跌落式智能開關(guān)用熔斷材料特性分析及應(yīng)用效果

中圖分類號(hào)：TQ323.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2025）05-0108-04

Abstract：Inorder to further improve theinsulationperformanceof theswitch fuse material，amodifiedcomposite insulation material was prepared by introducing nano-aluminaand nano-boron nitride，and its insulation performance，mechanical properties and application effect were verified.The results show that the modified composite insulation material prepared byintroducing nano-alumina and nano-boron nitride has stronger insulation performance. The volume resistivity，partial discharge onset voltage and breakdown field strength are increased by 32. 12% ， 12.12% and 7.05% ，respectively ，compared with the unmodified composite insulation material. The composite insulationmaterial has better tensile debonding strength and tensile shear strength.When thecomposite insulation material isusedasthe fusing material of the drop switch，it shows better insulation performance.The modifiedcomposite insulation material prepared by has good insulation and mechanical properties，andcan be used as afusing material for drop switches.

Keywords：switch fuse material；nanoparticles；material modification；insulation performance；coupling treatmen

當(dāng)前，引入納米粒子對(duì)材料進(jìn)行改性是增強(qiáng)復(fù)合材料絕緣性的常用方式之一，隨著當(dāng)前生產(chǎn)生活中用電需求的不斷增加以及用電場(chǎng)景十分復(fù)雜，對(duì)熔斷式開關(guān)的性能提出了更高要求。跌落式智能開關(guān)具有良好的穩(wěn)定性、安全性和便捷性，使其能夠應(yīng)用于各種工作場(chǎng)景。在跌落式開關(guān)中，熔斷材料是關(guān)鍵部分，其質(zhì)量和性能的好壞直接關(guān)系到用電安全。劉云鵬為提高絕緣子復(fù)合泡沫材料的強(qiáng)度，將聚對(duì)苯撐苯并二噁唑（PBO）纖維加入到復(fù)合泡沫材料中，能夠有效提升復(fù)合泡沫材料抗沖擊的能力和熱穩(wěn)定性，同時(shí)不會(huì)對(duì)復(fù)合泡沫材料的絕緣性能產(chǎn)生影響\"；楊寶金為進(jìn)一步提升電纜的絕緣性能，制備了一種低密度聚乙烯絕緣復(fù)合材料，驗(yàn)證了該材料具有良好的絕緣性能[2]。樊林稹為進(jìn)一步提升聚丙烯電纜絕緣材料的性能，將接枝苯乙烯加入聚丙烯絕緣材料中，當(dāng)接枝率為 3.38% 時(shí)，材料的特征擊穿強(qiáng)度較純凈聚丙烯絕緣材料提升了 30.9% 左右[3]。為進(jìn)一步提升跌落式熔斷開關(guān)絕緣材料的綜合性能，制備一種納米粒子協(xié)同改性的環(huán)氧樹脂與硅橡膠基的復(fù)合絕緣材料，并對(duì)其綜合性能以及在跌落式熔斷器開關(guān)中的應(yīng)用效果進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)主要材料：納米氧化鋁（工業(yè)純，東福金屬材料）；納米氮化硼（工業(yè)純，騰雙金屬材料）；偶聯(lián)劑（工業(yè)純，聚成兆業(yè)有機(jī)硅材料）；無水乙醇（工業(yè)純，中淳化工）；去離子水（工業(yè)純，仟旭環(huán)保）；T-31593型固化劑（工業(yè)純，泓淳化工）；LP-1302II型脫模劑（工業(yè)純，金誠富陽）；6101E44型環(huán)氧樹脂（工業(yè)純，舜暢新材料）；107型硅橡膠（鼎弘新材料）。

主要設(shè)備：JZC350型機(jī)械攪拌機(jī)（啟誠重工機(jī)械）；LJ28K-72型超聲波清洗機(jī)（潔盟超聲波設(shè)備）；202-0鼓風(fēng)干燥箱（博緯儀器設(shè)備）；2BV5121型真空泵（季誠泵業(yè)）；DLZ-220V-1040S等離子發(fā)生器（潔魚生物科技）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 偶聯(lián)處理過程

