高速動車組牽引電機匝間絕緣的納米氧化鋁制備及性能分析

馬千柱 李廣 李世杰

摘 要：針對傳統高速動車組牽引電機采用單層聚酰亞胺（PI）薄膜作為主要絕緣材料存在的老化問題，采用原位聚合法對納米氧化鋁進行制備。制備過程中將PI作為基體，納米氧化鋁粒子作為無機填料，形成純PI薄膜以及納米氧化鋁復合薄膜。為驗證該材料的老化性能，利用電暈老化試驗系統對納米氧化鋁復合薄膜的老化性能進行測試。測試結果表明：該復合材料的兩相性質可直接影響復合薄膜的介電常數，納米氧化鋁可有效防止電暈對PI基體的侵蝕現象，有利于提升復合薄膜的耐電蝕性。

關鍵詞：納米氧化鋁;純PI膜;復合薄膜;老化試驗

中圖分類號：TG174.4 文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）02-0049-04

隨著我國電力技術以及高速鐵路的不斷發展，使脈寬調制技術被廣泛應用于高速動車組的牽引電機中。在高速動車的支持下，對于人們的日常出行具有較強的便利性;但是在高頻率脈沖電壓的輸送下，可為牽引電機帶來電暈放電及空間負荷，易引起牽引電機匝間的絕緣材料出現老化現象。傳統牽引電機主要采用單層的聚酰亞胺薄膜作為主要絕緣材料，該材料的絕緣性能無法滿足變頻電機的絕緣要求，為此本研究制備出一種納米氧化鋁復合薄膜，將該材料作為高速動車組牽引電機匝間的絕緣材料，有利于防止電暈對聚酰亞胺（PI）基體的侵蝕現象。

1 高速動車組牽引電機匝間絕緣的納米氧化鋁的制備

1.1 實驗原料

本研究采用原位聚合法對納米氧化鋁進行制備。在納米氧化鋁制備過程中，將PI作為聚合物基體材料。由于納米氧化鋁在含量不同的情況下可制備出多種復合薄膜，為此制備出納米氧化鋁的單層復合薄膜。該實驗的主要原材料為：均苯四甲酸二酐（PMDA）、4，4’-二氨基二苯醚（ODA）、N，N-二甲基乙酰胺（DMAc）以及氣相氧化鋁，其分子式分別為C10H2O6、C12H8N2O、C4H9NO、Al2O3。為保證實驗的精準度，將前3種實驗的原材料的規格定為化學純;氧化鋁的規格為粒徑13 nm。

在實驗開始之前，首先應利用預處理的方式對聚合物單體PMDA和ODA進行研磨細化及烘干去潮。由于ODA材料在實驗過程中具有較強的吸潮能力，為保證實驗材料的干燥性，將ODA置于110 ℃環境下的電熱鼓風干燥箱內部進行干燥處理，處理時間為2～3 h;PMDA置于140 ℃環境下的電熱鼓風干燥箱內部干燥處理4～5 h[1]。

1.2 實驗主要儀器與設備

納米氧化鋁復合薄膜制備的主要儀器與設備如表1所示。

BS自動涂膜機AFA-Ⅱ自制鋪膜刀具—精密電子天平JA303真空干燥箱DZF-6050增力電動攪拌器JJ-1高功率數控超聲波清洗器KQ-800KDB 除上述儀器外，該實驗還準備了燒杯、玻璃攪拌棒等多種實驗室常用品。

1.3 純PI膜及納米氧化鋁單層復合薄膜的制備

本研究主要對純PI膜進行制備，并使用不同質量分數的納米氧化鋁完成對單層復合薄膜的制備，將該復合薄膜的厚度控制在（30±2） μm，其中納米氧化鋁的質量分數分別為4%、8%、12%、16%、20%、28%。

該實驗的核心是利用二步法合成聚酰亞胺，聚酰亞胺合成流程：首先將聚合物單體二胺及二酐置于極性溶劑中，通過聚合反應使其形成高分子量的丙烯酸樹脂乳液（PAA），并對生成的PAA溶液進行脫水閉環反應，在熱亞胺化反應中即可合成聚酰亞胺，其反應式如下[2]。

