專利名稱：一種復(fù)合絕緣材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合絕緣材料，具體涉及一種具有良好真空絕緣性能的尼龍絕緣子復(fù)合材料。本發(fā)明還涉及上述復(fù)合材料的制備工藝。
背景技術(shù)：
沿面閃絡(luò)現(xiàn)象是真空電氣設(shè)備的一個(gè)重要問(wèn)題，絕緣閃絡(luò)使真空中絕緣材料的耐壓能力大大低于相同距離的真空間隙，整個(gè)高壓真空電氣設(shè)備采用的絕緣材料真空閃絡(luò)電壓成為制約整個(gè)設(shè)備所能承受的最高電壓的瓶頸。隨著高功率脈沖技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中作用的日益突顯，許多大型尖端設(shè)備如窄脈沖高功率微波源、強(qiáng)流粒子束加速器、新興高功率脈沖激光器等，為減小設(shè)備體積和自重同時(shí)保證較高的電效率，對(duì)脈沖功率要求高電壓、大電流、窄脈寬，因此，對(duì)具有良好真空絕緣閃絡(luò)特性的涂層材料研究具有重要意義。當(dāng)氣壓進(jìn)入真空(I(T3Pa)階段時(shí)，絕緣子表面氣體解吸附是高真空區(qū)域閃絡(luò)發(fā)生的保障。由于固體表面分子在各個(gè)方向上所受吸引力不平衡，因此有力場(chǎng)形成。當(dāng)氣體分子與固體表面接觸時(shí)，一旦落入該力場(chǎng)范圍內(nèi)，便會(huì)借氣-固間的吸附鍵構(gòu)成吸附態(tài)，被吸引而形成氣體吸附層。如果絕緣子兩側(cè)施加電壓足夠高，陰極三結(jié)合點(diǎn)處有場(chǎng)致電子發(fā)射， 表面的吸附氣體便會(huì)在初始電子的不斷撞擊下發(fā)生解吸附，使得陰陽(yáng)兩極之間形成一個(gè)激勵(lì)氣體通道，該通道便是閃絡(luò)發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵。解吸附氣體分子可以吸附電子而成為負(fù)離子，也可能被電子碰撞而發(fā)生電離。在高壓電場(chǎng)的作用下，帶電的氣體分子隨著電子崩向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，形成二次電子崩，最后沿面形成大量脫附的中性粒子的貫通運(yùn)動(dòng)通道，于是真空閃絡(luò)發(fā)生。真空中絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的原因，不是因?yàn)榘l(fā)生了絕緣子的體擊穿，因?yàn)榻^緣介質(zhì)的體擊穿電壓通常高于同樣距離真空間隙擊穿電壓，事實(shí)上，引入絕緣子后耐壓能力降低的根本原因是因?yàn)樵诮^緣子表面發(fā)生了沿面閃絡(luò)，即沿著真空一絕緣子界面發(fā)生了貫穿性電擊穿現(xiàn)象。真空沿面閃絡(luò)現(xiàn)象的存在，制約了許多電真空器件的電氣性能，更是影響了相關(guān)尖端設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至造成巨大的損失。據(jù)報(bào)道，美國(guó)斯坦福大學(xué)線性加速器中心的速調(diào)管、日本高能物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中的加速器及美國(guó)能源部CEBAF的加速器都曾發(fā)生過(guò)由于真空中絕緣子沿面閃絡(luò)現(xiàn)象引起的問(wèn)題，使大型尖端設(shè)備受到損壞，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失(A. EVlieks等，IEEE Transactionson Electrical Insulation,24(1989) :1023-1028)。 因此尋找一種涂層工藝，以提高真空中絕緣子閃絡(luò)電壓，對(duì)于確保大型尖端設(shè)備的正常運(yùn)行有著十分重要的意義?，F(xiàn)有技術(shù)中，包括環(huán)氧樹(shù)脂澆鑄固化法制備絕緣子(參見(jiàn)CN10122183》和有機(jī)硅室溫硫化法制備有機(jī)硅絕緣材料(參見(jiàn)CN129723》。環(huán)氧樹(shù)脂澆鑄固化法是采用環(huán)氧樹(shù)脂體系以及其它填料均勻混合，真空處理，將無(wú)氣泡的原料澆鑄入各類絕緣子模具中，真空固化制備成具有抗樹(shù)枝老化能力的復(fù)合絕緣材料。有機(jī)硅室溫硫化法是由有機(jī)基硅氧烷、補(bǔ)強(qiáng)填料、結(jié)構(gòu)化控制劑等而成的A組分以及由交聯(lián)劑組成的B組分混合，室溫硫化制成的有機(jī)硅絕緣材料。