牽引電機用國產與進口間位芳綸紙的性能對比研究

秦盼亮 ，吉永紅 ，劉 嬿 ，宋瑋倩 ，任靖屹 ，劉冠芳

（1.中車永濟電機有限公司，山西 永濟 044502；2.軌道交通牽引電機山西省重點實驗室，山西 永濟 044502）

0 引言

芳綸纖維（aramid fiber）作為一種高性能化學纖維，最早由美國杜邦公司于20世紀60年代開發，廣泛用于軌道交通、國防科技及民生等領域[1]。芳綸纖維分為對位芳綸纖維和間位芳綸纖維兩種。對位芳綸纖維因質輕以及具備優良的力學性能，可作為纖維增強復合材料用于復合裝甲、軍用防彈衣、防割手套等領域[2-3]；間位芳綸纖維則憑借其優異的電絕緣性能作為絕緣材料廣泛應用于電氣絕緣領域[4-5]。

間位芳綸纖維由間苯二甲酰氯與間苯二胺縮合，經強酸溶解生成紡絲溶液、再經紡絲、拉伸水洗等工藝制得[6]。間位芳綸纖維分子鏈中存在鍵能較強的酰胺鍵，使其相對其他絕緣材料具有良好的力學性能，例如拉伸強度和耐磨性能[7-8]。采用間位芳綸纖維通過濕法造紙的方法可抄造成間位芳綸紙，間位芳綸紙具有良好的尺寸穩定性、阻燃性、熱穩定性以及強韌的力學性能，可用于變壓器的主絕緣、電機定轉子槽體絕緣、槽口絕緣及槽內各類墊條等[9]。

一直以來，軌道交通車輛電機用間位芳綸紙大部分由美國杜邦公司提供，因而，間位芳綸紙的國產化引起了許多國內學者的重視[10-11]。隨著中美貿易戰的擴大化及受到全球新冠肺炎疫情的影響，采購國外原材料的經濟成本和時間成本上升，給國內相關企業的生產發展帶來巨大壓力，亟需進行間位芳綸紙及相關材料的國產化替代。本研究通過對國產間位芳綸紙與進口間位芳綸紙進行性能對比以及定子模型驗證，尋找能夠替代進口間位芳綸紙的國產間位芳綸紙。

1 試驗

1.1 主要原材料

進口間位芳綸紙，厚度為0.13 mm，美國杜邦公司；國產A紙，厚度為0.13 mm，A公司；國產B紙，厚度為0.13 mm，B公司；有機硅浸漬樹脂，德國瓦克化學有限公司。

1.2 試驗方法

間位芳綸紙的拉伸強度、斷裂伸長率及邊緣抗撕裂依據GB/T 5591.2—2002進行測試；間位芳綸紙的介電強度依據GB/T 1408.1—2016進行測試，上、下電極直徑分別為（25.0±0.1）mm、（75.0±0.1）mm；線圈的介質損耗及電容依據GB/T 34665—2017進行測試；線圈的絕緣電阻依據GB/T 20160—2006進行測試。

參照GB/T 17948.3—2006[12]中規定的試樣制作要求，設計并制作了3組試驗用定子局部模型，模擬繞組帶鐵心結構，并進行相應的絕緣處理，如圖1所示，每個定子局部模型有5支可供測試的線圈，對其進行電阻、電容及5 kV下1 min的耐壓測試。絕緣結構的參數見表1，其中定子模型1、2、3分別使用進口紙、A紙、B紙。

表1 絕緣結構的技術參數Tab.1 Parameters of insulation structure

圖1 定子局部模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of stator partial model

采用掃描電子顯微鏡（VEGA 3 SBH型，捷克TESCAN公司）觀察間位芳綸紙的微觀結構；采用傅里葉紅外光譜儀（VERTEX 70型，德國BRUKER公司）分析間位芳綸紙的化學結構；采用烘箱（101C-1型，上海實驗儀器廠）對間位芳綸紙進行浸漆固化，采用電腦伺服控制材料試驗機（HT-2102AP型，弘達儀器股份有限公司）對間位芳綸紙的拉伸強度、斷裂伸長率以及邊緣抗撕裂進行實驗測試；采用工頻對地耐壓試驗儀（PVT-10型，上海海鷹機電檢測設備廠）對間位芳綸紙進行介電強度測試；采用介質損耗測定儀（2816型，瑞士TETTEX公司）測試線圈的介質損耗和電容，采用絕緣電阻測試儀（1550B型，美國FLUKER公司）測試線圈的絕緣電阻。

2 結果與討論

2.1 微觀結構

圖2是3種芳綸紙的SEM圖，芳綸紙由間位芳綸短切纖維和間位芳綸沉析纖維組成，短切纖維充當“鋼筋”的作用，承擔大部分拉伸應力，沉析纖維則充當“混凝土”的作用，將所有短切纖維粘合成一個整體，起到應力傳遞的作用[13]。從圖2可以看出，A紙短切纖維和沉析纖維之間存在許多縫隙，紙張結構疏松，而進口紙與B紙短切纖維與沉析纖維結合緊密，紙張表面縫隙較少，紙張結構致密。

圖2 間位芳綸纖維紙的SEM圖Fig.2 SEM imags of meta-aramid paper

2.2 紅外光譜圖

圖3是3種間位芳綸紙的紅外光譜圖，從圖3可以發現，3種間位芳綸紙的紅外光譜圖保持一致，其中，在3 304 cm-1處出現的吸收峰屬于仲酰胺基中N-H的伸縮振動，1 650 cm-1處出現的吸收峰屬于仲酰胺基中C=O的伸縮振動，1 474 cm-1處出現的3個吸收峰屬于苯環的骨架振動，1 232 cm-1處出現的吸收峰屬于C-N的伸縮振動，出現在677 cm-1處的3組吸收峰則屬于苯環被間位取代的表現[14]。