1.3.1 純PI膜的制備

純PI膜的制備工藝流程為5個步驟：

（1）首先將實驗環境準備為冰水浴，在該條件下將ODA材料置于三口瓶內部。其中ODA材料的質量為3.14 g，并按照固體質量分數的10%對DMAc材料進行計算，向三口瓶內部放入適量的DMAc材料，等待二者充分溶解后，利用天平秤對PMDA材料進行稱取，該材料的質量應與ODA形成等摩爾比關系。PMDA材料稱取完畢后，將該材料分批多次的加入至三口瓶內部，加料時間持續1 h，直至三口瓶內部出現“爬桿”現象后停止材料加入。為保證ODA材料與PMDA材料可充分聚合，將出現“爬桿”現象的材料仍置于冰水浴中完成攪拌，持續時間為12 h，即可獲取高分子量的純PAA膠液[3];

（2）高分子量的純PAA膠液內部仍存在少量雜質及氣泡，為保證PI膜的純凈性，對PAA膠液進行雜質及氣泡的去除;

（3）完成鋪膜操作之前，應選取潔凈且沒有劃痕的玻璃板，將去除雜質及氣泡的PAA膠液放置于準備好的玻璃板上，該過程中應注意傾倒的速度，防止膠液在傾倒過程中出現氣泡。膠液傾倒完畢后，利用鋪膜刀具及旋涂膜機將膠液按照需要的厚度均勻的鋪在玻璃板上，為有效避免PI膜出現灰塵及氣泡，需要操作者對PAA膠液緩慢且勻速的鋪膜;

（4）將鋪膜完畢的PAA膠液連同玻璃板一同放入電熱鼓風干燥箱內部，完成PAA膠液的脫水環化處理。當PAA膠液的溫度升至350 ℃，即可實現材料的熱亞胺化[4];

（5）等待電熱鼓風干燥箱完成溫度提升，直至干燥箱內部溫度達到設定的350 ℃后，使干燥箱內部溫度維持在350 ℃，持續時間為1 h;1 h后關閉鼓風干燥箱，待該干燥箱恢復至室溫后，將玻璃板取出完成脫膜處理，即可得到純PI薄膜。

1.3.2 納米氧化鋁單層復合薄膜的制備

本研究對納米氧化鋁單層復合薄膜進行制備時，主要采用原位聚合法，該薄膜的制備工藝流程：

（1）根據實驗所需質量對納米氧化鋁顆粒進行稱取，并將稱取完畢的納米氧化鋁顆粒置于三口瓶內部，向其中加入一定量的DMAc材料，該材料的量可按照固體實際質量分數的10%進行計算。材料準備完畢后，將材料連同三口瓶一起放入超聲清洗器中，利用超聲對材料進行攪拌及分散，持續時間為30 min[5];

（2）超聲攪拌分散完畢后，將該材料置于冰水浴的條件下，在三口瓶內部放置3.14 g的ODA，利用攪拌的方式使材料充分溶解，利用天平秤對PMDA材料進行稱取，該材料的質量應與ODA形成等摩爾比關系。PMDA材料稱取完畢后，將該材料分批多次的加入至三口瓶內部，直至三口瓶內部出現“爬桿”現象后停止材料加入。為保證ODA材料與PMDA材料可充分聚合，將出現“爬桿”現象的材料仍置于冰水浴中完成攪拌，持續時間為12 h，即可獲取PAA/Al2O3膠液[6];

（3）為保證納米氧化鋁單層復合薄膜的純凈性，對PAA/Al2O3膠液進行雜質及氣泡的去除;

（4）完成鋪膜操作之前，應選取潔凈且沒有劃痕的玻璃板，將該PAA膠液放置于準備好的玻璃板上，該過程中應注意傾倒的速度，防止膠液在傾倒過程中出現氣泡。利用鋪膜刀具及旋涂膜機將膠液按照需要的厚度均勻且勻速的鋪在玻璃板上[7];

（5）將其放入電熱鼓風干燥箱內部，完成PAA膠液的脫水環化處理。當PAA膠液的溫度升至350 ℃，即可實現材料的熱亞胺化;

（6）等待電熱鼓風干燥箱完成溫度提升，直至干燥箱內部溫度達到設定的350 ℃后，維持干燥箱處于恒溫350 ℃狀態，且在時間1 h后關閉鼓風干燥箱;待該干燥箱恢復至室溫后，將玻璃板取出完成脫膜處理，即可得到納米氧化鋁單層復合薄膜。