但是環(huán)氧樹(shù)脂作為絕緣子澆鑄材料，存在耐熱性差，強(qiáng)度相對(duì)較低的不足， 而交聯(lián)劑室溫硫化法需要在制備過(guò)程中混合兩種組分并硫化，工藝相對(duì)較復(fù)雜。尼龍1010即聚癸二酰癸二胺，為一種應(yīng)用廣泛的絕緣子基底材料，它的長(zhǎng)鏈分子結(jié)構(gòu)和結(jié)晶作用，使其具有優(yōu)良的物理、力學(xué)性能。然而由于酰胺極性基團(tuán)的存在，尼龍 1010絕緣子的吸水率高，介電穩(wěn)定性較差，模量和強(qiáng)度還不夠高。在一些需要特殊形狀的尼龍絕緣子的應(yīng)用場(chǎng)合，一般都采取樹(shù)脂澆鑄固化法來(lái)制備尼龍為連續(xù)相的絕緣子，但由于尼龍熔點(diǎn)左右)遠(yuǎn)高于室溫，需要在常壓或者減壓條件下提供高于200°C的溫度，工藝技術(shù)條件比較苛刻，且工藝相對(duì)繁瑣，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種具有高真空閃絡(luò)電壓的尼龍復(fù)合絕緣材料，且具有低表面二次電子發(fā)射系數(shù)、低介電常數(shù)和良好的耐候性。本發(fā)明還提供了所述尼龍復(fù)合絕緣材料的制備方法。本發(fā)明提供了一種復(fù)合絕緣材料，尼龍為基體相，納米二氧化鈦和氟金云母為摻雜相。上述復(fù)合絕緣材料中，尼龍的含量為60 90wt%，納米二氧化鈦的含量不超過(guò) 30wt %，氟金云母的含量不超過(guò)IOwt %。優(yōu)選地，尼龍的含量為65 80wt %，納米二氧化鈦的含量為10 30%，氟金云母的含量為3 10%。所述尼龍優(yōu)選尼龍1010，尼龍1010粉末具有半透明、表面光亮的結(jié)晶形白色或微黃色外觀；所述納米氧化鈦為銳鈦礦型，外觀均為白色粉末狀，平均粒徑30 70nm ；氟金云母常溫下是白色粉末，為層狀硅酸鹽，單晶片的分子式為Kife3(AlSi3Oltl)F2。本發(fā)明還提供了一種制備所述復(fù)合絕緣材料的工藝，包括將尼龍粉末、納米二氧化鈦粉末和氟金云母粉干燥、混合、濕法球磨，然后干燥，制得混合粉末；將混合粉末放入磨具中壓制。在上述制備工藝的優(yōu)選實(shí)施例中，將尼龍粉末、納米氧化鈦粉末、氟金云母粉，分別經(jīng)脫水烘干后，按照一定的比例混合，并加入一定量的無(wú)水溶劑和氧化鋁陶瓷小球(直徑約為4mm)，放入球磨機(jī)，進(jìn)行濕法球磨，球磨后，將混合體系放入真空干燥箱干燥，使溶劑完全揮發(fā)，得到充分混合的尼龍-納米二氧化鈦-氟金云母的混合粉末；將混合粉末放入電加熱模具中，用粉末壓片機(jī)壓制成具備一定形狀的復(fù)合絕緣材料，如絕緣子等。在上述制備工藝中，所述混合粉末中各組分的含量為尼龍60 90wt%，納米二氧化鈦不超過(guò)30%，氟金云母粉不超過(guò)10%。優(yōu)選地，所述混合粉末中各組分的含量為尼龍65 80wt %，納米二氧化鈦10 30 %，氟金云母粉3 10 %。在上述制備工藝中，所述尼龍優(yōu)選為尼龍1010 ；所述溶劑優(yōu)選為乙醇，所述溶劑的量剛好浸沒(méi)混合粉末即可。在上述制備工藝中，在粉末壓片時(shí)，加熱溫度超過(guò)尼龍的熔融溫度，但要小于尼龍的分解溫度，優(yōu)選220 240°C ；壓力優(yōu)選為3 5MPa。通過(guò)上述工藝制備得到粉末復(fù)合型尼龍絕緣子，其中納米二氧化鈦的摻入，增加了材料的介電常數(shù)，提高了材料的電容，相對(duì)較高的電容在納秒脈沖的高頻交流放電時(shí)，使絕緣子的容抗減小，有利于高頻交流放電條件下的電荷轉(zhuǎn)移，避免形成電荷的大量積聚，抑制了二次電子崩的發(fā)生，從而避免了閃絡(luò)現(xiàn)象。真空閃絡(luò)電壓測(cè)試是在搭建的納秒脈沖真空絕緣閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行的，整個(gè)系統(tǒng)主要由納秒脈沖源、真空系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和接地系統(tǒng)等幾部分組成。納秒脈沖源由Marx 發(fā)生器(最高輸出電壓300kV ；脈沖上升時(shí)間20 30ns ；脈沖寬度100ns)對(duì)單同軸脈沖形成線充電，再通過(guò)充氣開(kāi)關(guān)對(duì)負(fù)載放電得到納秒級(jí)方波脈沖(上升時(shí)間10ns ；脈沖寬度30ns)?？蛰d電壓波形上升沿約為10ns。施加在試品上的放電電壓遠(yuǎn)大于試品閃絡(luò)電壓值，閃絡(luò)過(guò)程發(fā)生在脈沖上升沿，因此取電壓波形峰值為試品閃絡(luò)電壓值，各個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)閃絡(luò)電壓取值為各次閃絡(luò)電壓峰值的平均值。