玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料性能研究

摘 要：【目的】研究玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在絕緣拉桿領(lǐng)域的應(yīng)用?！痉椒ā坎捎?628玻璃纖維織物為增強(qiáng)材料，雙酚A型環(huán)氧樹脂為基體，制備環(huán)氧玻璃纖維復(fù)合材料。對復(fù)合材料進(jìn)行電氣性能、機(jī)械性能與熱力學(xué)性能測試，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析復(fù)合材料各項(xiàng)性能特點(diǎn)，并與絕緣拉桿用產(chǎn)品材料性能參數(shù)進(jìn)行對比。【結(jié)果】7628玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度可達(dá)到583 MPa，彎曲強(qiáng)度達(dá)到570 MPa，剪切強(qiáng)度達(dá)到53 MPa，擊穿電壓大于100 kV，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到106 ℃，線膨脹系數(shù)僅為6.84×10-6；絕緣拉桿產(chǎn)品拉伸破壞強(qiáng)度為149 kN，機(jī)械性能裕度為1.5倍，且通過了1.2倍雷電沖擊裕度試驗(yàn)?！窘Y(jié)論】該復(fù)合材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能、電氣擊穿強(qiáng)度與熱力學(xué)穩(wěn)定性，不僅保證了絕緣拉桿的穩(wěn)固性和耐久性，還提高了其在復(fù)雜環(huán)境中的可靠性和安全性，在絕緣拉桿領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：絕緣拉桿；復(fù)合材料；玻璃纖維；絕緣性能

中圖分類號：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）17-0080-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.017

Research on the Properties of Glass Fiber Reinforced Epoxy Resin

Composite Materials

ZHANG Xiangke XU Pengfei DONG Baoying CHEN Shuancheng CHEN Chunhui

CHEN Kang

（Henan Pinggao Electric Co.， Ltd.， Pingdingshan 467001， China）

Abstract： [Purposes] This paper studies the application of glass fiber reinforced epoxy resin composites in the field of insulating rod. [Methods] Using 7628 glass fiber fabric as the reinforcing material and bisphenol A epoxy resin as the matri/+GmMlvET5gOBbE0qIclOg==x， epoxy glass fiber composites were prepared. The electrical， mechanical and thermodynamic properties of the composites were tested. Based on the experimental results， the performance characteristics of the composites were analyzed and compared with the performance parameters of product materials for the insulating rod. [Findings] The 7628 glass fiber reinforced epoxy resin composite material can achieve a tensile strength of 583 MPa， a flexural strength of 570 MPa， a shear strength of 53 MPa， a breakdown voltage greater than 100 kV， a glass transition temperature of 106 ℃， and a linear expansion coefficient of only 6.84×10-6. The insulating rod product has a tensile failure strength of 149 kN， a mechanical performance margin of 1.5 times， and has passed the 1.2 times lightning impulse margin test. [Conclusions] This composite material exhibits exceptional mechanical properties， electrical breakdown strength， and thermodynamic stability， not only ensuring the stability and durability of the insulating rod but also enhancing their reliability and safety in complex environments， which presents promising application prospects in the field of insulating rod.

Keywords： insulating rod; composite material; glass fiber; insulation performance

0 引言

絕緣拉桿是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）中關(guān)鍵的組成構(gòu)件，其主要作用是將機(jī)械運(yùn)動從接地部分傳送到高電位部分，同時(shí)傳遞拉伸和扭轉(zhuǎn)載荷，實(shí)現(xiàn)電氣連接的通斷。由于斷路器操作中的分、合閘次數(shù)頻繁，故要求絕緣拉桿有較高的絕緣性能、機(jī)械性能及良好的疲勞性能［1-2］。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的力學(xué)性能、電氣絕緣性能和良好的可加工工藝性，是電氣設(shè)備絕緣材料的重要基體材料之一［3］。通過復(fù)合玻璃纖維增強(qiáng)材料可顯著提高環(huán)氧樹脂基體的機(jī)械性能。近年來，隨著GIS向大容量化、小型化和高可靠性方向的發(fā)展，對絕緣拉桿的材料性能提出了更高的要求。

