特高壓GIL絕緣子用微米氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料的性能研究

劉 鵬， 袁 航， 朱思佳， 趙惠軍， 閆 爽， 吳澤華， 彭宗仁， 王浩然

（1. 西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049；2. 中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）

0 引 言

蘇通1 000 kV 交流特高壓氣體絕緣金屬封閉輸電線路（gas insulated matel enclosed transmission line，GIL）綜合管廊的安全運行，證明了特高壓GIL技術(shù)的可行性和穩(wěn)定性[1-2]。但在特高壓GIL 蘇通管廊工程中，管廊建設(shè)垂直落差大，管廊埋深大，單相長度大，電壓等級高，輸送容量大，對特高壓GIL的可靠性提出了更高的要求。一旦出現(xiàn)絕緣故障，可能導(dǎo)致區(qū)域性停電。在運行過程中，GIL 絕緣子長期經(jīng)受電、熱、力場的作用，尤其在特高壓工程中，隨著電壓的提升，導(dǎo)桿直徑增大，質(zhì)量增加，導(dǎo)桿載流發(fā)熱現(xiàn)象更加嚴(yán)重，因此在對絕緣子絕緣性能要求提高的同時，也對絕緣子熱性能和力學(xué)性能提出了更高的要求，工程上明確提出要求絕緣子安全運行40 年[3-7]。氧化鋁/環(huán)氧復(fù)合材料機械強度大、導(dǎo)熱性能優(yōu)異，同時具有良好的絕緣性能，是制造GIL 盆式絕緣子、三支柱絕緣子等絕緣件的主要材料[8-14]。而氧化硅具有較低的介電常數(shù)和高化學(xué)穩(wěn)定性，且成本顯著低于氧化鋁，在國內(nèi)外工程應(yīng)用和學(xué)術(shù)研究中也經(jīng)常被選用為絕緣子用環(huán)氧復(fù)合材料的無機填料[15-20]。在氣體絕緣封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchears，GIS）中，電弧的存在會使SF6的分解產(chǎn)物與二氧化硅發(fā)生反應(yīng)，造成絕緣件性能劣化，而長距離的GIL內(nèi)部沒有開關(guān)和電弧，因此SF6不會與二氧化硅發(fā)生反應(yīng)。使用氧化硅/環(huán)氧復(fù)合材料的GIL絕緣子在存儲、運輸、安裝時應(yīng)特別保證其處于干燥環(huán)境[20-21]。美國AZZ 公司的GIL 技術(shù)路線中環(huán)氧絕緣子填充料均采用氧化硅，其產(chǎn)品在國際市場上具有最高的占有率，且已投入生產(chǎn)數(shù)十余年[22]。

目前，大填充量的納米級填料在共混體系中因極易發(fā)生團聚現(xiàn)象而難以在實際工業(yè)中推廣應(yīng)用，因此國內(nèi)外工程中絕緣子用環(huán)氧復(fù)合材料選取的無機填料基本都為微米級[23-25]。近年來，國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)摻入微米氧化鋁或氧化硅填料可以提升環(huán)氧復(fù)合材料不同方面的性能。在氧化鋁摻雜方面，白德鵬等[26]在環(huán)氧樹脂中摻雜不同體積分?jǐn)?shù)的微米氧化鋁，發(fā)現(xiàn)制備的環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸和沖擊性能均隨氧化鋁填料體積分?jǐn)?shù)的增加先上升后下降。王旗等[27]研究發(fā)現(xiàn)摻入微米氧化鋁填料可以提高環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，但會降低其擊穿強度。寧曉秋等[28]研究發(fā)現(xiàn)隨著摻入微米氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)提的高，復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下降，介電常數(shù)升高，電阻率下降。在氧化硅摻雜方面，秦毅[29]研究發(fā)現(xiàn)環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸強度和擊穿強度均隨微米氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而先增大后減小。T IMAI等[30]研究發(fā)現(xiàn)摻入約60%的微米氧化硅填料可以降低環(huán)氧復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)，且可提高環(huán)氧復(fù)合材料的擊穿強度。

