流變測量學在絕緣材料檢驗領域的應用

張大鵬，倪苗苗

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

前言

隨著我國電機制造技術的不斷提高，絕緣材料日益繁多，對于絕緣材料絕緣性能的要求逐步提高，檢測手段也隨之不斷地提升。目前，流變測量技術已經成為絕緣材料性能檢測的重要手段之一。

流變學是在20世紀后半頁發展起來的，它是力學、化學與材料和工程科學之間的新興邊緣科學。流變學是研究材料流動與變形的科學。非牛頓流體的流變性質及其運動規律是非牛頓流動力學的基礎內容，它又稱流體的流變學，同時也是現代流體力學的一個重要分支。非牛頓流體力學的研究已應用于各工業領域及自然現象分析，是化學、生物學、食品工程、石油工程、冶金工程、化學工程等當代科學發展中的前沿方向之一[1]。流變測量學主要是描述在外力作用下物體形變的性能技術。流變測量學可以表征材料的分子量、分子量分布、配方、微觀聚集等狀態；指導預測加工擠出、吹膜、輸送、流平等工藝，從而了解絕緣材料的模量、使用溫度、尺寸穩定性、儲存穩定性等性能。

1 流變測量學的測試流體

要想良好地反映材料性能,首先要了解需要測量的流體 ? 流體通常按照粘度的變化特性分成牛頓流體和非牛頓流體 ? 而非牛頓流體又可以分為假塑性流體?有屈服值的假塑性流體和脹流性流體(又稱震凝性流體)?

1.1 牛頓流體

粘度不受剪切速率變化的影響，符合該規律的所有液體，稱作“牛頓流體”。牛頓流體是理想情況下的流體，現實中不具備這種“理想”流動特性的液體。但是根據Deborah數[2]的概念，在特定的剪切應力或剪切速率下，液體可以表現出“牛頓流動”特性。該理論常用來進行絕緣材料性能檢測中的近似測試和粗略測量試驗。

牛頓流體的動力粘度公式為:

其中η為動力粘度值，τ為剪切應力，D為剪切速率，ν為流速，y為間隙高度。

圖1通過流動曲線和粘度曲線的不同，表示了牛頓流體和非牛頓流體不同的流動行為。

1.2 非牛頓流體

非牛頓流體是指不具備“牛頓流體”特性的流體。根據剪切應力和粘度的變化情況，可以分為假塑性流體和脹流性流體（又稱震凝性流體）。

假塑性流體是隨剪切應力增大而剪切速率變稀的流體。造成流體出現假塑性的原因，是因為許多看起來均勻的流體，都是由幾種組分構成的。例如，形狀不規則的顆粒或某種液體的液滴分散在另一種液體中；另一方面，聚合物溶液中的聚合物分子具有纏繞或環狀的長分子鏈。靜止時，所有這些物質將維持內部的不規則次序，因此具有相當高的內部阻力（即較高的粘度）阻礙流動，如圖2所示。隨著剪切速率的增大，懸浮在液體中的棒狀顆粒將順著流動方向沿縱長軸取向。熔體或溶液中的鏈狀分子沿驅動方向解纏繞、拉伸和取向。排列后的顆粒或分子線團可以更容易地彼此相互滑過。球形顆粒變形為橄欖狀，即直徑更小的橢圓體，能夠產生彈性形變的血球細胞。又如懸浮在血漿中的硬幣狀的紅血球細胞，可變形成小直徑的橢圓體，使其易于以更高流速通過細血管。剪切還能使原流體中的顆粒聚集形成的不規則團塊破碎，使這類流體在給定的剪切應力下流的更快，如圖2所示。對于大部分流體而言，剪切變稀作用是可逆的，但常滯后一些時間[3]。

圖1 各種常見的流動行為

圖2 處于靜止與流經管道時的分散體系

由于絕緣工藝的要求，基本上現在使用的三聚氰胺醇酸浸漬漆、環氧酯浸漬漆、有機硅浸漬漆、F級環氧無溶劑浸漬樹脂、聚酯亞胺無溶劑浸漬樹脂、H級聚酯亞胺浸漬漆、H級不飽和聚酯亞胺浸漬樹脂、醇酸晾干覆蓋漆、醇酸灰瓷漆、環氧酯灰瓷漆、環氧酯晾干紅瓷漆、硅鋼片膠粘劑等絕緣材料都是假塑形流體。

脹流性流體是隨剪切應力增大而剪切速率變稠的流體。脹流性液體很少見，因為這種流體會使生產條件復雜化，所以在工業生產中會制定配方以減少脹流性的發生。

2 流變測量學的測試參數

在流變測試中，試驗參數往往起到重要的作用，不同的測試參數直接影響著流變測試的準確和誤差。流變測量學的測試參數與六個獨立的參數有關，即：

“S”表征為流體的物理化學性質。這種性質是影響流變測量的主要因素，即該流體是懸浮液、乳濁液、聚合物等。“T”表征為測試流體的溫度。溫度變化對于流變測量影響很大。“p”表征為測試流體受到壓力。壓力壓縮流體使其減小分子之間的距離，增大分子間阻力。“γ”表征為測試流體受到剪切速率。該參數是影響許多流體粘度變化的決定性因素。“t”表征為時間。主要是指某些流體隨時間的變化，其粘度值也會根據剪切歷史及剪切現象而有所變化。“E”表征為電場。涉及一系列懸浮液，電場強度對于這類流體的流動行為具有強烈的影響。這類懸浮液可稱為“電-粘流體（EVF）”，也可稱為“電流變液（ERF）”，含有微細的分散電介質顆粒，在電場中易極化。這類EVF的粘度是電場變化的函數，隨著電壓變化[4]。以上六種參數相互之間不存在任何聯系，但在流變測試中都會影響最后的測量結果。