絕緣拉桿本體絕緣材料由玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制備而成，其性能主要取決于玻璃纖維的力學(xué)性能，以及環(huán)氧樹脂與玻璃纖維之間的界面結(jié)合性能［4］。隨著玻璃纖維制造業(yè)的不斷發(fā)展，很多具有特殊性能的玻璃纖維也先后開發(fā)出來，例如：高力學(xué)性能玻璃纖維、耐高溫玻璃纖維、耐化學(xué)腐蝕玻璃纖維，以及其他高性能纖維等［5］。目前國內(nèi)絕緣拉桿生產(chǎn)廠家采用不同厚度的無堿無捻的玻璃纖維布，并對其表面進(jìn)行偶聯(lián)劑處理［6］。7628無堿玻璃布采用平紋編制方式，表面硅烷偶聯(lián)劑處理，具有經(jīng)緯向力學(xué)性能優(yōu)異的特點(diǎn)。本研究選用7628玻纖布作為增強(qiáng)材料、雙酚A型環(huán)氧樹脂作為基體材料制備環(huán)氧玻纖復(fù)合絕緣拉桿，并研究復(fù)合材料的各項(xiàng)性能，旨在提高絕緣拉桿的綜合性能。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

該試驗(yàn)所用原材料分別為雙酚A型環(huán)氧樹脂型號為LY3572；固化劑型號為HY918；芐胺促進(jìn)劑DY602由亨斯邁先進(jìn)化工材料有限公司生產(chǎn)。玻璃纖維布型號為7628，由臺嘉成都玻纖有限公司生產(chǎn)。

1.2 儀器與設(shè)備

該試驗(yàn)所用儀器與設(shè)備分別為真空澆注設(shè)備，由廈門維克機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)；固化烘箱，型號為GHX-072，由江蘇金環(huán)試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)；萬能力學(xué)測試儀，型號為CMT5105，由深圳新三思材料檢測有限公司生產(chǎn)；超高阻測試儀，型號為EST-121，由北京冠測公司生產(chǎn)；耐壓試驗(yàn)儀，型號為HYDY-100K，由長春市恒越電子科技有限公司生產(chǎn)；塑料介電性能測試儀，型號為QS87，由上海楊高電器有限公司生產(chǎn)；德國耐馳 TGA 209F3 熱重分析儀及DIL 801膨脹儀。

1.3 樣品制備方法

將玻璃纖維布緊密纏繞在表面處理過的模具芯軸上，隨后將卷繞有玻纖布的芯軸裝入模腔內(nèi)鎖緊模具后入爐抽真空預(yù)熱，對玻纖布進(jìn)行干燥除濕，以備澆注。

根據(jù)澆注用量，按樹脂∶固化劑∶促進(jìn)劑=100∶85∶0.5計(jì)算各組分的重量。首先稱量樹脂倒入真空澆注設(shè)備混料罐中，其次依次稱量固化劑與促進(jìn)劑并使兩者混合均勻，倒入混料罐中，混料罐溫度控制在（45±2） ℃，抽真空去除物料內(nèi)部氣泡，最后在60 ℃下開始澆注，120 ℃下固化12 h，固化完成后取出樣品。

1.4 性能測試與表征

拉伸強(qiáng)度與泊松比測試：按照GB/T 1040.4—2006進(jìn)行測試，樣品尺寸為200 mm×20 mm×5 mm，啞鈴形試樣。

彎曲強(qiáng)度測試：按照GB/T 9341—2008進(jìn)行測試，樣品尺寸為80 mm×10 mm×4 mm。

剪切強(qiáng)度測試：按照J(rèn)B/T 8150—1999進(jìn)行測試。

電氣絕緣性能測試：電氣性能試驗(yàn)采取在管狀絕緣拉桿樣品上截取長度為25 mm的管狀樣品，按照GB/T 31838.2—2019進(jìn)行測試。采用超高阻測試儀測試其體積電阻率；交流短時(shí)擊穿電壓，用電壓擊穿測試儀測定其擊穿場強(qiáng)；用介質(zhì)損耗測試儀測試介電特性。