摻入單一填料在提升復(fù)合材料性能的同時可能引入缺陷，影響其他方面的性能，其高填充量也會帶來成本高、制造裝配困難等問題。因此，有學(xué)者提出摻入不同種類的填料來進一步提升絕緣材料的性能。例如，已有諸多研究制備了氧化鋁-氮化硼/環(huán)氧復(fù)合材料，該類材料的導(dǎo)熱性能或絕緣性能優(yōu)良[31-33]。馬文杰等[34]通過復(fù)配氧化鋁和氧化鈦提升了環(huán)氧復(fù)合材料的絕緣性能，其表面電阻率可達8.62×1013Ω，電氣強度可達29.01 kV/mm。M KURIMOTO 等[15]在保持總填料體積比不變的情況下，改變氧化鈦氧化硅的填充比，探究了各配方下氧化鈦-氧化硅/環(huán)氧復(fù)合材料的介電常數(shù)和熱膨脹特性，并分析了具有低熱膨脹系數(shù)的介電常數(shù)梯度環(huán)氧絕緣子的應(yīng)用條件。

目前國內(nèi)特高壓GIL工程中環(huán)氧絕緣子均采用氧化鋁/環(huán)氧復(fù)合材料，但在部分252 kV 等其他低電壓等級GIL 的工程應(yīng)用中，也有部分制造廠家采用氧化硅/環(huán)氧體系，且國外成熟的高壓GIL 技術(shù)路線中已有氧化硅/環(huán)氧體系投入使用，而采用氧化硅填料可以顯著降低工程成本[20]。因此，探究摻入氧化硅填料和氧化鋁-氧化硅共混填料對環(huán)氧復(fù)合材料性能影響的規(guī)律對國內(nèi)特高壓GIL工程和推行國產(chǎn)化環(huán)氧配方具有重要意義。本研究向環(huán)氧樹脂分別摻入微米氧化鋁、氧化硅和氧化鋁-氧化硅共混填料，制備不同配方的環(huán)氧復(fù)合材料，并測試其電氣（介電常數(shù)、體積電阻率、擊穿強度和耐電弧性能）、力學(xué)（拉伸、彎曲和沖擊）和熱學(xué)性能（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率），比較填料填充比例對其綜合性能的影響，以探究滿足特高壓GIL 絕緣子應(yīng)用需求的環(huán)氧復(fù)合材料。

1 實 驗

1.1 主要原材料

雙酚A 型環(huán)氧樹脂（牌號為5531）、羧酸酸酐型固化劑（型號為HT903Cl），美國亨斯邁公司；氧化鋁粉末，中值粒徑為8.16 μm，密度為3.9 g/cm3，山東電工電氣集團有限公司；氧化硅粉末，中值粒徑為9.52 μm，密度為2.2 g/cm3，河南平高電氣股份有限公司。

1.2 配方設(shè)計與試樣制備

實驗所用的氧化鋁和氧化硅粉末粒徑相近但密度相差較大，因此將填料體積分?jǐn)?shù)設(shè)定為固定值。參照GIL 工程中環(huán)氧絕緣子的填料體積分?jǐn)?shù)，確定本研究填料的體積分?jǐn)?shù)為40%±0.2%，制備5種不同填料配方的環(huán)氧復(fù)合材料試樣。氧化鋁和氧化硅的體積比分別為1∶0、2∶1、1∶1、1∶2、0∶1的環(huán)氧復(fù)合材料試樣配方如表1所示。

表1 試樣配方Tab.1 Composition of samples

首先，將環(huán)氧樹脂加熱至110℃熔化，按比例加入事先烘干的填料粉末，然后將環(huán)氧樹脂/填料混合物在120℃油浴鍋中攪拌4 h，攪拌均勻后真空脫氣4 h，再加入固化劑攪拌15 min，最后將混合料澆注到預(yù)熱至100℃的模具中。將澆注好的模具放置在烘箱中脫氣，按照100℃/1 h+120℃/2 h+130℃/2 h+140℃/18 h的升溫程序進行固化得到試樣。