為保證不同質量分數納米氧化鋁下的單層復合薄膜具有較均勻的厚度，在鋪膜過程中應不斷對膜的厚度進行調控。

2 高速動車組牽引電機匝間絕緣的納米氧化鋁性能測試及結果

2.1 復合薄膜電暈老化試驗系統

本研究通過建立電暈老化試驗系統的方式對復合薄膜的性能進行試驗。為精準獲取試驗過程中系統局部放電參數，該系統將方波占空比設置為0.5，并利用保護電阻將系統電源與試驗電極、薄膜試樣之間建立連接。采用高頻鐵氧體及繞制線圈作為該系統的傳感器，使傳感器套在電源負端的連接線上;當試樣處于局部放電狀態時，產生的電流可通過連接線使傳感器產生的感應磁通將放電信號耦合至繞制線圈。為保證數據的精準提取，采用雙通道的方式對數據進行采集，并將采集的數據傳輸至計算機內部數據庫[8]。

2.2 介電常數測試

對復合薄膜的介電常數進行測試時，主要利用LCR測試儀對試驗樣本進行介電常數計算，在納米氧化鋁粒子質量分數不同的情況下，相對介電頻譜如圖1所示。

由圖1中的變化曲線可知，納米氧化鋁質量分數的提升在一定程度上可提高復合薄膜的介電常數;復合薄膜的介電常數與監測頻率之間存在反比例關系，隨著介電常數的不斷增加，可使監測頻率處于減小狀態。普通納米粒子加入PI基體中，對于復合薄膜的介電常數具有降低作用，產生該現象的主要原因：PI基體進入復合薄膜內部時，PI分子可與納米分子之間相互吸引，最終纏結在納米粒子周圍，可減弱PI基體的轉向能力，從而降低復合薄膜的介電常數[9]。

將試驗樣本置于不同溫度狀態下的烘箱內部，并將測試頻率設定為100 Hz。該條件下復合薄膜的介電常數與納米氧化鋁粒子含量成正比關系變化，當納米氧化鋁粒子含量處于上升狀態時，相對介電常數出現明顯上升現象，產生該現象的主要原因為：納米粒子的纏結作用。但是相對介電常數與溫度之間沒有明顯的關聯，溫度在100 ℃以下時，相對介電常數處于減少狀態;溫度在200～225 ℃時，相對介電常數處于升高狀態。引起相對介電常數出現變化的原因是分子熱運動與介質松弛極化作用之間出現不同程度的變化。

2.3 掃描電子顯微鏡分析

通過對試驗樣本的老化性能進行分析可知，擊穿點發生在系統電暈放電較強的電極邊緣。在該條件下可使試驗樣本的表面出現侵蝕現象。為此本研究采用JSM-6390型電子顯微鏡（SEM）觀察純PI薄膜和復合薄膜出現老化時材料前后表面的微觀形貌，其中復合薄膜中納米氧化鋁粒子的質量分數為4%。經過一系列觀察發現，純PI薄膜表面產生大分子鏈裂以及有機物碳化現象，被侵蝕的程度比復合薄膜嚴重。該現象產生的主要原因為：納米氧化鋁粒子屬于一種無機粒子，具有加強的耐電暈能力，當系統對試驗樣本進行電暈放電時，該粒子可有效阻止電暈放電對PI基體的進一步侵蝕，并提升樣本表面的電荷遷移率[10]。

從微觀結構角度對復合薄膜進行分析可知，納米氧化鋁粒子可與PI基體形成成鍵層、晶體層以及疏松層結構。其中成鍵層位于整體結構的最里層，由于成鍵層內部包含大量離子鍵及氫鍵，使成鍵層的鍵能與其他兩層相對而言較大。系統對復合薄膜進行電暈放電時，試樣表面一部分電荷會發生遷移現象; 另一部分未發生遷移的電荷均注入至復合薄膜基體中。當未發生遷移的電荷遇到納米復合結構，立即對可復合結構中的大分子鏈進行撞擊。撞擊的能量最終被復合材料的最外兩層吸收，最內層的破壞程度較小。但是復合材料內部包含導電通道，有利于防止復合薄膜出現被破壞的現象。

3 結語

本研究為驗證納米氧化鋁復合薄膜的主要性能，將PI作為基體、納米氧化鋁粒子作為無機填料，制備出純PI薄膜以及納米氧化鋁復合薄膜。納米氧化鋁復合薄膜制備過程中主要采用原位聚合法進行實現，并利用二步法合成聚酰亞胺。通過電暈老化試驗系統對納米氧化鋁復合薄膜的老化性能進行測試，測試結果表明：該復合材料的兩相性質可直接影響復合薄膜的介電常數，并且納米氧化鋁可有效防止電暈對PI基體的侵蝕現象，有利于提升復合薄膜的耐電蝕性。

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