳綸材料以及玻璃纖維合成復(fù)合材料作為蒙皮，這種天線在傳輸環(huán)節(jié)反射損耗<0.5dB，透波損耗<0.3dB。

2.5 其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

除以上領(lǐng)域的應(yīng)用，芳綸纖維在復(fù)合膜、絕緣繩/桿、斷路器、制動器等電子部件領(lǐng)域中也有廣泛應(yīng)用。例如：在500kV輸電線路中，使用芳綸材料制作成的絕緣繩代替絕緣吊桿當(dāng)承力工具，利用絕緣繩連接絲桿，有利于促使安全系數(shù)在3以上。絕緣桿主要是使用芳綸纖維和滌綸纖維相互纏繞方式組成的結(jié)構(gòu)，將其置于真空當(dāng)中，并浸入到環(huán)氧樹脂材料中，經(jīng)固化之后形的。使用過程中具有良好的耐腐蝕性能，質(zhì)量輕便、強(qiáng)度更高，這種材料絕緣性能良好。在110kV的線路中，使用絕緣桿的操作較為頻繁，其在應(yīng)用過程機(jī)械強(qiáng)度較高，具有良好的動態(tài)抗疲勞特征。在電器機(jī)械的制造方面，使用芳綸纖維材料可提升部件強(qiáng)度，防止成型換貨表面磨損嚴(yán)重，其在電器設(shè)備中取代玻璃纖維，芳綸纖維中纖維含量為5%、長度可達(dá)6.4mm，拉伸強(qiáng)度為28.5MPa，耐電弧性為192s,抗沖擊強(qiáng)度138.68J/m，因此耐磨損強(qiáng)度更高。

3 結(jié)束語

總而言之，芳綸材料在電氣絕緣領(lǐng)域以及電子領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，面臨著應(yīng)用過程面臨的困難，國家應(yīng)開展變壓器、輸電設(shè)備等工程，促使此類型材料在電氣絕緣中推廣應(yīng)用，不斷縮小技術(shù)應(yīng)用和國外產(chǎn)品之間的差距。同時還應(yīng)在電路板、雷達(dá)等領(lǐng)域中高效應(yīng)用，發(fā)揮材料性能優(yōu)勢，促使我國電氣絕緣以及電子領(lǐng)域更好的發(fā)展。