1.3 測試與表征

采用激光粒度分析儀（LS-909 型，歐美克公司）測量填料粒徑分布。采用電子顯微鏡（VE-9800型，日本基恩士公司）觀測填料微觀形貌。采用鎢燈絲掃描電鏡（EVO10 型，天美科學(xué)儀器公司）表征試樣斷裂面微觀形貌，并對微觀表面進行半定量分析。采用阿基米德排水法密度儀（AL104 型，梅特勒托利多公司）測量試樣密度。根據(jù)GB/T 2567—2021，采用電子萬能試驗機（ETM 型，萬測公司）和引伸計（3542 型，美國Epsilon 公司）進行變溫拉伸實驗，溫度選取25、50、75、100、125℃；采用電子萬能試驗機（CMT4503型，上海捷滬儀器儀表有限公司）進行彎曲試驗；采用擺錘式?jīng)_擊試驗機（ZBC1000-A 型，美斯特公司）進行簡支梁沖擊試驗。采用寬頻介電阻抗譜測試儀（Concept80 型，德國Novocontrol 公司）測量試樣介電特性。采用差示掃描量熱儀（DSC822e 型，瑞士梅特勒公司）測試試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，升溫速率為10℃/min。采用激光導(dǎo)熱分析儀（LFA447 型，德國耐馳公司）測量試樣的熱導(dǎo)率，試樣為直徑為12.7 mm、厚度為1 mm 的小圓片。采用動態(tài)熱機械分析儀（SDTA861e 型，瑞士梅特勒公司）測試試樣的儲能模量，選擇雙懸臂梁彎曲模式，試樣為2 mm×2 mm×80 mm 的條狀試樣，測試溫度范圍為40～150℃，升溫速率為2℃/min。采用熱膨脹儀（L75 型，德國林賽斯公司）測定試樣的線性熱膨脹系數(shù)，測試溫度范圍為25～150℃。采用圓球電極-平板試樣-圓球電極結(jié)構(gòu)及擊穿電壓測試儀測量試樣的電氣強度，升壓速率為1 kV/s。根據(jù)GB/T 1411—2002，采用耐電弧試驗儀（北京華測公司）進行耐電弧測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌與元素分析

圖1為兩種填料的粒徑分布圖和SEM 圖。從圖1 可以看到，氧化鋁填料的平均粒徑略低于氧化硅填料，但差距不大。兩種填料形狀皆呈不規(guī)則的塊狀。

圖2為不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料的截面SEM 圖。從圖2 可以看出，不同試樣中的氧化鋁顆粒或氧化硅顆粒在環(huán)氧基體中分散的均勻性基本一致。當(dāng)環(huán)氧復(fù)合材料受到應(yīng)力作用時，氧化鋁顆粒和氧化硅顆粒可以均勻地分散應(yīng)力，使材料的斷裂面呈現(xiàn)高低不平、大小不均的不規(guī)則形狀。

圖2 不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料的斷面SEM圖Fig.2 SEM images of the Al2O3-SiO2/EP composites with different proportions

表2 為EDS 能譜檢測結(jié)果中Al 元素和Si 元素各自的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和原子數(shù)占比。對比表2 與表1 中數(shù)據(jù)，可以看到所觀察區(qū)域的Al元素和Si元素的分布比例與填料理論填充比例基本一致，說明本研究制備的試樣混合均勻，驗證了氧化鋁和氧化硅填料共混填充環(huán)氧復(fù)合材料的可行性。

表2 EDS能譜檢測結(jié)果Tab.2 EDS test results

2.2 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與熱膨脹系數(shù)

表3 為不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料的測量密度值及標(biāo)準(zhǔn)差和理論密度值。從表3可以看出，本研究制備的環(huán)氧復(fù)合材料的密度測量值與理論值相吻合，且誤差小。結(jié)合2.1 節(jié)的結(jié)果，表明本研究制備的試樣并沒有出現(xiàn)因兩相填料密度差異造成的不均勻分布。