試驗(yàn)使用KH550硅烷偶聯(lián)劑對(duì)納米氧化鋁和納米氮化硼進(jìn)行偶聯(lián)處理[46]，步驟如下：

（1）使用酒精擦拭實(shí)驗(yàn)儀器，并將燒杯使用酒精擦拭后放入干燥箱中烘干備用；

（2）將稱取的納米氧化鋁與去離子水按照 的質(zhì)量比加入燒杯中，再加入適量酒精，并同時(shí)輔以超聲波處理，并進(jìn)行 20min 的機(jī)械攪拌，攪拌環(huán)境穩(wěn)定為 、轉(zhuǎn)速為 4500r/min ：

（3）稱取納米氧化鋁質(zhì)量比 10% 的KH550偶聯(lián)劑，加入完成攪拌的 znO 混合溶液中，同時(shí)加入適量酒精，再以步驟（2）相同的條件進(jìn)行機(jī)械攪拌 40min

（4）將完成攪拌的納米氧化鋁溶液進(jìn)行烘干處理，直至完全干燥，進(jìn)行研磨操作再放置到密封袋中密封備用；納米氮化硼的偶聯(lián)處理過程與納米氧化鋁一致。

1.2.2 試驗(yàn)樣品制備

（1）將盛有適量環(huán)氧樹脂的燒杯放入鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行 的加熱，將內(nèi)部的水分蒸發(fā)以降低黏度；

（2）稱取一定量的納米氧化鋁和納米氮化硼，并放置到干燥箱中以 50% 的條件進(jìn)行干燥處理，時(shí)長(zhǎng)為 20min

（3）將完成干燥的納米氧化鋁、納米氮化硼以及質(zhì)量比例1：1的納米氧化鋁混合納米氮化硼，按照1%～9% 的質(zhì)量比加入環(huán)氧樹脂中，同時(shí)進(jìn)行超聲波處理，以轉(zhuǎn)速 4000r/min 、水域 的條件進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌時(shí)長(zhǎng) 35min ：

（4）根據(jù)質(zhì)量比例稱取固化劑，將其加入完成攪拌的改性混合溶液中進(jìn)行攪拌，時(shí)長(zhǎng) 12min 5

（5）將攪拌完成的環(huán)氧溶液放置真空反應(yīng)釜中，進(jìn)行 15min 的抽真空處理，直至溶液中無氣泡為止；

（6）使用酒精擦拭澆筑模具，并放人干燥箱中進(jìn)行烘干，使用完成真空處理的環(huán)氧溶液進(jìn)行澆筑，并進(jìn)行 5min 的真空處理，等待1d直至完全固化；

（7）將經(jīng)過干燥處理的納米氧化鋁、納米氮化硼以及質(zhì)量比例1：1的納米氧化鋁混合納米氮化硼按照比例加入到硅橡膠基體中，進(jìn)行與步驟（3）同樣條件的超聲和攪拌處理；

（8）對(duì)硅橡膠溶液進(jìn)行 15min 的真空處理，保證溶液中的氣泡完全消失；

（9）將完成真空處理的硅橡膠溶液澆筑到模具表面已固化的環(huán)氧樣片上，待其固化。

1.2.3 性能測(cè)試

（1）體積電阻率。試驗(yàn)進(jìn)行電阻率測(cè)試時(shí)使用UC2678型阻抗儀進(jìn)行改性樣品的體積電阻率測(cè)試。

進(jìn)行測(cè)試時(shí)，電極選擇XL30002型（ D=50mm ））電極，環(huán)境溫度和濕度分別為 26degreeC 、小于等于60%，施加電壓為2kV[7]

（2）局部放電特性。局部放電特性主要包括局部放電起始電壓和短時(shí)交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)2個(gè)部分。

