樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在絕緣領(lǐng)域的研究進(jìn)展

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料逐漸被應(yīng)用于高壓輸電、電子器件等電氣電子相關(guān)領(lǐng)域。在這種特殊工況中，設(shè)備或材料的絕緣問題成為影響其使用性能和壽命的關(guān)鍵。環(huán)氧樹脂、聚丙烯等多種熱固性、熱塑性材料及其復(fù)合材料表現(xiàn)了出色的絕緣性能，并同時具備良好的機(jī)械性能，為電氣電力電子設(shè)備提供了新的選擇。本文針對復(fù)合材料在絕緣領(lǐng)域中的應(yīng)用，綜述了材料本征性能及材料改性技術(shù)等方面的研究進(jìn)展，并對不同絕緣復(fù)合材料的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；電絕緣；材料改性；界面處理

Research Progress of Resin-based Fiber Reinforced

Composites in the Field of Insulation

ZHANG Runbo， YIN Yue， YU Jiayun

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.，" Harbin 150028）

ABSTRACT With the advancement of science and technology， composite materials have been gradually employed in electrical and electronic-related fields such as high-voltage power transmission and electronic devices. In such special working conditions， the insulation issue of equipment or materials becomes a crucial factor influencing their performance and lifespan. A variety of thermosetting and thermoplastic materials like epoxy resin and polypropylene， as well as their composites， exhibit outstanding insulation properties and concurrently possess favorable mechanical properties， offering new options for electrical and power electronic equipment. This article focuses on the application of composite materials in the insulation domain， reviews the research progress in aspects such as the intrinsic properties of materials and material modification techniques， and summarizes the applications of different insulating composite materials.

KEYWORDS composite materials; electrical insulation; material modification; interface treatment

1 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，工程領(lǐng)域?qū)?fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的性能要求逐步提高。在部分工況條件下，材料或設(shè)備的絕緣問題成為影響結(jié)構(gòu)性能和使用壽命的關(guān)鍵問題[1-2]。復(fù)合材料自問世以來，便以其高強(qiáng)高剛、耐腐蝕等性能優(yōu)勢受到青睞，被廣泛應(yīng)用于絕緣領(lǐng)域，特別是在電氣電子領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在電氣絕緣方向，復(fù)合材料的應(yīng)用主要體現(xiàn)在提高電氣設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。例如芳綸纖維因其優(yōu)異的絕緣效果，可提高變壓器對溫度的存儲以及諧波負(fù)載等能力，從而提高變壓器的使用壽命和性能穩(wěn)定性[3]。在電子領(lǐng)域，芳綸纖維與紙板共同組成電機(jī)產(chǎn)品的絕緣系統(tǒng)，使產(chǎn)品能在超負(fù)荷的狀態(tài)下運(yùn)行。此外，復(fù)合材料及其織物還在制造機(jī)載或星載雷達(dá)天線罩、微電子組裝技術(shù)、雷達(dá)天線饋源功能結(jié)構(gòu)部件橋梁結(jié)構(gòu)加固等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[4]。

常規(guī)復(fù)合材料雖具有優(yōu)異的力學(xué)性能，但其絕緣性能仍需通過相關(guān)方法進(jìn)行提升。提升材料的絕緣性能通常采用兩種方法：（1）選取本征絕緣材料：基體如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等，增強(qiáng)相如玻璃纖維、芳綸纖維等均具有良好的絕緣性能；（2）選取填料對復(fù)合材料進(jìn)行改性處理：常見的填料有ZnO、SiO2、碳納米管等，均能有效提升材料的絕緣性能[5]。絕緣材料性能評價指標(biāo)主要有：絕緣電阻率、介電常數(shù)以及絕緣擊穿性能[6]。除此外，其熱穩(wěn)定性也同樣重要。因此，在選用電絕緣基體材料用于高電壓絕緣領(lǐng)域時，常常需要滿足熱、力學(xué)和成型加工性能以及耐高壓在內(nèi)的絕緣性能要求?；谏鲜鰞?nèi)容，本文從基礎(chǔ)組份、材料改性兩個方面綜述復(fù)合材料在電絕緣領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。復(fù)合材料在絕緣領(lǐng)域中的應(yīng)用如圖1所示。

2 基體材料的絕緣應(yīng)用

2.1 熱固性材料

熱固性樹脂是指在高溫壓環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的一種高分子聚合物材料，具有耐熱、絕緣、抗沖擊、耐電擊穿、耐腐蝕等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于電力及交通系統(tǒng)中。環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、硅樹脂及聚酰亞胺等是較為常見的熱固性材料，因其各自獨特的性能被應(yīng)用于不同的領(lǐng)域[7]。