表3 密度測量結(jié)果Tab.3 Density test results

通過差示掃描量熱分析（DSC）測試了氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可以看出，環(huán)氧復(fù)合材料的Tg隨著氧化硅填料占比的增加，呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。當(dāng)氧化鋁-氧化硅填料體積比為1∶2時，環(huán)氧復(fù)合材料的Tg出現(xiàn)最小值108.01℃。當(dāng)復(fù)合材料中只有單一填料時，EA 的Tg為最大值（118.82℃），大于ES 的Tg（115.92℃），說明氧化鋁填料對環(huán)氧分子鏈鏈段運動的抑制作用大于氧化硅填料。但對于僅含有氧化硅填料的環(huán)氧復(fù)合材料，摻入氧化鋁填料會使得玻璃化轉(zhuǎn)變溫度略微降低。

圖3 不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料的DSC曲線Fig.3 DSC curves of the Al2O3-SiO2/EP composites with different proportion

圖4為不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料的熱膨脹溫度曲線。基于材料服役狀況，玻璃態(tài)的熱膨脹系數(shù)（CTE）是需要關(guān)注的重點[33]。從熱膨脹系數(shù)曲線上選取不同編號試樣在25℃和75℃下的熱膨脹系數(shù)，總結(jié)在表4中。

圖4 不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料的熱膨脹溫度曲線Fig.4 CTE curves of the Al2O3-SiO2/EP composites with different proportions

表4 不同溫度下的熱膨脹系數(shù)Tab.4 CTE at different temperature

從圖4 和表4 可以看出，EA 在各溫度下的CTE值小于ES，這是因為氧化鋁填料的CTE值小于氧化硅填料，更有利于降低復(fù)合材料總的CTE 值。環(huán)氧復(fù)合材料的CTE 隨著氧化硅填料占比的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。該趨勢與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的變化趨勢相吻合。

一般來說，如果Tg升高，說明填料與環(huán)氧樹脂基體間的界面結(jié)構(gòu)致密，界面區(qū)域的分子鏈運動受到抑制。不同尺寸和種類的填料引入會增強對環(huán)氧分子鏈運動的抑制作用[35]。因此，一方面可以認(rèn)為引入氧化鋁-氧化硅共混填料后制成的環(huán)氧復(fù)合材料界面區(qū)結(jié)構(gòu)較松散，另一方面也可能是氧化鋁和氧化硅顆粒的引入影響了環(huán)氧樹脂的交聯(lián)反應(yīng)過程，使得共混體系的自由體積增大，減少了對聚合鏈段運動的約束，從而降低了環(huán)氧復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)增大。

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)

在環(huán)氧基體中引入適量的高導(dǎo)熱粒子，可以在環(huán)氧基中構(gòu)筑有效的導(dǎo)熱通路，實現(xiàn)材料導(dǎo)熱性能的增強。圖5 為不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)。從圖5 可以看出，EA的導(dǎo)熱系數(shù)大于ES，這主要是因為氧化鋁填料的導(dǎo)熱系數(shù)（33 W/(m·K)）大于氧化硅填料的導(dǎo)熱系數(shù)（約為4 W/(m·K)）[36-37]。一般來說，填料的導(dǎo)熱系數(shù)越高，填充量越大，則復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大。

圖5 不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)Fig.5 Thermal conductivity of the Al2O3-SiO2/EP composites with different proportions

從圖5 還可以看出，EA1S1 的導(dǎo)熱系數(shù)明顯高于其他試樣，相比填充單一填料的EA 和ES 導(dǎo)熱系數(shù)分別提升了4.68%和24.53%。結(jié)合圖1 和圖2(c)進行分析，尺寸和形狀有差異的兩種填料在混合并均勻分布后可能提高了內(nèi)部填充密度，形成更緊密的填充體系，增加了介質(zhì)內(nèi)部的導(dǎo)熱通路種類和相互搭接的概率（環(huán)氧-氧化鋁、環(huán)氧-氧化硅和氧化鋁-氧化硅通路），減少了因大量填充單一填料帶來的缺陷，降低了共混體系的熱阻。同時，氧化鋁和氧化硅的組合可能還存在一定的協(xié)同作用，氧化硅具有良好的散熱性能，氧化硅相可以有效地將熱量向周圍環(huán)境傳遞，而導(dǎo)熱系數(shù)較高的氧化鋁可以有效地將熱量傳遞到填充物內(nèi)部，兩者相互協(xié)同，從而提高了導(dǎo)熱性能。