局部放電是在高電場(chǎng)下絕緣體系中出現(xiàn)的非貫穿放電，會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)不易被發(fā)現(xiàn)的缺陷，外部電場(chǎng)的長(zhǎng)期作用會(huì)導(dǎo)致絕緣缺陷的程度加重，最終便會(huì)出現(xiàn)擊穿的情況。試驗(yàn)測(cè)試使用的材料為不銹鋼，以及球-球電極（ ），LDS800型局部放電測(cè)試儀，環(huán)境溫度和濕度分別為 、小于等于 60% ，樣品固定于電極兩球之間，并保證全部浸入絕緣油中，以1kV/s 的升壓速率進(jìn)行升壓[8-9]

短時(shí)交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)是材料絕緣性能的關(guān)鍵指標(biāo)，提升擊穿場(chǎng)強(qiáng)即是提升絕緣材料絕緣性能的關(guān)鍵。

（3）橫向拉伸。使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)為實(shí)驗(yàn)儀器，在室溫 。濕度小于等于 50% 的環(huán)境下進(jìn)行改性樣本基體粘接面的拉伸脫粘試驗(yàn)。測(cè)試前使用酒精擦拭拉伸樣品，并夾于萬能試驗(yàn)機(jī)的扁樣拉伸淺口，以1 mm/min 的速度進(jìn)行勻速拉伸，直至脫膠[0-1]

（4）剪切強(qiáng)度。為保證粘接測(cè)試試驗(yàn)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，進(jìn)行材料的拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試環(huán)境溫度為26degreeC ，濕度小于等于 50% ，使用厚度為 3mm 的金屬片對(duì)拉伸剪切面進(jìn)行壓片粘接，樣品粘接面長(zhǎng)為 15mm 、寬為 10mm 。

測(cè)試前先進(jìn)行試驗(yàn)機(jī)的預(yù)熱，同時(shí)進(jìn)行樣品邊角料的清理，再將試片垂直均衡地夾在加具上進(jìn)行拉伸，速度為 15mm/min ，拉伸過程不中斷，直至試片斷裂[1-13]。統(tǒng)計(jì)試片斷裂時(shí)的破壞載荷，測(cè)試數(shù)據(jù)為10次測(cè)試的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 絕緣特性測(cè)試

2.1.1體積電阻率測(cè)試改性前后材料的體積電阻率變化情況見圖1。

由圖1可知，改性前后的復(fù)合絕緣材料在未引入納米粒子時(shí)電阻率相同，隨著加入粒子濃度的不斷增加，體積電阻率的變化情況明顯不同。未改性的復(fù)合材料體積電阻率在粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)并不存在明顯變化，但隨著粒子濃度的繼續(xù)增加，體積電阻率開始逐漸減小；經(jīng)過KH550偶聯(lián)劑改性后的材料體積電阻率隨著納米氧化鋁和納米氮化硼濃度的增加呈現(xiàn)先增后減的變化情況，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5% 時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)相較于未改性材料的體積電阻率增大了 32.12% ，隨后逐漸下降。分析圖1的測(cè)試結(jié)果可知，對(duì)于未改性的復(fù)合絕緣材料，在引入納米氧化鋁的同時(shí)引入分子質(zhì)量更小的納米氮化硼，在較低粒子濃度時(shí)能夠彌補(bǔ)納米氧化鋁帶來的界面缺陷，有效減緩材料的載流子遷移速度，因此電阻率未發(fā)生明顯變化。粒子濃度不斷增長(zhǎng)使得納米氮化硼的團(tuán)聚現(xiàn)象愈加明顯，材料內(nèi)部缺陷也愈加嚴(yán)重，此種情況下載流子的遷移速度會(huì)明顯提升，導(dǎo)致體積電阻率大大降低；經(jīng)過KH550改性后的粒子出現(xiàn)的團(tuán)聚現(xiàn)象有所緩解，造成的內(nèi)部缺陷明顯小于未改性的復(fù)合材料，同時(shí)由于引入的深陷阱密度相比于未改性材料更大，使得材料電阻率在低粒子濃度時(shí)有所提升，但由于深陷阱降低能級(jí)的不可避免，隨著粒子濃度的不斷增加，電荷能夠快速脫陷，載流子難以捕捉，使得電阻率降低[14-15]。

