侯 東，聶京凱，崔建業，樊 超，韓 鈺，王 斌

（1.全球能源互聯網研究院有限公司，北京 102209；2.國網浙江省電力有限公司 金華供電公司，浙江 金華 321001）

特高壓輸電線路具有輸送容量大、距離長、效率高、損耗低等優勢，實現了我國電力能源大范圍的優化配置[1-2]。但近年來特高壓輸電技術在取得重大突破的同時變電設備噪聲問題日漸嚴重，環保壓力不可忽視。濾波電容器是換流站的主要噪聲源之一[3-4]，其噪聲主要由濾波電容器內部元件在介質電極間電場力作用下引起的振動產生，濾波器電場噪聲聲壓級可達105 dB（A）。由于濾波電容器數量多、裝置尺寸大，其降噪治理難度相對較大。解決濾波電容器的噪聲問題是換流站降噪的重點研究方向，目前主要采用隔聲罩、阻尼減振器、阻尼隔聲墊等方式進行降噪[5-11]。

橡膠材料具有特殊的粘彈性以及良好的阻尼降噪特性，可解決輸變電設備的本體噪聲問題，而電容器芯子處于絕緣液體芐基甲苯之中，因此橡膠材料不但要具有良好的阻尼性能，而且應具有良好的耐液體介質浸漬特性。氟橡膠（FKM）是側鏈上連有氟原子的高分子材料，具有高C-F鍵鍵能，因其耐化學介質和熱穩定性優異而被廣泛應用[12-15]，但FKM強度低、剛度可控性較差，在電力設備減振降噪中應用較少。碳化硅（SiC）具有優異的機械穩定性和化學穩定性，作為增強填料可提升橡膠材料的強度及熱穩定性[16]。本工作研究SiC用量對FKM膠料的物理性能、阻尼性能、熱穩定性及耐液體介質性能等的影響，為SiC/FKM復合材料在電容器減振降噪中的應用提供數據支持。

1 實驗

1.1 主要原材料

FKM，牌號MLF2-13W，江蘇梅蘭化工有限公司產品；炭黑N990，鄭州豐茂化工產品有限公司產品；SiC，微米級顆粒，江蘇先豐納米材料科技有限公司產品；偶聯劑KH-560，北京市津同樂泰化工產品有限公司產品；氧化鎂，河北鎂神科技有限公司產品；氫氧化鈣，青島萊茵化學有限公司產品；雙酚AF和促進劑BPP，輔銳實業（上海）有限公司產品。

1.2 試驗配方

FKM 100，炭黑N990 2，改性SiC 變量（0，5，10，15，20，25），氧化鎂 15，氫氧化鈣1.5，雙酚AF 2.5，促進劑BPP 2。

1.3 主要設備和儀器

XK-160型開放式煉膠機，上海橡膠機械一廠有限公司產品；XB-220A型天平、M-3000型無轉子硫化儀和GT-GS-MB型邵氏硬度計，中國臺灣高鐵科技股份有限公司產品；XLB型平板硫化機，上海浦大液壓機械制造有限公司產品；EUT4304型電子萬能試驗機，深圳三思檢測技術有限公司產品；ZEISS EVO18型掃描電子顯微鏡（SEM），德國ZEISS公司產品；DMA8000型動態熱機械分析（DMA）儀，美國PE公司產品；TGA/DSC-1型熱重/差熱同步分析儀，瑞士梅特勒-托利多公司產品；DHG-9030A型電鼓風烘箱，上海標承實驗儀器有限公司產品。

1.4 試樣制備

1.4.1 偶聯劑KH560改性SiC

用無水乙醇對SiC顆粒表面進行清洗處理，除去其表面的有機雜質，洗凈的SiC烘干備用；將一定量的偶聯劑KH-560加入到無水乙醇中，混合均勻；將干燥好的SiC加入到偶聯劑KH-560/無水乙醇混合液中，在攪拌機中將混合物混合均勻后放入烘箱烘干，得到改性SiC。

1.4.2 SiC/FKM復合材料

采用機械共混法制備SiC/FKM復合材料，混煉工藝為：FKM在開煉機上包輥塑煉，然后依次加入改性SiC、炭黑N990、氧化鎂、氫氧化鈣、雙酚AF、促進劑BPP混煉均勻，下片，停放24 h，待用。一段硫化在平板硫化機上進行，硫化條件為170℃/10 MPa×30 min；二段硫化在電熱鼓風干燥箱中進行，硫化條件為200 ℃×10 h。