真空絕緣閃絡(luò)性能測(cè)試結(jié)果表明，粉末復(fù)合型尼龍絕緣子相對(duì)于傳統(tǒng)的尼龍絕緣子，其真空絕緣閃絡(luò)電壓提高。在上述制備工藝中，采用粉末壓片法制備得到粉末復(fù)合型絕緣材料，如尼龍1010 絕緣子，由于壓片時(shí)粉末被加熱超過(guò)尼龍的熔點(diǎn)，所以尼龍經(jīng)歷了一個(gè)融化-聚合-凝固-結(jié)晶的過(guò)程，而納米二氧化鈦在加熱時(shí)并不融化，只是由于受熱而增加顆粒的熱運(yùn)動(dòng)， 加劇了其團(tuán)聚，使得最終形成的壓片樣品，納米二氧化鈦實(shí)際是呈連續(xù)的片狀分布，是連續(xù)的分散相。在復(fù)合絕緣樣品內(nèi)部，存在固態(tài)的納米氧化鈦一氟金云母的分散相，連續(xù)相為尼龍，形成固態(tài)的納米分散體系。故樣品內(nèi)部實(shí)際是由一個(gè)一個(gè)的島狀氧化鈦電容構(gòu)成，電阻和容抗均較小，在高頻放電時(shí)，具有良好的電荷導(dǎo)通能力，故抑制了表面的電荷積累，提到了閃絡(luò)電壓；同時(shí)由于氟金云母的存在，進(jìn)一步提高了阻抗，通過(guò)上述工藝可以可以均勻調(diào)控?fù)诫s相的含量，還可以制造出比傳統(tǒng)尼龍絕緣材料強(qiáng)度和耐候性高得多的尼龍絕緣材料。本發(fā)明提供的恒溫粉末壓片法，是一種工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低的制備尼龍絕緣材料方法。制得的尼龍復(fù)合絕緣材料在納秒脈沖放電環(huán)境下，表現(xiàn)出較高的真空閃絡(luò)電壓， 且具備較低的表面二次電子發(fā)射系數(shù)、低介電常數(shù)、良好的耐候性等。


附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式的任何限制。在附圖中相同的構(gòu)件用相同的附圖標(biāo)記示出，其中圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的尼龍絕緣子放電測(cè)試系統(tǒng)圖；圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合尼龍絕緣子的制備工藝流程；圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合尼龍絕緣子的各組分示意圖。
具體實(shí)施例方式下面接合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的尼龍絕緣子的放電測(cè)試系統(tǒng)圖。真空閃絡(luò)電壓測(cè)試在搭建的納秒脈沖真空絕緣閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行，整個(gè)系統(tǒng)主要由納秒脈沖源、真空系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和接地系統(tǒng)等幾部分組成。將待測(cè)試的尼龍絕緣子3置于平板電極1和接地端2之間。圖2顯示根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合尼龍絕緣子的制備工藝流程，將原料按照一定的配比進(jìn)行混合，進(jìn)行濕法球磨，然后除去溶劑，將混合粉末進(jìn)行壓片，制備出粉末復(fù)合型尼龍絕緣子。具體的制備工藝參照如下的實(shí)施例。圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合尼龍絕緣子的各組分為納米二氧化鈦(銳鈦礦型)，尼龍1010粉末，氟金云母粉。在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，納米二氧化鈦(銳鈦礦型)，采用南京海泰納米材料生產(chǎn)的HTTi型納米氧化鈦，平均粒徑30 70nm。尼龍1010粉末采用江蘇宜興化學(xué)試劑廠的產(chǎn)品。氟金云母粉采用長(zhǎng)春市天成氟金云母有限公司的產(chǎn)品。實(shí)施例1 將尼龍1010粉末、納米氧化鈦粉末、氟金云母粉，分別經(jīng)110°C、5小時(shí)的脫水烘干后，然后按照質(zhì)量百分比66% 25.5% 8. 5%進(jìn)行混合，并加入一定量的無(wú)水乙醇和氧化鋁陶瓷小球(直徑約為4mm)，放入球磨機(jī)，進(jìn)行濕法球磨M小時(shí)，球磨后，將混合體系放入真空干燥箱，801:,10-1! 的真空度，6小時(shí)，使溶劑乙醇完全揮發(fā)，得到充分混合的尼龍 1010-納米二氧化鈦-氟金云母的混合粉末。將混合粉末放入電加熱模具中，用粉末壓片機(jī)壓制成具備一定形狀的絕緣子。粉末壓片時(shí)，加熱溫度控制在240°C，壓力為3Mpa，每次壓片時(shí)，保壓冷卻到190°C，再卸壓到零。