2.1.1 環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂則是一種常用的工程塑料，具有高強(qiáng)度、高溫度耐受性、優(yōu)異的耐化學(xué)性和電氣絕緣性能等優(yōu)點，常用于制造電路板、電子器件、航空航天部件等[8-9]。環(huán)氧樹脂通過開環(huán)交聯(lián)反應(yīng)形成具有一定強(qiáng)度的固化產(chǎn)物，其功能基團(tuán)能夠提供極性、反應(yīng)性，為環(huán)氧樹脂帶來不同的應(yīng)用性能，如機(jī)械性能、耐化學(xué)性、絕緣性等。根據(jù)自身官能團(tuán)進(jìn)行分類，環(huán)氧樹脂包含雙酚A型，雙酚F型，多酚型縮水甘油醚型，脂肪族縮水甘油醚以及脂環(huán)族環(huán)氧樹脂。各類環(huán)氧樹脂由于自身結(jié)構(gòu)的不同，其性能也存在差異，可分別應(yīng)用于不同工業(yè)領(lǐng)域。各類環(huán)氧樹脂材料的特性及其用途如表1所示[10-11]。

2.1.2 聚酰亞胺

聚酰亞胺（PI）作為一種高性能熱固性塑料，具有高強(qiáng)度、耐高溫和耐腐蝕性等優(yōu)點，因此在制造航空、航天、汽車等領(lǐng)域的高溫結(jié)構(gòu)件和電子元器件方面有廣泛應(yīng)用[12-13]。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和電子封裝技術(shù)的快速發(fā)展，電子器件逐漸向輕薄化、柔性化方向發(fā)展，逐漸被用作電子器件的基板等封裝材料。目前，國內(nèi)外主要的PI生產(chǎn)商如表2所示[14-15]。

2.1.3 有機(jī)硅樹脂

有機(jī)硅樹脂兼具有機(jī)材料與無機(jī)材料的雙重特性，具有十分優(yōu)異的電絕緣、耐高溫、防水性能，被廣泛應(yīng)用于絕緣復(fù)合材料浸漬、變壓器線圈等相關(guān)領(lǐng)域[16-17]。有機(jī)硅浸漬制品如玻璃布、玻布絲、石棉布等可制成電機(jī)套管、電器絕緣繞組等產(chǎn)品，為電氣設(shè)備提供絕緣保障。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)工業(yè)對有機(jī)硅絕緣材料的要求逐漸提高，這同時也帶動了有機(jī)硅樹脂的基礎(chǔ)研究。Zhou等人[18]以Al2O3填充甲基乙烯基硅橡膠制備了高導(dǎo)熱系數(shù)的有機(jī)硅復(fù)合材料，其電絕緣性能及力學(xué)性能優(yōu)良。劉聞鳳[19]等以水解縮聚合成的甲基苯基乙烯基硅樹脂為基體，以Al2O3、BN、AlN為導(dǎo)熱填料，制備不同種類的填充型有機(jī)硅導(dǎo)熱復(fù)合材料，并對各產(chǎn)物的導(dǎo)熱性能進(jìn)行比較分析。

2.2 熱塑性材料

熱塑性材料作為工業(yè)領(lǐng)域常見的電氣絕緣材料，其優(yōu)異的力學(xué)性能、低密度、高絕緣性等特性使其在大至高壓電力運(yùn)輸，小至日常開關(guān)插座等方面均具有十分廣泛的應(yīng)用。常見的熱塑性材料包括低密度聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯等，均被應(yīng)用于制造絕緣復(fù)合材料[20]。

2.2.1 聚乙烯

聚乙烯作為最常見的熱塑性材料，常被作為高壓直流電纜的主要材料，但由于長期受到空間電荷聚集作用，會導(dǎo)致材料加速老化，這也是聚乙烯材料在電氣領(lǐng)域中的主要問題[21]。目前，已有許多學(xué)者對聚乙烯材料進(jìn)行改性，提升其絕緣性能，減緩材料老化進(jìn)程。趙青洋等[22]以KH550偶聯(lián)劑改性硅微粉（mSiO2）為改性劑，對低密度聚乙烯進(jìn)行改性，其電氣強(qiáng)度提升至35.1 kV/mm，體積電阻率提升為3.63×1015 Ω/cm。鄭昌佶等[23]通過摻雜納米SiO2引入深陷阱能級的方法改善LDPE的直流介電性能，其直流擊穿強(qiáng)度提高約43 %。

