海因環(huán)氧樹脂/氧化鋁復(fù)合材料的性能研究

徐鵬飛 田金濤 侯亞峰 王寧 王亶

摘 要：本文采用海因型環(huán)氧樹脂為基材、α-氧化鋁為填料，制備了海因型環(huán)氧樹脂/氧化鋁復(fù)合材料，并進(jìn)行機(jī)械性能、電氣絕緣性能和熱力學(xué)性能研究。結(jié)果表明，海因型環(huán)氧樹脂/氧化鋁復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度達(dá)到85.54 MPa，擊穿強(qiáng)度達(dá)到30.8 kV/mm，耐電弧性能達(dá)到362.2 s，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到147.2 ℃，各項性能優(yōu)異，可用于生產(chǎn)GIS產(chǎn)品的絕緣件。

關(guān)鍵詞：海因環(huán)氧樹脂;氧化鋁;復(fù)合材料;絕緣性能

中圖分類號：TQ323.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）22-0044-03

Abstract： In this paper， hydantoin epoxy resin/alumina composites were prepared by using hydantoin epoxy resin as the base material and α- alumina as the filler. The results show that the tensile strength of hydantoin epoxy resin / alumina composite reaches 85.54 MPa， the breakdown strength reaches 30.8 kV/mm， the arc resistance reaches 362.2 s， the glass transition temperature reaches 147.2 ℃， and all properties are excellent， which can be used to produce insulation parts of GIS products.

Keywords： hydantoin epoxy resin;alumina;ccomposite materials;insulation performance

1 研究背景

絕緣件作為氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（GIS）中的核心零部件，有支撐主導(dǎo)體和隔離氣室等作用，其性能決定著GIS穩(wěn)定和電網(wǎng)安全。環(huán)氧樹脂因具有低成本、易加工的優(yōu)點以及良好的機(jī)械、電氣性能而被廣泛應(yīng)用于GIS中[1-2]。單純的環(huán)氧樹脂通常難以滿足使用要求，往往通過添加氧化鋁、二氧化硅等填料制成復(fù)合材料，以提環(huán)氧樹脂的電氣、機(jī)械性能。隨著GIS向超高電壓、小型化方向發(fā)展，對環(huán)氧材料的性能要求也越來越高。

目前，國內(nèi)高壓開關(guān)行業(yè)主要使用雙酚A型、雙酚F型等傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂作為絕緣材料，但其存在黏度大、固化后玻璃化的溫度不高等缺點。國內(nèi)外學(xué)者對新型環(huán)氧樹脂合成進(jìn)行了大量研究，合成了不同結(jié)構(gòu)、不同類型和性能各異的新型環(huán)氧樹脂，例如，含硅環(huán)氧樹脂、含磷環(huán)氧樹脂、含氮環(huán)氧樹脂等。海因環(huán)氧樹脂是一種含非芳香族氮、雜環(huán)胺結(jié)構(gòu)的新型環(huán)氧樹脂，具有黏度低、浸潤性和黏結(jié)性優(yōu)良的特點[3]，其乙內(nèi)酰脲的雜環(huán)結(jié)構(gòu)賦予樹脂高絕緣性、耐電弧、抗腐蝕性、高熱穩(wěn)定性等優(yōu)點[4]，是一種較為理想的絕緣材料。本文選取海因環(huán)氧樹脂和氧化鋁來制備復(fù)合材料，并研究復(fù)合材料的各項性能，旨在提高絕緣件的綜合性能。

2 試樣制備及試驗方法

2.1 原材料

海因型環(huán)氧樹脂：MHR-154，湖北錫太化工有限公司，單體結(jié)構(gòu)如圖1所示。固化劑：甲基四氫苯酐，西安天峰化工實業(yè)有限公司。氧化鋁：α-氧化鋁，平均直徑為40～50 μm，中鋁研究院有限公司。

2.2 樣品的制備方法

取100份環(huán)氧樹脂分別加入65份固化劑和320份氧化鋁，在小型（5 L）真空混料澆注機(jī)（上?？貦C(jī)電科技有限公司）中進(jìn)行混料和澆注試驗。澆注溫度為110 ℃，分別在130 ℃和150 ℃下固化10 h，固化完成后取出樣品。