1.5 測試分析

硫化特性按照GB/T 16584—1996進行測試；拉伸性能按照GB/T 528—2009進行測試，拉伸速率為500 mm·min-1；邵爾A型硬度按照GB/T 531.1—2008測試；動態力學性能測試采用拉伸模式，試樣尺寸為40 mm×5 mm×2 mm，頻率為125 Hz，升溫速率為5 ℃·min-1，溫度范圍為-60～80℃，應變控制，應變幅值為0.05%，預緊力為0.01 N；熱重（TG）分析采用氮氣氣氛，升溫速率為10℃·min-1；耐液體介質性能按照GB/T 1690—2010進行測試。

2 結果與討論

2.1 硫化特性

改性SiC用量對SiC/FKM復合材料硫化特性（200 ℃）的影響如表1所示。

表1 改性SiC用量對SiC/FKM復合材料硫化特性的影響Tab.1 Effect of modified SiC amounts on vulcanization characteristics of SiC/FKM composites

從表1可以看出：當改性SiC用量為0～10份時，SiC/FKM復合材料的焦燒時間較長，FL較小，表現出良好的充模流動性和加工穩定性；改性SiC用量超過15份時，復合材料的硫化速率減慢，FL和Fmax較大，交聯密度提高。綜合來看，改性SiC用量為15份時SiC/FKM復合材料的加工性能較好。

選取改性SiC用量為15份的SiC/FKM復合材料作為分析對象，研究190，195，200，205和210 ℃下SiC/FKM復合材料的硫化特性，結果如表2所示。

表2 不同溫度下SiC/FKM復合材料的硫化特性Tab.2 Vulcanization characteristics of SiC/FKM composites under different temperatures

從表2可以看出：在190 ℃下SiC/FKM復合材料的硫化速率過慢且交聯密度過小，會影響橡膠制品的生產效率和物理性能；在195 ℃下復合材料的FL較大，充模流動性不好，且交聯密度較小；在205～210 ℃下復合材料的t10較短，硫化速率過快，容易出現焦燒和過硫現象。因此，改性SiC用量為15份時SiC/FKM復合材料的最佳硫化溫度為

200 ℃。

2.2 物理性能

改性SiC用量對SiC/FKM復合材料拉伸性能的影響如圖1所示。

圖1 改性SiC用量對SiC/FKM復合材料拉伸性能的影響Fig.1 Effect of modified SiC amounts on tensile properties of SiC/FKM composites

從圖1可以看出：隨著改性SiC用量的增大，SiC/FKM復合材料的拉伸強度呈先提高后略有降低的趨勢，拉斷伸長率則逐漸下降；不含SiC的FKM膠料的拉伸強度為10.01 MPa，拉斷伸長率為271%；當改性SiC用量為5份時，復合材料的拉伸強度提高到14.23 MPa，拉斷伸長率為259%；當改性SiC用量為15份時，復合材料的拉伸強度提高到16.35 MPa，拉斷伸長率下降至178%，說明改性SiC明顯提高了復合材料的拉伸強度，同時也降低了復合材料的彈性。分析認為，SiC顆粒尺寸均勻、粒徑適中、表面有很多活性點，其能夠均勻地分散在FKM中并與FKM緊密結合，在復合材料受到外力作用時能夠很好地吸收外界能量，達到增強的效果。但當改性SiC用量達到25份時，SiC/FKM復合材料的拉伸強度略有下降，說明SiC過量時在FKM中會產生團聚效應，導致復合材料在受到外力作用時不能很好地將外部沖擊能量分散和傳遞出去，從而其強度降低。

SiC/FKM復合材料拉伸斷面的SEM照片如圖2所示。

從圖2可以看出，當改性SiC用量為15份時，改性SiC（綠色圓圈中的亮點）均勻地分散在FKM中，沒有出現團聚現象。這是因為SiC具有密度小、硬度大、化學穩定性好、熱導率大等優點，經過偶聯劑KH560改性后SiC表面接枝了大量的有機基團，使SiC表面由親水性轉變成疏水性，改善了SiC在FKM中的分散性，增強了SiC與FKM之間的界面結合力。SiC/FKM復合材料優異的性能主要歸因于SiC固有的特性及其在FKM中良好的分散以及SiC與FKM之間較強的界面相互作用。

圖2 SiC/FKM復合材料拉伸斷面的SEM照片Fig.2 SEM photoes of tensile sections of SiC/FKM composites

