碳化硅/有機化蒙脫土/環氧樹脂微納米復合防電暈材料性能研究

黃 浩，胡春秀，2

（1.哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040；2.哈爾濱大電機研究所，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

高壓電機定子繞組端部用防電暈漆主要由碳化硅微粉、膠黏劑以及分散劑等組成。其中碳化硅為一種非線性半導體材料，有著電阻隨外施電場強度增加而下降的特性。碳化硅應用在電場分布不均勻的發電機定子繞組端部，在高電場作用下碳化硅涂層表面的電阻可以根據所承受電場強度的大小進行自動調節，使繞組端部表面電壓分布變得均勻，從而有效消除端部電暈。文獻[1-4]對碳化硅的非線性導電機理進行了詳盡的研究，但國內外對不同膠黏劑防電暈漆特性的研究卻很少，主要集中在單組份聚酯漆和環氧酯漆作為膠黏劑的復合材料防暈漆的特性研究[5-6]。

研究表明，環氧樹脂/蒙脫土納米復合材料的耐磨性、耐熱性、粘接強度以及沖擊強度比純環氧樹脂更加優異[7-10]。若以碳化硅微粉作為填料，環氧樹脂/蒙脫土納米復合材料作為膠黏劑制備防電暈材料，將會提高防電暈材料的附著性、耐熱性等性能，同時，納米粒子的加入將可能對復合材料的非線性特性產生一定的影響。本研究以環氧樹脂/蒙脫土納米復合材料作為膠黏劑，與碳化硅一起制備成一種新型微/納米復合防電暈材料，對其性能進行研究，并與純環氧樹脂作為膠黏劑制備的防電暈漆性能進行對比分析。

1 實驗

1.1 原材料

雙酚A型環氧樹脂（EP），無錫樹脂廠；低黏度聚酰胺樹脂固化劑，北京香山聯合助劑廠；600目和1 200目碳化硅（SiC），日本FUJIMI INCORPORAT‐ED公司；甲苯、丙酮、無水乙醇，哈爾濱試劑化工廠；硅烷偶聯劑A-1100，深圳市海城興業科技有限公司；過200目篩的有機化蒙脫土（OMMT），自制。

1.2 主要測試設備

掃描電子顯微鏡，FEI Sirion 200型，美國FEI電子光學公司；電子偏光顯微鏡，DM2500P型，德國徠卡公司；紫外成像儀，UVOLLE型，以色列OFIL公司；紅外熱像儀，Ti10型，FLUKE公司。

1.3 試樣制備

1.3.1 防電暈漆膠黏劑試樣的制備

用高速攪拌器將一定配比的甲苯、丙酮、無水乙醇和EP的混合溶液攪拌成透明狀液體，之后分成6等份，根據EP的質量比，按照0、2%、3%、4%、5%、6%的比例稱取OMMT，分多次加入到各EP與溶劑的混合溶液中，高速攪拌均勻后[11]，加入定量的固化劑，再次攪拌成沒有明顯絮狀的溶液，防電暈漆膠黏劑制備完成。

1.3.2 防電暈漆試樣的制備

按照EP的質量比，分別稱取一定質量的600目和1 200目SiC微粉，向SiC微粉中加入無水乙醇和丙酮的混合溶液進行浸潤處理。由于SiC粒子比表面積大，易吸附水分，在浸潤之前，SiC微粉需在120℃進行干燥處理5 h以去除粒子表面附著的水分。經過浸潤處理后的SiC粒子更易與EP膠黏劑融和在一起，不易產生團聚現象[12]。

將1.3.1中制備的膠黏劑試樣加入到經過浸潤處理后的SiC微粉中，在用攪拌器進行高速攪拌的同時，加入一定量的硅烷偶聯劑A-1100以降低SiC顆粒和EP分子之間的結合能，使SiC顆粒在膠黏劑試樣中分散更加均勻。待混合溶液攪拌均勻后，防電暈漆試樣制備完成。

使用毛刷將防電暈漆試樣均勻地涂刷在環氧玻璃布板上，為防止在防電暈漆固化過程中SiC粒子發生沉降，影響測試結果，涂刷時漆膜要盡可能薄，并且在第1遍固化后再涂刷第2遍[13]。最終漆膜厚度控制在0.10～0.20 mm。為消除環境因素的影響，涂刷試樣在室溫固化48 h后，在80℃的烘箱中保持5 h后再進行測試。

1.3.3 線棒試樣的制備

為驗證微納米復合防電暈材料的實際應用效果，按照1.3.1膠黏劑試樣的制備方法，制備出不同納米OMMT含量的膠黏劑。然后根據1.3.2防電暈漆的制備方法，分別選用600目和1 200目SiC，按照膠黏劑與SiC質量比為1∶1.8的比例，分別配制了OMMT含量為0、3%、5%的防電暈漆復合材料試樣，并將試樣在實驗線棒上進行應用。