3 流變測量學在絕緣材料檢驗領域的主要測試方法

3.1 福特杯測量方法

福特杯（又稱 4號杯）測量方法是現階段主要應用在工廠企業的流變測量測試方法。其優點為操作簡單、試驗快捷、成本便宜，針對于粘度值要求不嚴苛的絕緣材料。

在絕緣領域中，三聚氰胺醇酸浸漬漆、環氧酯浸漬漆、有機硅浸漬漆、F級環氧無溶劑浸漬樹脂、聚酯亞胺無溶劑浸漬樹脂、H級聚酯亞胺浸漬漆、H級不飽和聚酯亞胺浸漬樹脂、醇酸晾干覆蓋漆、醇酸灰瓷漆、環氧酯灰瓷漆、環氧酯晾干紅瓷漆、硅鋼片膠粘劑等絕緣材料都是使用福特杯法來測量絕緣材料的粘度值。

福特杯法測量方法缺點為：測量的數據不夠精確，測量過程受環境影響因素多，測量數據只是相對值。

3.2 相對旋轉粘度計測量方法

相對旋轉粘度計是利用任何可讀的標量，例如時間、距離、角度等，與標準粘度樣品的比率。因此，相對旋轉粘度計的計算公式為：

其中：Sη為標準粘度值，SS為標準可讀的標量，、Uη為未知可讀的標量。

相對旋轉粘度計的優點為容易操作、測量快捷、清洗方便、性價比高。當用旋轉粘度計進行測量時，流體本身的粘彈性對于剪切會有不同的響應，如圖 3所示。

圖3 黏性液體和彈性液體對于剪切的不用響應

在絕緣領域中，酚醛丁腈橡膠膠粘劑、53311ES-1粘接膠、無溶劑室溫固化膠、HDJ-138涂刷浸漬膠、HEC56102室溫固化涂刷膠、HEC51103水輪機發電機現場用高強度中溫固化膠等絕緣材料都是用相對旋轉粘度計來測量的。

相對旋轉粘度計測量的缺點為：非牛頓流體只是相對值，轉子和測試條件必須相同，當溫度發生變化時，粘度讀數略有誤差。

3.3 絕對旋轉粘度計測量方法

絕對旋轉粘度計是利用測量扭矩的絕對值來標稱材料的絕對粘度值，同時還可以反映溫度對于粘度計的影響。絕對旋轉粘度計優點為絕對值讀數，粘度數值可以標定，并且可以控制多種溫度下同一材料的測量，測試方法多樣，試樣量少，可由計算機控制。

以同軸圓筒測量轉子(DIN 53108)系統為例，如圖4所示。

圖4 標準的或“傳統的”HAAKE設計試樣的同軸圓筒測量轉子系統

在絕緣領域中，VPI無溶劑浸漬工藝中利用絕對旋轉粘度計來測量并檢測液體酸酐粘度，以反映其在工藝生產及日常儲存時的情況。

絕對旋轉粘度計的缺點為測試設備價格昂貴，測試日常保養不易，測量用的轉子清洗不便。

3.4 可視流變測量方法

可視流變測量方法是現在新興的一種流變測量方法。可視流變是將流變儀與顯微鏡相結合，利用可視流變技術可以觀察液體在震動、剪切、旋轉等狀態下分子變化情況。它能有效地觀察到試樣在剪切應力作用下，液體分子發生的變化[6]。圖5為可視流變儀在測試過程的效果圖。

圖5 可視流變顯微下照片

4 流變測量學在絕緣領域的展望

隨著新絕緣材料的研發，越來越多的絕緣材料檢測都采用了流變測量學的測量測試方法。由此可見，流變測量學已經成為測量、測試絕緣材料性能的重要手段之一。流變測量學作為現代絕緣材料測試的基礎方法之一，應該得到行業的大力提倡，并且完善測量規范，統一測試步驟，改良測試方法，以促進流變測量學測量測試技術的不斷發展和進步，同時促進絕緣材料性能的全面提升。

[1]丁鵬, 閆相禎. 非牛頓流體力學簡介及發展[C].第二屆全國力學史與方法論學術研討會論文集,2005.

[2]朱照宣, 流變學中的 Deborah數[J]. 力學與實踐.北京: 力學與實踐雜志編輯部, 2008(04): 64-64.

[3]Gebhard Schramm. A practical approach to rheology and rheometry[M]. Thermo Fisher Scientific, 2009.

[4]Brnes H A, Hutton J F, Walters K. An introduction to rheology[M]. Elsevier Applied Science, 1989.

[5]Collyer A, Utracki L A, Gleissle W. Speed or stress-controlled rheomety[M]. Elsevier Applied Science, 1990.

[6]J G G Dobbe, M R Hardeman, G J Streekstra, C A Grimbergen. Validation and application of an automated rheoscope for measuring red blood cell deformability distributions in different species[J].Biorheology, 2004(2): 65-77.