極寒環(huán)境對硅橡膠及氟硅橡膠性能的影響研究

張文文，王勝輝，李炳康，馬康，張啟哲，律方成

（新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

0 引言

硅橡膠因具有優(yōu)異的電氣絕緣性、耐候性、耐電暈性能等，被廣泛用作電力系統(tǒng)絕緣材料[1]。應(yīng)用于我國航空航天領(lǐng)域的氟硅橡膠材料，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能優(yōu)異，逐漸被用作環(huán)境較惡劣地區(qū)的電氣絕緣材料[2]。近年來，隨著我國遠(yuǎn)距離跨區(qū)輸電工程的不斷發(fā)展，經(jīng)過氣候極寒地區(qū)的輸電線路不斷增加[3-4]，這些地區(qū)的冬季極端溫度可低至-59℃，并且低溫持續(xù)時間較長，因此，研究硅橡膠與氟硅橡膠材料在極寒溫度下的性能變化規(guī)律對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有積極意義。

目前，已有學(xué)者對硅橡膠和氟硅橡膠的性能展開研究。文獻(xiàn)[3]研究了氫氧化鋁含量不同的硅橡膠材料在+20～-60℃環(huán)境中，直流擊穿電壓隨溫度的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，硅橡膠材料的直流擊穿電壓呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[5]研究了氫氧化鋁含量不同的硅橡膠在0～-60℃低溫環(huán)境中的直流沿面閃絡(luò)特性,發(fā)現(xiàn)其沿面閃絡(luò)電壓隨著溫度的降低呈線性升高；文獻(xiàn)[6]研究了低溫下絕緣材料的沿面閃絡(luò)特性，分析得到了電極放電間隙距離不同時的閃絡(luò)特性規(guī)律；文獻(xiàn)[7]研究了-20～-60℃低溫環(huán)境對硅橡膠絕緣材料憎水性的影響，得出硅橡膠材料靜態(tài)接觸角隨低溫處理時間的延長呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[8]研究了-20～-80℃環(huán)境溫度下拉伸強度隨溫度的變化規(guī)律，得出在-20～-80℃內(nèi)，硅橡膠的拉伸強度隨溫度的降低逐漸增大的結(jié)論；文獻(xiàn)[9]研究了硅橡膠在0～-40℃低溫環(huán)境中的溫度頻率特性，發(fā)現(xiàn)干凍（時間最長為120 h）和覆冰后冰凍的樣品放置于常溫環(huán)境25～168 h后，其工頻介電參數(shù)仍大于未經(jīng)長時間低溫冷凍的樣品初始值。由上述對橡膠材料低溫性能的研究可知，低溫會對橡膠材料的性能產(chǎn)生一定的影響。

本研究通過人工模擬-50℃的極寒環(huán)境，將硅橡膠與氟硅橡膠材料在該極寒環(huán)境中冷凍150～1 050 h，測量擊穿電壓、最大拉力、拉伸強度、硬度及表面形貌隨冷凍時間的變化趨勢，根據(jù)試驗結(jié)果對兩種材料的電氣性能及力學(xué)性能進(jìn)行對比分析，研究兩種材料在極寒環(huán)境中的性能，以期為極寒地區(qū)電力系統(tǒng)絕緣材料的選擇提供一定的工程參考。

1 試驗

1.1 試樣

試樣采用經(jīng)高溫硫化工藝制成的硅橡膠及氟硅橡膠試片，符合DL/T 376—2010技術(shù)條件。根據(jù)各參數(shù)測量的國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)測試要求，將試片切割成3種規(guī)格：①60 mm×60 mm×2 mm的試樣，用于擊穿電壓及硬度的測試；②用1型裁刀將試片裁成啞鈴狀試樣，用于拉伸性能的測試；③6 mm×6 mm×2 mm的試樣，用于表面形貌的測試。

1.2 試驗裝置及測量儀器

低溫試驗箱由上海悅洽實驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)，型號為DW-50-80L，該試驗箱的溫度可調(diào)范圍是0～-50℃，溫控精度為±2℃，溫度顯示精度為0.1℃。該試驗箱可達(dá)到GB/T 2423.1—2001的低溫要求。

工頻交流耐壓試驗裝置由湖北儀天成電力設(shè)備有限公司生產(chǎn)，型號為YTC10/50J，額定電壓為AC 50 kV，額定容量為10 kVA，該試驗裝置可滿足絕緣材料在工頻高壓下的絕緣強度試驗。

萬能試驗機(jī)由上海拓豐儀器科技有限公司生產(chǎn)，型號為KY-DS5Y，該萬能試驗機(jī)的最大試驗力為5 000 N，橫梁位移測量精度分辨率高于0.002 5 mm，試驗速度范圍為1～500 mm/min，無級調(diào)速，速度控制精度優(yōu)于±1%。