2.1.2 局部放電起始電壓

改性前后的復(fù)合絕緣材料的局部放電起始電壓隨納米粒子含量的變化情況如圖2所示。

由圖2得知，隨著納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，局部放電起始電壓先增大后減小，在粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5% 時(shí)達(dá)到最大值，而經(jīng)過改性的復(fù)合材料在各個(gè)粒子濃度的局部放電起始電壓值均大于未改性復(fù)合絕緣材料，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5% 時(shí)增大了 12.12% 。

改性前后的復(fù)合絕緣材料出現(xiàn)上述變化情況的原因可能在于：在粒子含量較低時(shí)，納米氮化硼能夠起到彌補(bǔ)納米氧化鋁與基體界面間的內(nèi)部缺陷作用，通過限制材料內(nèi)部的載流子移動(dòng)方式，提升局部放電電壓。隨著粒子引入量的逐漸增加，由于納米氧化鋁的分子質(zhì)量較大，使得能夠引入的粒子數(shù)目降低，進(jìn)而使得基體間的界面重疊和缺陷密度降低，同時(shí)還能降低材料中氟元素的含量，使得改性局部放電電壓降低的趨勢(shì)更加平緩[16]

2.1.3 擊穿場(chǎng)強(qiáng)

改性前后的復(fù)合絕緣材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨納米粒子濃度的變化情況如圖3所示。

由圖3可知，改性前后的復(fù)合絕緣材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨引入納米粒子含量增加的變化趨勢(shì)相同，在粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5% 時(shí)達(dá)到最大值，改性后的擊穿場(chǎng)強(qiáng)增大了 7.05% 。

改性前后的復(fù)合絕緣材料出現(xiàn)上述變化情況的原因與局部放電起始電壓的原因類似，均是由于粒子之間的彌補(bǔ)作用和粒子大小對(duì)粒子數(shù)目的影響。

2.2 機(jī)械性能分析

試驗(yàn)測(cè)試的復(fù)合絕緣材料的機(jī)械性能為拉伸脫 粘強(qiáng)度和拉伸剪切強(qiáng)度，改性前后的復(fù)合絕緣材料 的拉伸脫粘強(qiáng)度和拉伸剪切強(qiáng)度隨納米粒子濃度的 變化情況如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，改性前后的復(fù)合絕緣材料的拉伸脫粘強(qiáng)度和拉伸剪切強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相似，均在引入粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0%～5% 的區(qū)間保持強(qiáng)度相對(duì)平穩(wěn)，在引人粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于 5% 時(shí)，隨著含量的逐漸增加，2個(gè)強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。與未改性的復(fù)合絕緣材料相比，經(jīng)過改性后的材料強(qiáng)度的下降趨勢(shì)更加平緩，即驗(yàn)證了改性后材料具有更好的拉伸脫粘強(qiáng)度和拉伸剪切強(qiáng)度。

2.3 應(yīng)用效果分析

將引入納米粒子改性后的復(fù)合絕緣材料制備跌落式開關(guān)的熔斷材料，并對(duì)改性前后以及不同粒子濃度值材料的絕緣性能進(jìn)行對(duì)比，得到如圖6所示對(duì)比測(cè)試結(jié)果。

由圖6可知，與普通的環(huán)氧樹脂與硅橡膠基制得的絕緣材料以及未改性的納米粒子復(fù)合絕緣材料相比，最終制得的改性復(fù)合絕緣材料具有更高的電阻率、更好的絕緣性能，能夠作為跌落式開關(guān)的熔斷材料。