熱力學(xué)性能測試：利用熱重分析儀對環(huán)氧玻纖復(fù)合材料的熱分解行為、穩(wěn)定性和玻纖含量進(jìn)行分析，采用膨脹儀測定環(huán)氧玻纖復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)，綜合評估該復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

機(jī)械性能測試結(jié)果見表1。從表1可以看出，環(huán)氧玻纖復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為583 MPa，泊松比為0.17，彎曲強(qiáng)度為570 MPa，剪切強(qiáng)度為53 MPa，該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，玻璃纖維織物的加入顯著增強(qiáng)了材料的各項(xiàng)力學(xué)性能。

拉伸破壞試樣外觀如圖1所示。由圖1可以直接觀察到拉伸過后試樣的明顯破壞形態(tài)，從拉伸破壞試樣側(cè)面直觀圖可以看出，整個拉伸損傷過程中伴隨著纖維與基體的開裂、界面脫黏、層間斷裂、纖維的斷裂等。纖維與樹脂基體之間的孔隙、氣泡等缺陷會在加載過程中繼續(xù)擴(kuò)展，進(jìn)而造成材料的失效，降低材料力學(xué)性能。通過真空壓力浸漬工藝可有效地減少復(fù)合材料內(nèi)部的孔隙、氣泡等缺陷，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

2.2 電氣絕緣性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

電氣絕緣性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可以看出，環(huán)氧玻纖復(fù)合材料的平行層向擊穿電壓>100 kV，介質(zhì)損耗因數(shù)為0.391，相對介電常數(shù)為4.39，體積電阻率為2.2×1016 Ω，復(fù)合材料呈現(xiàn)出優(yōu)異的電氣絕緣性能，可以滿足絕緣拉桿的使用條件要求。

絕緣拉桿是利用真空壓力浸漬成型工藝制備而成的環(huán)氧玻纖復(fù)合材料，其絕緣性能取決于環(huán)氧樹脂。原材料確定后，環(huán)氧樹脂與玻璃纖維之間浸潤不均勻會導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部形成氣隙，而氣隙的存在對材料電氣性能影響較大［7］。本研究選用7628玻璃纖維布，該纖維布為后處理布，高溫除蠟后又在其表面進(jìn)行硅烷偶聯(lián)劑處理，偶聯(lián)劑的存在會在玻璃纖維的表面與樹脂基體之間形成化學(xué)鍵，能夠提高玻璃纖維與樹脂之間的浸潤性，減少浸漬過程材料內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，進(jìn)而提高復(fù)合材料的電氣絕緣性能。

2.3 熱力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

GIS設(shè)備在運(yùn)行過程中，由于電流和電壓的作用，會產(chǎn)生一定的熱量，這些熱量會導(dǎo)致絕緣拉桿的溫度升高，進(jìn)而影響其電氣性能和機(jī)械性能［8］。這就要求環(huán)氧玻纖復(fù)合材料具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，能夠在高溫下保持穩(wěn)定。熱力學(xué)性能測試結(jié)果見表3。從表3可以看出，該環(huán)氧玻纖復(fù)合材料的玻璃化溫度為106 ℃，線膨脹系數(shù)僅為6.84×10-6，表明該復(fù)合材料隨溫度變化時(shí)體積變化小。玻璃纖維是一種低熱膨脹系數(shù)的材料，其加入可以顯著降低復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)，提高材料的熱穩(wěn)定性。