2.4 力學(xué)性能

圖6為不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料室溫下的彎曲性能和沖擊性能，圖7 為不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料拉伸性能隨溫度的變化特性。從圖6可以看出，室溫下，隨著氧化硅填料占比的增加，共混環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度均下降，說明氧化鋁填料對共混體系整體的拉伸、彎曲和沖擊性能的提升優(yōu)于氧化鋁填料。材料的沖擊強度是表征材料韌性的重要參數(shù)，氧化鋁填料在增韌上也優(yōu)于氧化硅填料。

圖6 不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料的彎曲和沖擊性能Fig.6 Bending and impacting properties of the Al2O3-SiO2/EP composites with different proportions

圖7 不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸性能和溫度的關(guān)系Fig.7 Relationship between tensile properties of the Al2O3-SiO2/EP composites with different proportions and temperature

彈性模量是復(fù)合材料在彈性形變中線性部分斜率的大小，代表著材料的剛性大小，即材料在彈性范圍內(nèi)抵抗變形的難易程度。從圖7 可以看出，隨著溫度升高，環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸強度和拉伸彈性模量在25～100℃緩慢下降，且在同一溫度點時，同樣滿足氧化鋁填料占比越高，拉伸強度和彈性模量越高的趨勢。在100～125℃，環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸強度和拉伸彈性模量出現(xiàn)明顯下降。這是因為溫度超過了環(huán)氧復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，材料由玻璃態(tài)逐漸變化為高彈態(tài)，整體拉伸性能下降明顯。

圖8為不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料的動態(tài)熱機械分析（DMA）曲線。儲能模量（G′）與試樣在每周期中貯存的最大彎曲彈性能量成正比，反映材料粘彈性中的彈性成分，和拉伸彈性模量都可衡量材料的剛度。

圖8 不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料的動態(tài)熱機械曲線Fig.8 DMA curves of the Al2O3-SiO2/EP composites with different proportions

從圖8 可以看出，復(fù)合材料的儲能模量均隨溫度增加先緩慢降低，在溫度經(jīng)過Tg后大幅降低。在相同溫度下，復(fù)合材料的儲能模量也隨著氧化鋁填料占比的增加而提升，這是因為氧化鋁為剛性粒子，自身具有比氧化硅更高的彈性模量，所以氧化鋁填料的加入對復(fù)合材料的彈性模量提升較大，氧化鋁填料占比越大，環(huán)氧復(fù)合材料的剛度越大。儲能模量曲線表征的Tg范圍，以及試樣的Tg隨填料占比改變變化規(guī)律與DSC的測試結(jié)果吻合。

以上結(jié)果說明，在摻入填料體積確定的情況下，氧化鋁填料對環(huán)氧復(fù)合材料力學(xué)性能的提升大于氧化硅填料，這為氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料在特高壓GIL工程中力學(xué)性能與其他性能協(xié)同上提供了參考。

2.5 介電常數(shù)

圖9為25℃下不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料在10-1～106Hz 下的介電常數(shù)（ε′）。從圖9可以看出，隨著頻率的增加，各試樣的介電常數(shù)略有下降。

圖9 不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料在25℃、不同頻率下的介電常數(shù)Fig.9 Permittivity of the Al2O3-SiO2/EP composites with different proportions under different frequency at 25℃