3結(jié)語

（1）引入改性的納米氧化鋁和納米氮化硼制得的復(fù)合絕緣材料的體積電阻率、局部放電起始電壓以及擊穿場(chǎng)強(qiáng)相比于未改性分別增大了 32.12% 、12.12% （20 ，7.05% ：

（2）引入改性的納米氧化鋁和納米氮化硼制得的復(fù)合絕緣材料的拉伸脫粘強(qiáng)度和拉升剪切強(qiáng)度變化更加平緩；

（3）引入改性的納米氧化鋁和納米氮化硼制得的復(fù)合絕緣材料制得的跌落式開關(guān)熔斷材料具有更強(qiáng)的絕緣性能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉云鵬，麻云帆，劉賀晨，等.PBO纖維增強(qiáng)復(fù)合泡沫絕緣材料的制備及性能研究［J].絕緣材料，2023，56（9） ：43-48.

[2]楊寶金.低密度聚乙烯電纜絕緣復(fù)合材料的制備及絕緣性能分析[J].信息記錄材料，2023，24（4）：74-76.

[3]樊林稹，郝國(guó)輝，張?chǎng)┘危?接枝苯乙烯對(duì)聚丙烯絕緣材料介電性能的影響［J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2023，43（13）：5251-5261.

[4]張振，王萬杰，彭運(yùn)松，等.偶聯(lián)劑對(duì)碳纖維增強(qiáng)乙烯基樹脂復(fù)合材料界面性能影響研究[J.復(fù)合材料科學(xué)與工程，2023（4）：34-40.

［5]王錚錚，周海軍，陳孝起，等.偶聯(lián)劑對(duì)聚丙烯/鱗片石墨復(fù)合材料的影響[J].工程塑料應(yīng)用，2020，48（11）：136-140.

[6]高本征，萬舒晨.不同表面處理方式氧化鋁粉體/硅橡膠復(fù)合材料性能研究[J].當(dāng)代化工，2022，51（3）：615-618.

[7]陳益峰，袁小平，梅飛，等.不同溫度下環(huán)氧玻纖布基板體積電阻率測(cè)試與內(nèi)帶電效應(yīng)研究[J].絕緣材料，2023，56（6） ：94-99.

[8]楊敏，王新，童小忠，等.環(huán)氧樹脂 納米復(fù)合材料直流電樹枝及局部放電特性研究［J].絕緣材料，2021，54（6） ：49-55.

[9]楊國(guó)清，卜夢(mèng)晨，張琦煒，等.納米 znO 與 改性環(huán)氧樹脂的絕緣特性及導(dǎo)熱性能[J].大電機(jī)技術(shù)，2021（2）：38-43.

[10]熊枝敏，房佳慧，楊喆，等.重質(zhì)碳酸鈣/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能[J].中國(guó)膠粘劑，2023，32（9）：27-33.

[11］譚冬宜，楊邵蓉，曾雙穗，等.玄武巖/苧麻增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的拉伸性能研究［J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，33（2）：62-66.

［12]王述超，李琦.既有建筑隔震碳纖維復(fù)合材料的性能測(cè)試[J].粘接，2023，50（3）：60-64.

［13］喬寧.一種裝飾用碳纖維復(fù)合材料鍛造成型新工藝及拉伸性能研究[J].粘接，2023，50（2）：61-64.

[14]趙書華，段云飛，崔佳偉，等.無機(jī)納米粒子改性石墨烯基復(fù)合涂層的研究現(xiàn)狀［J].腐蝕與防護(hù)，2022，43（11） ：88-94.

[15]柴玉梅，朱建鋒，張彪，等.氟化改性 納米功能涂層的制備及其對(duì)不可移動(dòng)文物表面防護(hù)性能的影響[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，40（3）：144-151.

[16]楊國(guó)清，劉庚，王德意，等.超支化聚酯改性納米 /環(huán)氧樹脂的電樹枝生長(zhǎng)特性［J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2020，35（20）：4415-4422.

（責(zé)任編輯：蘇慢）