邵氏硬度計由北京吉泰科技檢測設(shè)備有限公司生產(chǎn)，型號為LX-A，該硬度計的量程為100 HA，誤差為±1 HA，壓陣行程為2.5 mm，硬度計的測針為適用于測量橡膠、合成橡膠等低中硬度材料的A型平頭測針，針頭尺寸為Ф0.79 mm。

掃描電鏡由德國卡爾-蔡司公司生產(chǎn)，型號為G300，該掃描電鏡的最高放大倍數(shù)可達(dá)100萬倍。

1.3 試驗方法

1.3.1 試樣預(yù)處理

將硅橡膠與氟硅橡膠試樣分別分為8組，共計16組，每組中均有3種不同規(guī)格的試樣，各規(guī)格試樣均有10片。為保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗前用去離子水清洗試樣并用無水乙醇對其進(jìn)行擦拭，然后將試樣放入干燥箱，待其完全干燥后進(jìn)行試驗。

設(shè)置低溫試驗箱的溫度恒定為-50℃，預(yù)運行24 h確保試驗箱內(nèi)溫度達(dá)到要求后，將清潔的試樣放入低溫試驗箱進(jìn)行低溫冷凍，冷凍時間分別為0、150、300、450、600、750、900、1 050 h。冷凍結(jié)束后，將試樣取出并在25℃環(huán)境中靜置2 h，待試樣溫度恢復(fù)至室溫后，開始測試各參數(shù)，每個參數(shù)取5個有效試驗數(shù)據(jù)的平均值作為最終數(shù)據(jù)。

1.3.2 擊穿電壓測試

試驗電極選用棒板電極，將試樣放置在板電極上，調(diào)整棒電極的位置，使其尖端剛好接觸試樣上表面，保證棒電極尖端不會導(dǎo)致試樣變形，然后將棒電極上端固定。為防止棒電極沿試片表面與板電極發(fā)生沿面閃絡(luò)，需在容器中倒入硅油至液面剛好接觸試片側(cè)面，利用工頻交流耐壓試驗裝置快速均勻升壓直至試樣擊穿。因試樣被擊穿后，其絕緣性能不能自恢復(fù)，故試樣不重復(fù)利用。每個冷凍時間的一組試樣經(jīng)10次試驗后，剔除偏差較大的數(shù)據(jù)，取有效試驗數(shù)據(jù)的平均值作為最終試驗數(shù)據(jù)，以保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.3.3 拉伸性能測試

將試樣對稱地夾在拉力機(jī)的上、下夾持器上，以保證拉力均勻地分布在橫截面上。將夾持器的移動速度設(shè)置為500 mm/min，啟動試驗機(jī)并連續(xù)觀測試樣長度和力的變化，直至試樣被拉斷，如果試樣不是在狹窄處斷裂，則舍棄此次測量數(shù)據(jù)[10]。

1.3.4 硬度及表面形貌測試

將試樣放置在平整堅硬的平面上，將硬度計的壓針垂直壓入試樣并在1 s內(nèi)讀取數(shù)值[11]。

測試表面形貌前，對試樣進(jìn)行噴金處理，然后在真空中用掃描電鏡將試樣表面放大500倍，觀察試樣的表面形貌。

2 結(jié)果及分析

2.1 低溫冷凍對試樣擊穿電壓的影響

試樣的擊穿電壓隨低溫冷凍時間的變化曲線如圖1所示。

圖1 擊穿電壓隨低溫冷凍時間的變化Fig.1 Breakdown voltage changes with low temperature freezing time

由圖1可知，隨著低溫冷凍時間由0 h增加至300 h，硅橡膠與氟硅橡膠的擊穿電壓大幅提高，低溫冷凍時間大于300 h后，氟硅橡膠的擊穿電壓緩慢上升，硅橡膠的擊穿電壓基本不變。氟硅橡膠低溫冷凍1 050 h后的擊穿電壓比未經(jīng)過低溫冷凍的試樣提高了45%，且氟硅橡膠的擊穿電壓始終高于硅橡膠的擊穿電壓。

經(jīng)低溫冷凍后兩種橡膠材料的擊穿電壓均有所提高，其原因是低溫會使橡膠分子間的結(jié)晶度增加[8,12]，分子間的距離減小，導(dǎo)致電子自由程縮短，進(jìn)而減小了電子發(fā)生碰撞電離的概率。氟硅橡膠的擊穿電壓始終較高的主要原因是氟原子具有極強的電負(fù)性，它可以限制電子的離域能力，從而使含氟材料的電氣絕緣性能提高[13]。

2.2 低溫冷凍對試樣拉伸性能的影響

對兩種材料的啞鈴型試樣進(jìn)行拉伸測試，作出試樣被拉斷時的最大拉力如圖2所示。

圖2 試樣被拉斷時的最大拉力隨低溫冷凍時間的變化Fig.2 The change of maximum force when the sample is pulled off with low temperature freezing time