一般來說，玻璃纖維的加入會使復(fù)合材料的熱分解溫度提高，這是因?yàn)椴ＡЮw維本身具有較高的熱穩(wěn)定性，它的加入能夠延緩或阻礙環(huán)氧樹脂基體的熱分解過程。環(huán)氧玻璃纖維復(fù)合材料的熱失重曲線如圖2所示，由圖2可知，在130～200 ℃之間出現(xiàn)輕微的質(zhì)量損失，主要為材料吸附的水分、溶劑或其他揮發(fā)性組分；隨著溫度升高，環(huán)氧樹脂中的官能團(tuán)開始發(fā)生熱分解反應(yīng)，其分子鏈中的C—C鍵和C—O鍵在熱能的影響下發(fā)生斷裂，隨著化學(xué)鍵的斷裂導(dǎo)致環(huán)氧樹脂分子鏈發(fā)生解構(gòu)，進(jìn)而引發(fā)更大規(guī)模的結(jié)構(gòu)破壞［9］；當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時(shí)，環(huán)氧樹脂交聯(lián)點(diǎn)處的化學(xué)鍵逐漸斷裂，導(dǎo)致交聯(lián)結(jié)構(gòu)的解體，此時(shí)分解速率達(dá)到最大；當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，體系質(zhì)量開始保持穩(wěn)定，此時(shí)復(fù)合材料中的樹脂基體已完全分解，殘留部分為無機(jī)玻璃纖維，玻璃纖維含量可達(dá)74%。綜合試驗(yàn)結(jié)果分析，7628玻璃纖維織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性能。

2.4 復(fù)合材料在GIS產(chǎn)品中的應(yīng)用

利用該復(fù)合材料制備了252 kV GIS用絕緣拉桿，并對絕緣拉桿開展了產(chǎn)品機(jī)械性能與電氣性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：絕緣拉桿的拉伸破壞強(qiáng)度為149 kN，遠(yuǎn)大于技術(shù)條件要求的100 kN，機(jī)械強(qiáng)度裕度為1.5倍；在絕緣拉桿的電氣性能方面，開展了工頻耐壓試驗(yàn)（460 kV）、局部放電試驗(yàn)、雷電沖擊試驗(yàn)（1 050 kV）、工頻耐壓裕度試驗(yàn)、雷電裕度試驗(yàn)等，產(chǎn)品均通過試驗(yàn)驗(yàn)證，且在工頻耐壓裕度與雷電沖擊裕度試驗(yàn)中，通過了1.2倍工頻耐壓裕度試驗(yàn)與1.2倍雷電沖擊裕度試驗(yàn)。表明該復(fù)合材料制備的絕緣拉桿具有良好的機(jī)械性能和電氣絕緣性能，可以滿足絕緣拉桿實(shí)際運(yùn)行工況所需。

a31e45ab29807f23a7ec703e1b5a76273 結(jié)論

本研究以雙酚A型環(huán)氧樹脂為基材、7628玻璃纖維織物為增強(qiáng)材料，制備了高玻纖含量的環(huán)氧樹脂/玻纖復(fù)合材料。該復(fù)合材料具有良好機(jī)械強(qiáng)度與電氣絕緣性能，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)到 583 MPa，彎曲強(qiáng)度可達(dá)到570 MPa，平行層向擊穿電壓>100 kV，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到106 ℃。由該復(fù)合材料制備的絕緣拉桿各項(xiàng)性能均可滿足GIS用絕緣拉桿材料的性能參數(shù)要求，并具有一定的設(shè)計(jì)裕度，在絕緣拉桿材料領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢。

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收稿日期：2024-08-14

基金項(xiàng)目：550 kV斷路器用方形絕緣拉桿關(guān)鍵制備技術(shù)研究項(xiàng)目（PGKJ2022-214）。

作者簡介：張向可（1996—），女，碩士，助理工程師，研究方向：復(fù)合材料。