實驗線棒采用鋁導體，導體尺寸為13 mm×51 mm，導體圓角半徑為2 mm，線棒主絕緣長度為1 200 mm，厚度為3.5 mm。線棒中部涂刷長度為400 mm的低電阻漆作為測量電極，兩側分別涂刷作為中阻漆的以600目SiC為填料的復合材料和作為高阻漆的以1 200目SiC為填料的復合材料[6]，涂刷長度分別為150 mm和180 mm。涂刷時，為保證3段防暈漆交接部分過渡良好，中阻漆和高阻漆都分別向前搭接20 mm，即中阻部分與低阻部分、高阻部分與中阻部分分別重合20 mm。為保證涂刷效果，每種防電暈漆都涂刷兩遍。

1.4 測試方法

防電暈漆試樣表面電阻率和非線性特性的測試采用兩電極系統。在固化后的試樣表面貼覆鋁箔作為電極。電極長度為40 mm，寬度為10 mm，間距為10 mm。由于電極和試樣的接觸狀態對測試結果有極大的影響，為使測試結果準確，每次測試時在電極上均施加2 kg重物使電極與試樣表面充分接觸[14]。測量線路圖如圖1所示，其中A是數字檢流計，B是高壓變壓器，Z是整流計，C是濾波電容器，R0是保護電阻，D是電阻分壓器，V是靜電電壓表，RX是試樣，F是分流計。

圖1 非線性特性參量測量線路圖Fig.1 Nonlinear characteristic measurement circuit

2 實驗結果與分析

2.1 EP與EP/OMMT納米復合材料的結構表征

為研究純EP和EP/OMMT納米復合材料的微觀結構，對兩種膠黏劑在掃描電子顯微鏡（SEM）下進行了觀測，結果如圖2所示。在SEM測試前，用氫氟酸腐蝕材料試樣斷面后表面濺射鍍碳，再進行測試。從圖2可以看出，OMMT以片層結構的形態均勻地分散在EP基體中形成納米復合材料。

圖2 膠黏劑斷面SEM圖Fig.2 SEM images of the fracture surface of adhesive

2.2 防電暈漆的結構表征

使用高倍偏光顯微鏡（PLM）對防電暈漆試樣的表面狀態進行了觀測，結果如圖3所示。從圖3可以看出，純EP作為膠黏劑的防電暈漆和EP/OM‐MT納米復合材料作為膠黏劑的防電暈漆表面都十分平整，SiC粒子在兩種膠黏劑中分散比較均勻。

圖3 防電暈漆表面PLM微觀圖像Fig.3 PLM imges of the anti-corona varnish surface

2.3 SiC及OMMT含量對防電暈漆性能的影響

2.3.1 防電暈漆初始表面電阻率

分別以600目SiC和1 200目SiC作為填料，不同OMMT含量膠黏劑的防電暈漆表面電阻率隨SiC含量的變化關系如圖4所示。從圖4可以看出，所有材料的初始表面電阻率ρ0隨著SiC含量的增加均呈現下降趨勢，隨著SiC占比的不斷增加，下降趨勢逐漸趨于平緩，當SiC與膠黏劑的質量比超過3.0時，ρ0幾乎不再變化。測試結果中，600目SiC防電暈漆初始表面電阻率低于1 200目SiC防電暈漆，膠黏劑中OMMT的含量變化對防電暈漆的初始表面電阻率ρ0影響不大。

這主要是因為防電暈漆復合材料的主要成分為膠黏劑和SiC，膠黏劑是絕緣材料，體積電阻率很高，約為1014Ω·cm，SiC是非線性半導體材料，體積電阻率約為107Ω·cm，膠黏劑的體積電阻率要遠高于SiC材料。隨著SiC含量增加，防電暈漆中的SiC顆粒占比增加，膠黏劑占比降低，材料的表面電阻率下降。但當SiC含量達到一定范圍時，膠黏劑的特性不再對復合材料產生大的影響，復合材料表現出的特性更接近于SiC粒子的本征性能，隨著SiC含量的增加，不再對復合材料的初始表面電阻率ρ0產生大的影響，所以當SiC含量達到一定范圍后，ρ0不再隨著SiC含量的增加產生變化[9-10]。

研究結果表明，對于SiC粒子來講，其外表面有一層SiO2薄膜[15]，隨著SiC粒子表面SiO2含量的變化，表現出的非線性系數和電阻率有很大不同[12]。根據SiC導電機理的表面氧化理論，SiC顆粒本身的體積電阻率遠小于其表面SiO2薄膜的體積電阻率，所以當有外施電壓時，電壓主要作用在SiO2薄膜上，SiC顆粒越小，單位長度上的SiO2薄膜厚度越厚，電阻率就越高[16]，因此600目SiC防電暈漆的表面電阻率低于1 200目SiC防電暈漆。