根據(jù)最大拉力計算拉伸強度[10]，如式（1）所示。

式（1）中：TS為拉伸強度，MPa；Fm為記錄的最大拉力，N；W為裁刀狹窄部分的寬度，mm；t為試驗長度部分的厚度，mm。本文啞鈴型試樣由1型裁刀切割而成，裁刀W為6 mm，試樣試驗長度部分的厚度為2 mm。

根據(jù)計算結(jié)果，繪制拉伸強度的變化曲線如圖3所示。由圖2～3可知，隨著低溫冷凍時間的延長，兩種試樣的最大拉力及拉伸強度均呈現(xiàn)增大的趨勢。氟硅橡膠的拉伸強度變化平穩(wěn)且數(shù)值高于硅橡膠，表明氟硅橡膠的抗拉伸性能更好。其原因是低溫冷凍后，分子運動能力下降，側(cè)基、鏈節(jié)等不易活動[14]，試樣體積收縮，分子之間的距離減小，從而使得分子間的作用力增大，故拉斷試樣時需要更大的力，拉伸強度明顯增加。

圖3 拉伸強度隨低溫冷凍時間的變化Fig.3 Tensile strength changes with low temperature freezing time

2.3 低溫冷凍對試樣硬度的影響

試樣硬度隨低溫冷凍時間的變化趨勢如圖4所示。由圖4可知，兩種橡膠材料的硬度幾乎沒有變化，表明低溫冷凍后試樣的硬度在室溫下可快速恢復(fù)。氟硅橡膠的硬度值始終低于硅橡膠的硬度值，說明氟硅橡膠的彈性更好。

圖4 硬度隨低溫冷凍時間的變化Fig.4 Hardness changes with low temperature freezing time

2.4 低溫冷凍對試樣表面形貌的影響

為了更好地了解低溫冷凍后試樣的表面狀態(tài)，通過掃描電鏡將低溫冷凍0、300、750、1 050 h的氟硅橡膠試樣表面放大500倍，SEM形貌如圖5所示。由圖5可知，低溫冷凍0 h的試樣表面完好，沒有缺陷；隨著冷凍時間的延長，分子收縮，導(dǎo)致試樣表面局部應(yīng)力增大，冷凍300 h的試樣表面出現(xiàn)了少量的淺裂紋；當(dāng)冷凍時間增加至750 h時，試樣表面裂紋增多，且出現(xiàn)了明顯的孔洞；當(dāng)冷凍時間達(dá)到1 050 h時，試片表面的裂紋長度及深度明顯增大。結(jié)果表明低溫冷凍會導(dǎo)致試樣表面出現(xiàn)裂紋及孔洞，但是由于擊穿電壓、拉伸強度均與低溫冷凍時間呈正相關(guān)關(guān)系，并且SEM探針的深度僅有幾十微米，故認(rèn)為試樣表面的裂紋及孔洞的深度極小，對試樣的電氣性能及力學(xué)性能影響較小。

圖5 表面形貌隨低溫冷凍時間的變化Fig.5 Surface morphology changes with low temperature freezing time

綜合分析上述試驗結(jié)果可知，在-50℃的極寒環(huán)境中，隨著冷凍時間的延長，硅橡膠與氟硅橡膠各項性能都有所提升，并且氟硅橡膠表現(xiàn)出的性能比硅橡膠更加穩(wěn)定。主要原因是硅橡膠側(cè)甲基中的C-H鍵鍵能小、易斷裂，而氟硅橡膠側(cè)鏈中的C-F鍵鍵能較大，穩(wěn)定性強[14-15]。因此，為保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，可以考慮將氟硅橡膠用于極寒地區(qū)的電氣絕緣材料。

3 結(jié)論

（1）低溫冷凍時間由0 h增加至300 h，硅橡膠與氟硅橡膠的擊穿電壓大幅提高，冷凍時間大于300 h時，氟硅橡膠的擊穿電壓緩慢上升，硅橡膠的擊穿電壓基本不變。氟硅橡膠冷凍1 050 h后的擊穿電壓比未經(jīng)過冷凍的試樣提高了45%，且氟硅橡膠的擊穿電壓始終高于硅橡膠的擊穿電壓。

（2）硅橡膠與氟硅橡膠的最大拉力及拉伸強度都隨冷凍時間的增加而增大。氟硅橡膠的拉伸強度變化平穩(wěn)且數(shù)值基本高于硅橡膠，表明氟硅橡膠具有更好的抗拉伸性能。

（3）硅橡膠及氟硅橡膠的硬度幾乎不隨冷凍時間變化，表明低溫冷凍后兩種橡膠材料的硬度在室溫下可快速恢復(fù)。氟硅橡膠的硬度值始終低于硅橡膠，說明氟硅橡膠的彈性更好。

（4）低溫冷凍300 h的試片表面存在少量的淺裂紋；當(dāng)冷凍時間增至750 h時，試片表面裂紋增多，且出現(xiàn)了明顯的孔洞；冷凍時間達(dá)到1 050 h時，試片表面的裂紋長度及深度明顯增大。