2.3 機(jī)械性能試驗

拉伸強(qiáng)度和泊松比試驗按照國標(biāo)《塑料 拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》（GB/T 1040.2—2006）采用啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣，彎曲強(qiáng)度采用15 mm×10 mm×4 mm的樣品，在深圳新三思材料檢測有限公司的CMT5105力學(xué)性能測試儀上進(jìn)行。其中，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度測試在拉伸速率5 mm/min條件下進(jìn)行，泊松比測試在拉伸速率1 mm/min條件下進(jìn)行。沖擊強(qiáng)度采用15 mm×10 mm×10 mm樣品在深圳新三思材料檢測有限公司的ZBC1251-C擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)上進(jìn)行測試。分別采用5根試樣進(jìn)行上述試驗，結(jié)果取平均值。

2.4 電氣性能試驗

電氣性能試驗采用Φ100 mm、厚度為1 mm的樣品。介電常數(shù)和介質(zhì)損耗采用上海楊高QS87型塑料介電性能測試儀進(jìn)行;體積電阻率測試在北京冠測公司的EST-121超高阻測試儀上進(jìn)行;耐電弧性和擊穿強(qiáng)度能測試在長春市恒越電子科技有限公司的HYDH-20K耐電弧試驗儀和HYDY-100K耐壓試驗儀上進(jìn)行。分別采用5片試樣進(jìn)行上述試驗，結(jié)果取平均值。

2.5 熱力學(xué)性能試驗

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（[Tg]）和線膨脹系數(shù)分別采用美國TA公司的Q20差示量熱分析儀（DSC）和DIL 801膨脹儀進(jìn)行試驗;熱失重分析在德國耐馳TGA 209F3熱重分析儀上進(jìn)行試驗。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和線膨脹系數(shù)分別采用5個試樣進(jìn)行試驗，結(jié)果取平均值。

3 試驗結(jié)果和分析

3.1 機(jī)械性能分析

由試驗測得：海因型環(huán)氧樹脂/氧化鋁復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為85.54 MPa，彎曲強(qiáng)度為129.2 MPa，沖擊強(qiáng)度為14.1 kJ/m2，拉伸彈性模量為13 445.73 MPa，泊松比為0.31，表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能，見表1。這是由于海因型環(huán)氧樹脂中乙內(nèi)酰脲的雜環(huán)結(jié)構(gòu)賦予其較高的強(qiáng)度。

由圖2可知，在0～1 500 N拉力下，材料處于線性彈性區(qū)，此時材料屬于彈性變形，是由于高分子鏈段的運(yùn)動造成的;當(dāng)拉力大于1 500 N時，開始發(fā)生部分塑性變形，此時分子鏈間開始出現(xiàn)相互滑移，分子結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)破壞。復(fù)合材料斷裂屬于脆性斷裂，這是由于材料中氧化鋁的含量較高，且固化后形成交聯(lián)體型結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為脆性。其中，氧化鋁起到補(bǔ)強(qiáng)作用，在材料承受外力沖擊時，一方面體型三維結(jié)構(gòu)可以吸收部分沖擊力;另一方面，氧化鋁顆粒起到支撐骨架和分散沖擊力的作用，最終使材料顯現(xiàn)出高的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度。同時，大量的氧化鋁可以起到調(diào)節(jié)材料泊松比的作用，使其和金屬鋁的泊松比（0.3）更為接近，在受力時具有相近的橫向和軸向形變，避免鋁嵌件和樹脂的剝離。

3.2 電氣絕緣性能分析

試驗測得：復(fù)合材料的相對介電常數(shù)為4.66，介質(zhì)損耗為0.37%，擊穿強(qiáng)度為30.8 kV/mm，體積電阻率為1.35×1015 Ω，耐電弧性能為362.2 s，表現(xiàn)出良好的介電性和絕緣能，具體見表2。一般絕緣件要求材料介電常數(shù)小于6.3，介質(zhì)損耗小于1%，擊穿強(qiáng)度大于20 kV/mm，體積電阻率大于1×1014 Ω，耐電弧性能大于180 s，完全滿足使用要求。