圖10為50 Hz 下不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料在溫度為25～150℃的介電常數(shù)。從圖10可以看出，當(dāng)溫度在100℃以下時，隨著溫度的升高，各試樣的ε′略微上升，變化基本不明顯；當(dāng)溫度為100～125℃時，試樣的ε′開始有明顯的升高。在各個溫度點，隨著氧化硅填料占比的增加，復(fù)合材料整體的ε′都逐漸降低。這是因為在溫度高于100℃時，溫度接近環(huán)氧復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，環(huán)氧樹脂由玻璃態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，內(nèi)部的環(huán)氧鏈段運動更加劇烈，導(dǎo)致環(huán)氧材料的轉(zhuǎn)向極化在此時迅速增加，使復(fù)合材料的介電常數(shù)迅速上升。從圖10還可以看出，EA1S2介電常數(shù)的提升在100℃時較為明顯，這也與Tg的測量結(jié)果相對應(yīng)，EA1S2 的Tg較低，它的偶極子轉(zhuǎn)向極化在100℃左右已經(jīng)開始增加。

圖10 不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料在50 Hz、不同溫度下的介電常數(shù)Fig.10 Permittivity of the Al2O3-SiO2/EP composites with different proportions under different temperatures at 50 Hz

在25℃時，ES 的ε′為4.346 6，相比EA 的ε′（6.097 3）較低，這是因為氧化鋁填料的ε′大于氧化硅填料的ε′。根據(jù)簡單的有效介質(zhì)理論[38]，氧化鋁是極性強的離子晶體，氧化硅是原子晶體，當(dāng)氧化鋁填料加入到環(huán)氧體系中時，氧化鋁填料的離子位移極化增強了體系整體的極化強度，同時填料的加入也產(chǎn)生了界面極化，使得氧化鋁占比更多的共混體系整體的ε′更大。

2.6 體積電阻率

圖11為不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料的體積電阻率（ρv）與溫度的關(guān)系。從圖11 可以看出，環(huán)氧復(fù)合材料的ρv隨溫度升高而逐漸下降，125℃時各試樣的ρv相比25℃時下降了一個數(shù)量級。在同一溫度下，氧化鋁填料的占比越大，環(huán)氧復(fù)合材料的ρv越大。25℃時，EA 的ρv（4.64×1015Ω·cm）相比ES 的ρv（3.15×1015Ω·cm）高，這主要是因為氧化鋁填料本身的電阻率大于氧化硅填料，共混體系的體積電阻率隨氧化鋁占比增加而提高。

圖11 不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料在不同溫度下的體積電阻率Fig.11 Volume resistivity of the Al2O3-SiO2/EP composites with different proportions under different temperature

2.7 介質(zhì)損耗因數(shù)

圖12為25℃下不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料在10-1～106Hz 的介質(zhì)損耗因數(shù)（tanδ）。從圖12 可以看出，復(fù)合材料的tanδ隨頻率的升高先下降后上升，在低頻區(qū)，隨著氧化硅填料占比的增加，復(fù)合材料的tanδ逐漸上升，而在高頻區(qū)，各試樣tanδ的差距較小。

圖12 不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料在25℃、不同頻率下的介質(zhì)損耗因數(shù)Fig.12 Dielectric loss factor of the Al2O3-SiO2/EP composites with different proportions under different frequency at 25℃

圖13為50 Hz 下不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料在25～150℃的tanδ。從圖13 可以看出，與介電常數(shù)隨溫度變化的趨勢相同，當(dāng)溫度低于100℃時，隨著溫度的升高，各試樣的tanδ略微上升，變化并不明顯；當(dāng)溫度為100～125℃時，試樣的tanδ開始有明顯的升高，與試樣的ε′在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近明顯升高的趨勢相同。該頻率下，在各溫度點，隨氧化鋁填料占比的增加，共混體系的tanδ都有所降低。結(jié)合圖12 和圖13 進行分析，這主要是因為摻入氧化鋁填料后的環(huán)氧材料電導(dǎo)小于摻入氧化硅填料后的環(huán)氧材料。

