海因環氧樹脂/氧化鋁復合材料的性能研究

徐鵬飛 田金濤 侯亞峰 王寧 王亶

摘 要：本文采用海因型環氧樹脂為基材、α-氧化鋁為填料，制備了海因型環氧樹脂/氧化鋁復合材料，并進行機械性能、電氣絕緣性能和熱力學性能研究。結果表明，海因型環氧樹脂/氧化鋁復合材料拉伸強度達到85.54 MPa，擊穿強度達到30.8 kV/mm，耐電弧性能達到362.2 s，玻璃化轉變溫度達到147.2 ℃，各項性能優異，可用于生產GIS產品的絕緣件。

關鍵詞：海因環氧樹脂;氧化鋁;復合材料;絕緣性能

中圖分類號：TQ323.5文獻標識碼：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（GIS）中的核心零部件，有支撐主導體和隔離氣室等作用，其性能決定著GIS穩定和電網安全。環氧樹脂因具有低成本、易加工的優點以及良好的機械、電氣性能而被廣泛應用于GIS中[1-2]。單純的環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合材料，以提環氧樹脂的電氣、機械性能。隨著GIS向超高電壓、小型化方向發展，對環氧材料的性能要求也越來越高。

目前，國內高壓開關行業主要使用雙酚A型、雙酚F型等傳統的環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。國內外學者對新型環氧樹脂合成進行了大量研究，合成了不同結構、不同類型和性能各異的新型環氧樹脂，例如，含硅環氧樹脂、含磷環氧樹脂、含氮環氧樹脂等。海因環氧樹脂是一種含非芳香族氮、雜環胺結構的新型環氧樹脂，具有黏度低、浸潤性和黏結性優良的特點[3]，其乙內酰脲的雜環結構賦予樹脂高絕緣性、耐電弧、抗腐蝕性、高熱穩定性等優點[4]，是一種較為理想的絕緣材料。本文選取海因環氧樹脂和氧化鋁來制備復合材料，并研究復合材料的各項性能，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

海因型環氧樹脂：MHR-154，湖北錫太化工有限公司，單體結構如圖1所示。固化劑：甲基四氫苯酐，西安天峰化工實業有限公司。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（上海奎特機電科技有限公司）中進行混料和澆注試驗。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 機械性能試驗

拉伸強度和泊松比試驗按照國標《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）采用啞鈴型標準試樣，彎曲強度采用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力學性能測試儀上進行。其中，拉伸強度、彎曲強度測試在拉伸速率5 mm/min條件下進行，泊松比測試在拉伸速率1 mm/min條件下進行。沖擊強度采用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擺錘式沖擊試驗機上進行測試。分別采用5根試樣進行上述試驗，結果取平均值。

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。介電常數和介質損耗采用上海楊高QS87型塑料介電性能測試儀進行;體積電阻率測試在北京冠測公司的EST-121超高阻測試儀上進行;耐電弧性和擊穿強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耐壓試驗儀上進行。分別采用5片試樣進行上述試驗，結果取平均值。

2.5 熱力學性能試驗

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

3 試驗結果和分析

3.1 機械性能分析

由試驗測得：海因型環氧樹脂/氧化鋁復合材料的拉伸強度為85.54 MPa，彎曲強度為129.2 MPa，沖擊強度為14.1 kJ/m2，拉伸彈性模量為13 445.73 MPa，泊松比為0.31，表現出良好的機械性能，見表1。這是由于海因型環氧樹脂中乙內酰脲的雜環結構賦予其較高的強度。

由圖2可知，在0～1 500 N拉力下，材料處于線性彈性區，此時材料屬于彈性變形，是由于高分子鏈段的運動造成的;當拉力大于1 500 N時，開始發生部分塑性變形，此時分子鏈間開始出現相互滑移，分子結構開始出現破壞。復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，且固化后形成交聯體型結構，表現為脆性。其中，氧化鋁起到補強作用，在材料承受外力沖擊時，一方面體型三維結構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，最終使材料顯現出高的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度。同時，大量的氧化鋁可以起到調節材料泊松比的作用，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：復合材料的相對介電常數為4.66，介質損耗為0.37%，擊穿強度為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小于6.3，介質損耗小于1%，擊穿強度大于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，低的介質損耗保證材料在電場中對電能損耗小、發熱少、溫升小、不易產生熱老化。海因型環氧樹脂中乙內酰脲的雜環的共軛結構導致環上電子云密度降低，穩定性高，在電場中不易極化，因而顯示出較小的介電常數。同時，環氧樹脂固化后形成體型三維結構，增強了結構的穩定性，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，提高材料的擊穿強度、體積電阻率和耐電弧性能。

3.3 熱力學性能分析

試驗測得：海因型環氧樹脂/氧化鋁復合材料的玻璃化轉變溫度（Tg）為147.2 ℃，線膨脹系數為3.02×10-5（玻璃化轉變溫度以下），具體見表3。Tg和線膨脹系數在絕緣件實際應用中是兩個重要的熱力學參數。在GIS中，金屬導體在電流作用下溫升可達60～80 ℃，需要絕緣件具有一定的熱穩定性，在極端溫升（>100 ℃）條件下能夠保持穩定。這要求環氧樹脂具有較高的玻璃化轉變溫度，能夠在高溫下穩定，而不因發生形變導致絕緣強度、機械強度降低。其線膨脹系數和鋁合金（A6063鋁合金線膨脹系數為2.34×10-5）接近，使環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生剝離，保證絕緣件的安全可靠。

根據圖3的熱失重曲線可知，當溫度達到250 ℃左右時，環氧樹脂的結構開始發生破壞，首先是交聯鍵（-C-O-）斷裂，體型三維結構遭到破壞，斷裂為長鏈結構，此時質量減少較慢。當溫度升至350 ℃時，質量快速減少，此時乙內酰脲的雜環結構和-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量迅速減少。當溫度達到410 ℃左右時，此時分解速率達到最大。當溫度達到500 ℃以上時，體系質量開始基本保持穩定，此時復合材料中的有機部分基本分解殆盡，而氧化鋁不分解，因此質量保持穩定。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，有機物會并不會完全分解為氣體，剩下部分碳殘余。

由玻璃化轉變溫度和熱失重分析可知，海因型環氧樹脂/氧化鋁復合材料具有良好的熱穩定性能，這是由于乙內酰脲的雜環胺穩定的結構和氧化鋁填料所共同作用的結果。

4 結論

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

參考文獻：

[1]梁超.特高壓電氣設備的電場特性及絕緣性能的研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2010.

[2]王旗，李喆，尹毅.微、納米無機顆粒/環氧樹脂復合材料擊穿強度性能[J].電工技術學報，2014（12）：230-235.

[3]張連旺，包建文，鐘翔嶼.VARI工藝用海因環氧樹脂性能研究[J].玻璃鋼/復合材料，2014（3）：23-26.

[4]李玲，田晉麗，陳劍楠.海因環氧樹脂/HHPA體系的制備與性能[J].材料工程，2012（3）：52-55.