ρ0作為反映低電壓下防電暈材料本征特性的主要參數，沒有隨著OMMT含量的增加而產生明顯變化，其原因主要是：一定含量范圍的OMMT的加入沒有改變材料的導電性能，材料的導電通路仍以SiC顆粒本身以及顆粒間SiO2薄膜接觸電阻為主，與純EP作為膠黏劑的材料并無太大差異。

2.3.2 防電暈漆非線性系數

不同OMMT含量的防電暈漆非線性系數β隨600目SiC和1 200目SiC含量的變化如圖5所示。

圖5 不同OMMT含量復合材料非線性系數隨SiC含量的變化Fig.5 Variation of nonlinear coefficient with SiC content for composites with OMMT content

從圖5可以看出，隨著SiC含量的增加，所有材料的非線性系數β均不同程度增加；同時，材料的非線性系數β隨著OMMT含量的增加均出現升高趨勢。填料為600目SiC的防電暈漆試樣非線性系數β高于填料為1 200目的SiC防電暈漆試樣。

對于SiC材料，決定其非線性特性的最主要因素在于SiC顆粒間的接觸性。根據SiC導電機理的表面氧化理論，在電場作用下，絕大部分電壓都作用在SiC粒子外面的SiO2薄膜上，粒子越大，SiO2薄膜上的電壓降越大。隨著外施電壓的增加，SiO2薄膜所承受的場強增加，載流子穿過SiO2薄膜的遂道效應、載流子的場發射效應和絕緣層內部中心碰撞電離效應增強，載流子數目增加[2]，非線性特性增強。因此填料為600目SiC的防電暈漆試樣非線性系數β高于填料為1 200目的SiC防電暈漆試樣。隨著SiC含量的增加，復合材料的非線性系數升高，主要是因為隨著復合材料中SiC含量的增加，SiC顆粒間的膠黏劑厚度減小，對復合材料的非線性導電特性影響降低，SiC顆粒對材料的非線性導電特性作用增強，復合材料的非線性導電特性更加接近于SiC本身的非線性導電特性。

OMMT在復合材料中一方面起到防沉劑的作用，防止SiC顆粒的沉降，改善SiC顆粒的分散性，使SiC顆粒在膠黏劑中分散更加均勻；另一方面，納米級的OMMT均勻分散在復合材料中，作為分散介質，可以有效地改善SiC顆粒間的接觸性，因此，隨著OMMT含量的增加，材料的非線性系數提高。

2.4 實驗線棒防電暈性能的研究

按照1.3.3中的方法，共制備了3根試樣線棒，其中1#線棒試樣端部防電暈漆膠黏劑為純EP，2#線棒試樣端部防電暈漆膠黏劑中OMMT含量為3%，3#線棒試樣端部防電暈漆膠黏劑中OMMT含量為5%。

對3根實驗線棒分別施加45 kV的交流電壓，在施加電壓1 min后使用紅外熱像儀和紫外成像儀測試線棒端部防暈區域表面溫度及放電光子數。線棒防暈區域表面溫度測試結果如圖6所示，放電光子數如圖7所示。

從圖6和圖7可以看出，3個試樣在施加45 kV電壓1 min后防暈區表面最高溫度分別為79.1、68.9、67.9℃，放電光子數分別為 32 760、2 440、1 080，防暈區表面溫度和放電光子數都隨著膠黏劑中OMMT含量的增加逐漸降低。這主要是由于OMMT含量的增加，提高了材料的非線性特性[8]，改善了電暈放電現象，提高了起暈電壓水平。因此，當OMMT含量在5%以下時，隨著OMMT含量的增加，SiC復合材料的防電暈效果提高。同時，由于納米粒子的存在增加了復合材料的熱輻射率，在一定范圍內，隨著OMMT含量的增加，防暈層表面溫度降低。

圖6 施加45 kV交流電壓1 min后線棒防暈區表面溫度分布圖Fig.6 Infrared temperature of anti-corona region surface for test bars under 45 kVAC after 1 min

圖7 施加45 kV交流電壓1 min后線棒防暈區放電光子數Fig.7 Number of discharge photons of the anti-corona region surface for test bars under 45 kVAC after 1 min

3 結論

（1）當OMMT含量≤5%時，OMMT的加入有效提高了SiC防電暈材料的非線性特性。

（2）將EP/OMMT/SiC微納米復合防電暈漆應用在實驗線棒端部，當OMMT含量≤5%時，隨著其含量的增加，線棒防暈區表面溫度降低，線棒起暈電壓水平提高。