脫模，便制得本發(fā)明中的粉末復(fù)合尼龍絕緣子。純尼龍1010試樣的閃絡(luò)電壓為191. 45kV。壓制成的樣品閃絡(luò)電壓較純尼龍1010 粉壓成的對(duì)比試樣有了提高，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。實(shí)施例2 制備工藝如實(shí)施例1，不同之處在于，尼龍1010粉末，納米二氧化鈦，氟金云母粉的質(zhì)量百分比的比值為66. 5% 30% 3. 5%，粉末壓片時(shí)壓力為5Mpa。壓制成的樣品閃絡(luò)電壓較純尼龍1010粉壓成的對(duì)比試樣有了提高，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。實(shí)施例3 制備工藝如實(shí)施例1，不同之處在于，尼龍1010粉末，納米二氧化鈦，氟金云母粉的質(zhì)量百分比的比值為72. 5% 20% 7. 5%，粉末壓片時(shí)壓力為4Mpa。壓制成的樣品閃絡(luò)電壓較純尼龍1010粉壓成的對(duì)比試樣有了提高，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。實(shí)施例4:制備工藝如實(shí)施例1，不同之處在于，尼龍1010粉末，納米二氧化鈦，氟金云母粉的質(zhì)量百分比的比值為78. 5% 11% 10. 5%，粉末壓片時(shí)壓力為4Mpa。壓制成的樣品閃絡(luò)電壓較純尼龍1010粉壓成的對(duì)比試樣有了提高，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。表 權(quán)利要求
1.一種復(fù)合絕緣材料，其中尼龍為基體相，納米二氧化鈦和氟金云母為摻雜相。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合絕緣材料，其特征在于，尼龍的含量為60 90wt%，納米二氧化鈦的含量不超過(guò)30wt%，氟金云母的含量不超過(guò)IOwt %。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合絕緣材料，其特征在于，尼龍的含量為65 SOwt%， 納米二氧化鈦的含量為10 30%，氟金云母的含量為3 10%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任意一項(xiàng)所述的復(fù)合絕緣材料，其特征在于，所述尼龍為尼龍 1010。
5.一種制備權(quán)利要求1 4中任意一項(xiàng)所述復(fù)合絕緣材料的工藝，包括將尼龍粉末、納米二氧化鈦粉末和氟金云母粉干燥、混合、濕法球磨，然后干燥，制得混合粉末，將混合粉末放入磨具中壓制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的工藝，其特征在于，所述混合粉末中各組分的含量為尼龍 60 90wt %，納米二氧化鈦不超過(guò)30 %，氟金云母粉不超過(guò)10 %。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的工藝，其特征在于，所述混合粉末中各組分的含量為尼龍65 80wt %，納米二氧化鈦10 30 %，氟金云母粉3 10 %。
8.根據(jù)權(quán)利要求5 7中任意一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述尼龍為尼龍1010。
9.根據(jù)權(quán)利要求5 8中任意一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述壓制溫度為220 240°C，壓制壓力為3 5MPa。
10.根據(jù)權(quán)利要求5 9中任意一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述混合粉末制備用溶劑為乙醇。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種復(fù)合絕緣材料，尼龍為基體，納米二氧化鈦和氟金云母為摻雜相。尼龍的含量為60～90wt％，納米二氧化鈦的含量不超過(guò)30wt％，氟金云母的含量不超過(guò)10wt％。優(yōu)選地，尼龍的含量為65～80wt％，納米二氧化鈦的含量為10～30％，氟金云母的含量為3～10％。所述復(fù)合絕緣材料具有高真空閃絡(luò)電壓、低表面二次電子發(fā)射系數(shù)、低介電常數(shù)、良好的耐候性。本發(fā)明還提供了上述復(fù)合絕緣材料的制備方法。
文檔編號(hào)C08K3/34GK102153858SQ201110123178
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月12日
發(fā)明者凌云漢, 白亞奎, 白新德 申請(qǐng)人:清華大學(xué)