試驗表明，改性SiC用量分別為0，5，10，15，20，25份時，SiC/FKM復合材料的邵爾A型硬度分別為67，72，76，86，91，95度，即隨著改性SiC用量的增大，復合材料的邵爾A型硬度逐漸增大，當改性SiC用量為25份時，復合材料的邵爾A型硬度增大至95度，說明改性SiC可以有效提高復合材料的剛度和抗壓性能，但是硬度過大會導致復合材料的彈性降低，不能通過有效的彈性形變抵抗外界沖擊，從而降低阻尼減振效果。當改性SiC用量為15份時，SiC/FKM復合材料的邵爾A型硬度為86度，可同時保證復合材料足夠的抗壓性和良好的彈性，即復合材料的綜合物理性能最好。

2.3 阻尼性能

圖3為不同改性SiC用量下SiC/FKM復合材料的損耗因子（tanδ）-溫度曲線。

從圖3可以看出：隨著改性SiC用量的增大，SiC/FKM復合材料的tanδ峰值（tanδmax）呈現減小的趨勢；不含SiC的FKM膠料的tanδmax為1.291；改性SiC用量為5份時，復合材料的tanδmax減小至1.198；值得注意的是，當改性SiC用量為15份時，復合材料保持了較大的tanδmax（0.973）及較寬的阻尼溫域；當改性SiC用量達到20份時，復合材料的tanδmax大幅減小；當改性SiC用量達到25份時，復合材料的tanδmax僅為0.614，這主要是由于SiC顆粒的團聚限制了FKM分子鏈的運動能力，減小了分子間的摩擦損耗。

圖3 SiC/FKM復合材料的tanδ-溫度曲線Fig.3 tanδ-temperature curves of SiC/FKM composites

2.4 熱穩定性

電容器減振阻尼橡膠材料的服役溫度可達到80 ℃，提高橡膠阻尼材料在高溫環境下的熱穩定性具有重要意義。對改性SiC用量為15份的SiC/FKM復合材料進行TG分析，其TG和DTG（微商熱重）曲線如圖4所示。

圖4 SiC/FKM復合材料的TG和DTG曲線Fig.4 TG and DTG curves of SiC/FKM composite

從圖4可以看出，SiC/FKM復合材料在400 ℃以下都表現出良好的熱穩定性，445 ℃時復合材料的質量損失率為10%，560 ℃時復合材料的質量損失率達到50%，549 ℃時復合材料的熱降解反應速率最快，可見添加15份改性SiC對復合材料的熱穩定性提高效果較為突出，可滿足電容器使用工況對減振阻尼橡膠材料熱穩定性的要求。

2.5 耐液體介質性能

在一定溫度下，FKM制品在油類或其他化學介質中浸泡會發生溶脹現象，質量和體積會發生不同程度的變化。測量浸泡前后的質量變化率是評價橡膠制品耐液體介質性能的重要指標。為了考察改性SiC用量對SiC/FKM復合材料耐液體介質性能的影響，將試樣浸泡在電容器絕緣介質芐基甲苯浸漬劑中，浸泡條件為80 ℃×168 h，測試試樣浸泡前后的質量變化率。

試驗表明，改性SiC用量分別為0，5，10，15，20，25份時，SiC/FKM復合材料的質量變化率分 別為2.23%，2.39%，2.48%，2.61%，2.96%，3.24%。由此可見，隨著改性SiC用量的增大，復合材料浸泡后的質量變化率逐漸增大，但當改性SiC用量大于15份時，復合材料的質量變化率增幅明顯增大，但其依舊保持良好的耐液體介質性能。這是因為FKM分子鏈中沒有不飽和鍵，極性強的氟原子使其與非極性芐基甲苯不相容，從而使芐基甲苯難以進入FKM基體而產生溶脹作用。

3 結論

（1）當改性SiC用量為15份、二段硫化溫度為200 ℃時，SiC/FKM復合材料的加工性能最佳。

（2）隨著改性SiC用量的增大，SiC/FKM復合材料的硬度增大，拉斷伸長率降低，阻尼性能和耐液體介質性能降低，拉伸強度呈先提高后略降低的趨勢，當改性SiC用量超過15份時，復合材料的拉伸強度提升緩慢直至降低。

（3）當改性SiC用量為15份時，SiC/FKM復合材料的性能較優異，邵爾A型硬度為86度，拉伸強度為16.35 MPa，拉斷伸長率為178%，tanδmax為0.973，同時具有良好的熱穩定性和耐液體介質性能。