2.2.2 聚丙烯

聚丙烯材料由于其優(yōu)異的介電性能、耐熱性及可回收特性，在高壓直流電纜領(lǐng)域具有十分客觀的商業(yè)化前景。目前國內(nèi)外學(xué)者對聚丙烯材料進(jìn)行改性處理，以期提升聚丙烯的力學(xué)及絕緣性能[24-25]。高鵬等人[26]綜述了聚乙烯材料的不同改性方法及其力學(xué)、熱學(xué)和電氣性能的改善情況，并針對國內(nèi)外聚乙烯材料在電氣行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。

3 纖維的絕緣應(yīng)用

除基體外，纖維作為復(fù)合材料的重要組成部分同樣可以對材料的電絕緣性能起到重要影響。常見的絕緣纖維有玻璃纖維、石英纖維及玄武巖纖維。

3.1 玻璃纖維

玻璃纖維在絕緣材料行業(yè)中是一種重要的原材料，通常占絕緣材料總質(zhì)量的30 %～50 %，具有電絕緣性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕性強(qiáng)，耐高溫性好及機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點，同時價格也較為低廉、容易加工，在絕緣材料行業(yè)占有舉足輕重的地位，成為二十世紀(jì)以來化工領(lǐng)域的重要分支[27-29]。玻纖常用的制品及其用途如表3所示。

3.2 石英纖維

石英纖維是一種無機(jī)纖維，以高純石英或天然水晶為原料，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)99.9 %以上。石英纖維具有十分優(yōu)良的耐熱性、電絕緣性、耐燒蝕、介電性能及化學(xué)穩(wěn)定性，其體積電阻率電阻可達(dá)1012～1014 Ω·m，絕緣強(qiáng)度達(dá)11萬伏／毫米，介電損耗極小，約為0.02。因此，石英纖維被廣泛應(yīng)用于航空航天、電氣絕緣、國防軍事領(lǐng)域[30-32]。

3.3 玄武巖纖維

玄武巖纖維由二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵和二氧化鈦等氧化物組成，是一種由天然玄武巖拉制的新型無機(jī)環(huán)保材料。玄武巖纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能、電絕緣性、耐腐蝕性、耐高溫特性，由其組成的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已被廣泛應(yīng)用于船舶海洋、汽車制造、高溫隔熱、電氣絕緣等相關(guān)領(lǐng)域[33-34]。

陳宇飛等[35]以環(huán)氧樹脂和聚氨酯為基體，短切玄武巖纖維為增強(qiáng)體，制備了介電性能優(yōu)良的玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂團(tuán)狀模塑料（BF-BMC），其電氣強(qiáng)度、體積電阻率、介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因數(shù)分別為11.8 MV/m、2.6×1013 Ω·cm、6.3和0.014。除了作為單一纖維增強(qiáng)聚合物外，玄武巖纖維還常被用來與其他纖維或增強(qiáng)體共同增強(qiáng)聚合物基體。T P Sathishkumar等[36]綜述了雜化纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的發(fā)展?fàn)顩r。雜化纖維相對于單一纖維而言，在增強(qiáng)聚合物基體材料方面往往可以表現(xiàn)出更為全面的改性效果。在提高某一方面性能的同時，雜化纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的熱性能、力學(xué)性能、阻尼性能、蠕變性能等也可以得到保持或者提高。H M Gajiwala[37]研究了采用玄武巖纖維、聚苯并咪唑纖維與納米粘土共同增強(qiáng)聚合物彈性體制備火箭發(fā)動機(jī)隔熱材料。性能測試表明，該材料的表面電阻率約為7.0×1011 Ω，體積電阻率約為3.3×1011 Ω·cm，介電常數(shù)為6～7（ASNBR：8.75）。由于具有良好的綜合性能，這類材料在火箭發(fā)動機(jī)隔熱材料中具有較好的應(yīng)用前景。

4 材料的絕緣改性處理

材料改性作為一種常見的處理方法，是影響材料性能的重要技術(shù)手段。常用的材料改性方法主要有物理改性及化學(xué)改性。其中，物理改性包括吸收、包覆等方法，主要通過在基體內(nèi)填充粒子等物質(zhì)提升材料性能；化學(xué)改性包括表面接枝、表面修飾、等離子體處理等方法，主要通過加入不同官能團(tuán)、過渡層等增加界面結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而提升材料相應(yīng)特性[38]。

4.1 納米顆粒改性

納米材料常被作為材料改性的主要填料，用以提升材料整體的介電特性。納米顆粒改性的作用原理主要依靠其與環(huán)氧基體之間固化反應(yīng)生成交聯(lián)長分子鏈，形成更加穩(wěn)定的固化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[39-40]。這種更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)能夠提高納米顆粒與環(huán)氧樹脂之間的界面結(jié)合強(qiáng)度，從而達(dá)到進(jìn)一步提升材料性能的目的。