圖13 不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料在50 Hz、不同溫度下的介質(zhì)損耗因數(shù)Fig.13 Dielectric loss factor of the Al2O3-SiO2/EP composites with different proportions under different temperature at 50 Hz

2.8 電氣強度

對不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料進行工頻電氣強度測試，得到電氣強度的威布爾分布如圖14 所示，尺度參數(shù)（α）和形狀參數(shù)（β）如表5所示。α表示擊穿概率為63.2%時的電氣強度，它類似于正態(tài)分布的平均值，表示試樣的可信電氣強度；β是表征失效電壓范圍的值，β值越大，則表明擊穿電壓或擊穿次數(shù)的范圍越小，它類似于正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差的倒數(shù)。

圖14 不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料電氣強度的威布爾分布圖Fig.14 Weibull distribution of power frequency breakdown strength of the Al2O3-SiO2/EP composites with different proportions

表5 試樣的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)Tab.5 Scale and shape parameters of samples

從圖14可以看出，環(huán)氧復(fù)合材料的電氣強度隨氧化硅填料占比的增加而提高。EA 的電氣強度為27.99 kV/mm，ES 的電氣強度為36.63 kV/mm。固體電介質(zhì)的擊穿形式主要分為電擊穿、熱擊穿、電-機械擊穿和局部放電擊穿[39]。在介電測試中發(fā)現(xiàn)，氧化鋁占比越高的試樣介電常數(shù)越高，其極化能力更強，即分子在外加電場作用下極化程度更高。這促進了電子和離子的形成和移動，產(chǎn)生更多正負(fù)電荷對，加強了介質(zhì)中的空間電荷積累，加劇電場的畸變，導(dǎo)致電擊穿的概率增大。

2.9 耐電弧性能

對不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料進行耐電弧試驗，通過對試樣表面上的兩支鎢電極施加交流電壓，對試樣的表面進行燒蝕，當(dāng)試樣無法耐受電弧的燒蝕時，表面會失效形成一條碳化的導(dǎo)電通道，記錄試樣從電弧開始到表面失效的總時間，用來表征試樣的耐電弧強度。各試樣的耐電弧性能如圖15 所示。從圖15 可以看出，環(huán)氧復(fù)合材料的耐電弧性能隨氧化鋁填料占比的增加先略微上升后下降，其中EA1S1 的耐電弧時間最長，可達186.63 s。但總的來說，各實驗組耐電弧時間差距不大，且均大于180 s，其耐電弧性能滿足特高壓GIL設(shè)備要求[20]。

圖15 不同比例氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料的耐電弧時間Fig.15 Arc resistance time of the Al2O3-SiO2/EP composites with different proportions

3 結(jié) 論

（1）隨著氧化鋁填料占比的增加，氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料的韌性和剛度增大，拉伸、彎曲和沖擊性能提升。

（2）隨著氧化硅填料占比的增加，氧化鋁-氧化硅共混環(huán)氧復(fù)合材料不同溫度下的介電常數(shù)減小，擊穿性能增強，不同溫度下的體積電阻率增大，介質(zhì)損耗因數(shù)減小。純微米氧化硅環(huán)氧復(fù)合材料的電氣強度最高，可達36.63 kV/mm。

（3）相比摻入單一填料，摻入氧化鋁和氧化硅兩種填料會略微降低環(huán)氧復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和增大熱膨脹系數(shù)，但共混體系的導(dǎo)熱性能和耐電弧性能有所提升，當(dāng)氧化鋁和氧化硅填料體積比為1∶1 時，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)和耐電弧時長最高，耐電弧時長可達186.63 s，導(dǎo)熱系數(shù)可達1.198 W/(m·K)，比純氧化鋁環(huán)氧和純氧化硅環(huán)氧材料分別提高了4.68%和24.53%。

（4）研究制備的各實驗組試樣電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能良好。探究得到氧化鋁和氧化硅填料對環(huán)氧復(fù)合材料各性能影響的規(guī)律和協(xié)同效應(yīng)，可以為不同工作環(huán)境下高性能特高壓GIL絕緣子材料開發(fā)與結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。