圖3 間位芳綸紙的紅外光譜圖Fig.3 FTIR spectra of meta-aramid paper

2.3 拉伸強度與斷裂伸長率

3種間位芳綸紙的拉伸強度和斷裂伸長率測試結果如圖4所示。

圖4 間位芳綸紙的拉伸強度及斷裂伸長率Fig.4 Tensile strength and elongation at break of meta-aramid paper

從圖4可以看出，A紙橫/縱向的拉伸強度為55.33/115.26（N/10mm），低于B紙與進口紙的67.38/135.87（N/10 mm）與 73.20/132.60（N/10 mm），但仍然高于GB/T 20629.3—2019要求的50.00/95.00（N/10 mm）；A紙、B紙和進口紙的橫/縱向斷裂伸長率都穩定地維持在17%～19%，遠高于GB/T 20629.3—2019要求的6.0%/7.0%。A紙拉伸強度低于B紙與進口紙的原因是其紙張結構疏松多孔，芳綸短切纖維和沉析纖維之間的氫鍵結合不足。

2.4 邊緣抗撕裂

圖5是3種間位芳綸紙的邊緣抗撕裂測試結果，從圖5可以看出，A紙和B紙橫/縱向邊緣抗撕裂分別為128.17/241.53 N和141.00/248.72 N，總體高于進口紙的105.17/228.26 N；重要的是，A紙的邊緣抗撕裂較B紙和進口紙穩定，在纖維本體強度一定的條件下，邊緣抗撕裂的穩定性取決于纖維橫縱向排布的穩定性。在嵌線時，使紙張的縱向與線圈嵌線方向保持一致，可以避免因線圈與槽體的相對運動而導致紙張破裂的情況，同時也可以延緩電機運行時絕緣結構機械損傷的過程。

圖5 間位芳綸紙的邊緣抗撕裂Fig.5 Edge tear resistance of meta-aramid paper

2.5 介電強度

圖6是3種間位芳綸紙浸漆前后的照片，圖7是其擊穿電壓及掛漆量。

圖6 間位芳綸紙浸漆前后的照片Fig.6 Photos of meta-aramid paper before and after impregnation

圖7 間位芳綸紙浸漆前后的擊穿電壓及掛漆量Fig.7 Breakdown strength and amount of covering varnish of meta-aramid paper before and after impregnating

從圖6可以發現，浸漬前B紙在外觀上與進口紙非常相似，呈亮白色，而A紙呈米黃色，B紙和進口紙呈亮白色的原因是纖維生產中鹽分沒有被完全排出[6]。浸漆后，紙張表面形成一層薄薄的漆膜，其中，B紙和進口紙的漆膜厚度為10～15 μm，而A紙的漆膜厚度可達20～25 μm，這主要是因為A紙表面較為粗糙，有利于絕緣漆的附著。圖7顯示，浸漆前A紙的擊穿電壓為2.56 kV，略低于B紙和進口紙的2.80 kV和2.72 kV，但仍高于GB/T 20629.3—2019要求的1.95 kV；浸漆后，A紙的擊穿電壓大幅提高至5.76 kV，高于B紙和進口紙的4.64 kV和4.82 kV；同時A紙的掛漆量為32.825 g/m2，高于B紙和進口紙的23.050 g/m2和23.630 g/m2。A紙結構較為疏松，紙張內部氣孔多，致使其浸漆前擊穿電壓低于B紙和進口紙，然而，紙張結構疏松有利于絕緣漆進入紙張內部并填充紙張內部空隙，因此A紙浸漆后的擊穿電壓高于其他兩種間位芳綸紙。

2.6 定子模型的電性能

圖8是定子模型的介質損耗因數測試結果，表2是定子模型的電阻、電容及耐壓測試結果。

圖8 定子模型的介質損耗因數Fig.8 Dielectric loss of stator model

從圖8可以看出，在電壓為3 kV以下，隨電壓升高，3個定子模型所有線圈的介質損耗因數沒有出現明顯的增大，達到了增幅≤1.5%的指標要求，表明3種間位芳綸紙均與絕緣漆有很好的相容性；從表2可以看出，3個定子模型的電阻和電容均表現相當，分別達到了≥100 MΩ和≥300 pF的性能要求，15支線圈均通過了5 kV下1 min的耐壓測試，說明3種紙制作的槽絕緣及墊條均符合定子模型的電性能要求。

表2 定子模型的電阻、耐壓及電容Tab.2 Resistance,withstand voltage,and capacitance of stator models

3 結論

（1）從SEM結果來看，A紙結構較為疏松，B紙和進口紙比較致密，從FTIR結果來看，3種紙的化學結構一致，均出現了間位芳綸的特征吸收峰。

（2）兩種國產芳綸紙與進口芳綸紙的拉伸強度和斷裂伸長率性均達到了國標規定的性能指標。

（3）在邊緣抗撕裂方面，A紙和B紙的強度比進口紙略高，但A紙表現更為穩定。

（4）浸漆前，A紙的擊穿電壓略低于進口紙和B紙；浸漆后，A紙的擊穿電壓高于進口紙和B紙，主要原因是A紙紙張結構疏松，有利于絕緣漆進入填充紙張內部空隙。

（5）以A紙和B紙作為槽絕緣和墊條制作的定子局部模型，各項電性能指標均與進口紙相當，表明兩種國產間位芳綸紙可以代替進口間位芳綸紙作為槽絕緣和墊條使用。