介電常數(shù)越小表明材料極性越小，在電場中極化越小，其絕緣性能越好，低的介質(zhì)損耗保證材料在電場中對電能損耗小、發(fā)熱少、溫升小、不易產(chǎn)生熱老化。海因型環(huán)氧樹脂中乙內(nèi)酰脲的雜環(huán)的共軛結(jié)構(gòu)導(dǎo)致環(huán)上電子云密度降低，穩(wěn)定性高，在電場中不易極化，因而顯示出較小的介電常數(shù)。同時，環(huán)氧樹脂固化后形成體型三維結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高了絕緣性能。而氧化鋁的大量加入，并均勻分散在環(huán)氧樹脂基材中，可以有效地增加材料的絕緣性能，提高材料的擊穿強(qiáng)度、體積電阻率和耐電弧性能。

3.3 熱力學(xué)性能分析

試驗測得：海因型環(huán)氧樹脂/氧化鋁復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）為147.2 ℃，線膨脹系數(shù)為3.02×10-5（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下），具體見表3。Tg和線膨脹系數(shù)在絕緣件實際應(yīng)用中是兩個重要的熱力學(xué)參數(shù)。在GIS中，金屬導(dǎo)體在電流作用下溫升可達(dá)60～80 ℃，需要絕緣件具有一定的熱穩(wěn)定性，在極端溫升（>100 ℃）條件下能夠保持穩(wěn)定。這要求環(huán)氧樹脂具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，能夠在高溫下穩(wěn)定，而不因發(fā)生形變導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度降低。其線膨脹系數(shù)和鋁合金（A6063鋁合金線膨脹系數(shù)為2.34×10-5）接近，使環(huán)氧樹脂和鋁合金嵌件在相同溫升下具有基本相同的形變，確保受熱樹脂和金屬不發(fā)生剝離，保證絕緣件的安全可靠。

根據(jù)圖3的熱失重曲線可知，當(dāng)溫度達(dá)到250 ℃左右時，環(huán)氧樹脂的結(jié)構(gòu)開始發(fā)生破壞，首先是交聯(lián)鍵（-C-O-）斷裂，體型三維結(jié)構(gòu)遭到破壞，斷裂為長鏈結(jié)構(gòu)，此時質(zhì)量減少較慢。當(dāng)溫度升至350 ℃時，質(zhì)量快速減少，此時乙內(nèi)酰脲的雜環(huán)結(jié)構(gòu)和-C-C-鍵遭到破壞，逐步分解為小分子，因此在熱失重曲線上顯示為質(zhì)量迅速減少。當(dāng)溫度達(dá)到410 ℃左右時，此時分解速率達(dá)到最大。當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃以上時，體系質(zhì)量開始基本保持穩(wěn)定，此時復(fù)合材料中的有機(jī)部分基本分解殆盡，而氧化鋁不分解，因此質(zhì)量保持穩(wěn)定。最終剩余氧化鋁為69.52%，略高于實際氧化鋁含量65.97%。這是由于在氮氣氛圍下，有機(jī)物會并不會完全分解為氣體，剩下部分碳?xì)堄唷?/p>

由玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱失重分析可知，海因型環(huán)氧樹脂/氧化鋁復(fù)合材料具有良好的熱穩(wěn)定性能，這是由于乙內(nèi)酰脲的雜環(huán)胺穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和氧化鋁填料所共同作用的結(jié)果。

4 結(jié)論

本文以海因型環(huán)氧樹脂為基材、α-氧化鋁為填料，制備了高氧化鋁含量的海因型環(huán)氧樹脂/氧化鋁復(fù)合材料，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到85.54 MPa，擊穿強(qiáng)度為30.8 kV/mm，耐電弧性能達(dá)到362.2 s，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到147.2 ℃。其各項性能均優(yōu)于公司現(xiàn)有的環(huán)氧配方體系，能夠滿足GIS用絕緣件材料的使用要求。其優(yōu)異的性能使其可用于小型化產(chǎn)品上，降低生產(chǎn)成本。

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