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，較低含量的納米填料如SiO2，ZnO，TiO2，MgO，Al2O3等可以提高聚合物的絕緣性能，主要的機(jī)理歸因于兩種途徑：（1）納米填料導(dǎo)致電子擊穿的曲折路徑；（2）納米填料通過向聚合物中引入了深陷阱來捕獲電子[41-42]。納米顆粒被引入到基體中，與基體形成大量界面，這些界面在電場作用下可以束縛電子，提升材料的擊穿電壓。此外，還可通過改變納米粒子的粒徑、形態(tài)、類型和含量等方式，對納米環(huán)氧復(fù)合材料綜合應(yīng)用性能進(jìn)行進(jìn)一步改善和提高。b-Al2O3/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備流程如圖2所示[41]。

納米二氧化硅（silicon dioxide，SiO2）和納米氧化鋅（zinc oxide，ZnO）是目前填充聚合物常用的兩種微粒。納米SiO2微粒表面的大量殘鍵和羥基基團(tuán)能有效改善微粒在聚合物中的分散程度，能有效改善環(huán)氧基體和納米粒子間的界面，從而降低復(fù)合材料的介電常數(shù)和介電損耗；納米ZnO微粒則可在填充后使基體材料獲得場致非線性電導(dǎo)與抗紫外性能，能有效提高EP的局放起始電壓大小及耐電樹脂老化的能力[43]。秦毅[44]探究了一種電壓穩(wěn)定劑m-ABA修飾納米SiO2的功能化納米顆粒（m-ABA-SiO2），用以改善基體的絕緣耐電壓擊穿性能，其擊穿場強(qiáng)可達(dá)到53 kV/mm，相比于純CE基體提高了40.8 %。

根據(jù)上述研究發(fā)現(xiàn)，將納米顆粒填充至基體材料中可不同程度的提升基體材料的機(jī)械性能、導(dǎo)熱性能及介電性能，但在實際應(yīng)用中仍存在顆粒分散困難、易纏結(jié)團(tuán)聚等現(xiàn)象，應(yīng)在生產(chǎn)制備中注意用量。

4.2 等離子體處理

根據(jù)不同等離子體的氣體溫度，可以將產(chǎn)生的等離子體分為高溫等離子體（106～108K）和低溫等離子體（室溫3×104K），其中低溫等離子體又可分為熱等離子體（3×103～3×104K）、非熱等離子體（1000～200K）和冷等離子體（室溫200 ℃）[45-47]。在材料改性領(lǐng)域，低溫等離子的使用有兩大形式：介質(zhì)阻擋放電（DBD）和大氣壓等離子體射流（APPJ），如圖3所示。這兩種等離子體制造由于簡單，靈活，穩(wěn)定性高等特點，被廣泛應(yīng)用應(yīng)用于材料改性實驗。

張興濤[48]研究DBD對PI薄膜表面進(jìn)行不同時間改性，研究其化學(xué)結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明等離子體在PI薄膜表面引入了極性官能團(tuán)，相對于未改性的PI膜提高了17.7 %。劉娟[49]研究了等離子體改性納米粒子對于PI/Al2O3薄膜的絕緣性能的影響。劉陽[50]提出了一種低氣壓條件下KH550協(xié)同等離子體氟化聯(lián)合改性技術(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性SiO2/EP的PDIV與擊穿場強(qiáng)在低含量時比純EP提高33.33 %與12.8 %，且體積電阻率在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時比KH550改性效果顯著。由以上可知，等離子體改性技術(shù)由于其制作方便，環(huán)境要求低，效果顯著等特點，在電氣，機(jī)械等領(lǐng)域被廣泛使用。

5 結(jié)語

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工程領(lǐng)域?qū)?fù)合材料絕緣性能的要求逐漸提高，各類復(fù)合材料及其組分的基礎(chǔ)性能已無法滿足現(xiàn)階段工業(yè)絕緣需求，各種無機(jī)填料、界面處理方法成為絕緣改性的主流技術(shù)。目前已有大量研究工作通過改變復(fù)合材料各組分特性及界面改性等方法提升材料的絕緣性能，進(jìn)而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的絕緣功能。相關(guān)的新型材料已被應(yīng)用于電氣絕緣和電子領(lǐng)域，目前如何進(jìn)一步提升其材料性能成為復(fù)合材料領(lǐng)域研究的熱點問題之一。

參 考 文 獻(xiàn)

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