本發(fā)明涉及電工材料技術領域，特別是涉及一種鈦酸銅鈣(ccto)摻雜的非線性硅橡膠復合材料及其制備方法。
背景技術：
在高壓輸變電系統(tǒng)中，絕緣是決定系統(tǒng)長期安全可靠運行的最關鍵問題，隨著系統(tǒng)電壓等級的升高，絕緣問題的重要性和困難程度越加凸顯。特別是在高壓輸變電系統(tǒng)不均勻電場環(huán)境下工作的絕緣設備或部件，例如輸電電纜終端、連接處的絕緣部分，特高壓直流換流站變壓器絕緣套管和各種絕緣子的高壓端部分等等，所承受的電場強度要遠遠高出設備整體電場強度的平均值，甚至達到平均值的數(shù)倍，由此會給絕緣材料一系列不利的影響。首先，絕緣材料沿面的氣體放電是電力系統(tǒng)事故的主要原因之一，沿面放電現(xiàn)象和介質分界面上的電壓分布均勻程度有很大的關系。在相同的外加電場下，介質分界面上的電壓分布越不均勻，相應的電場強度峰值就越大，絕緣間隙就越容易發(fā)生沿面閃絡。為了滿足高壓輸變電系統(tǒng)絕緣安全裕度的要求，單位絕緣間隙距離的擊穿電壓越低，所需的整體絕緣間隙距離就絕大，相應的制造建設成本和困難就越高。另一方面，對于目前，高壓輸變線路系統(tǒng)中廣泛采用的有機聚合物電介質材料，其老化速度往往更快，程度也更嚴重(包括局部放電等現(xiàn)象導致的結果)，由此對電力系統(tǒng)的長期安全可靠運行帶來更大的威脅。
在高壓輸變線路系統(tǒng)的實際工程應用中，為了改善絕緣設備或部件整體電壓分布的均勻程度，緩和局部的高電場強度，已經試驗并采用了諸多的技術手段，包括：改變電極形狀、在絕緣介質內嵌入了金屬起到內屏蔽作用、在絕緣介質內部加多層平行電容極板、在絕緣介質表面或外圍布置均壓環(huán)作為中間點電極、安裝并聯(lián)的均壓電容，等等。這些措施對于緩和絕緣設備或部件局部的高壓電場強度具有一定效果，但也具有比較明顯的局限性；附加的均壓元件大大增加了設備制造的復雜度和困難度，而均壓效果往往并不能達到比較理想的程度。與均壓元件的效果相比，但是并聯(lián)(或內嵌)均壓電容方案往往能夠更好的改善絕緣設備或部件整體電壓分布的均壓程度，但是并聯(lián)均壓電容方案在設計上更加困難，同時引入高壓電容器存在容易發(fā)生擊穿事故的安全隱患，并且在很多場合無法使用并聯(lián)均壓電容的措施。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種鈦酸銅鈣摻雜的非線性硅橡膠復合材料及其制備方法，以解決高壓輸變電系統(tǒng)中絕緣設備或部件電場分布不均勻的難題，抑制局部高電場強度的作用，緩解絕緣介質在高電場畸變環(huán)境下絕緣加速老化的問題，實現(xiàn)對電場分布均勻性的有效控制。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：
一種鈦酸銅鈣摻雜的非線性硅橡膠復合材料，包括硅橡膠基體材料和摻雜在所述硅橡膠基體材料中的cacu3ti4o12粉體。
進一步地：
制作所述硅橡膠基體材料的生膠與所述cacu3ti4o12粉體的重量比為100：30-40。
一種鈦酸銅鈣摻雜的非線性硅橡膠復合材料的制備方法，在硅橡膠原料中加入cacu3ti4o12粉體，進行充分混煉，將混合物放入熱壓模具中熱壓成型，得到具有雙重非線性電學性能的硅橡膠復合材料。
進一步地：
所述cacu3ti4o12粉體為粒徑100～300nm的粉體，優(yōu)選粒徑200nm的粉體。
以生膠、白炭黑、硅氮烷、硬脂酸鋅為原料，按適當比例混合；在高溫真空環(huán)境下充分攪拌混煉后，在混煉膠中加入適量的氫氧化鋁、乙烯基三乙氧基硅烷和滑石粉，繼續(xù)攪拌；將攪拌均勻的混合物和適量的cacu3ti4o12粉體加入開煉機進行充分混煉，將混合物放入熱壓模具中熱壓成型，得到具有雙重非線性電學性能的硅橡膠復合材料。
所述生膠包含甲基乙烯基硅橡膠和乙烯基硅油。
所述生膠與所述cacu3ti4o12粉體的重量比為100：30-40。
按重量計100份的生膠，白炭黑的添加量為35份，硅氮烷的添加量為5份，硬脂酸鋅的添加量為0.4份。
以所述混煉膠的重量計加入氫氧化鋁80％，滑石粉10％，而乙烯基三乙氧基硅烷的添加量為所述cacu3ti4o12粉體的重量的0.2％。
一種非線性硅橡膠復合材料，是采用所述的制備方法得到的非線性硅橡膠復合材料。
本發(fā)明的有益效果：
本發(fā)明提出的以納米鈦酸銅鈣粉體為填料的具有雙重非線性電學性能的硅橡膠復合材料及其制備方法，其優(yōu)點是，將具有非線性介電性能的ccto粉體填充到硅橡膠基體中去，相當于在絕緣介質內部嵌入了大量分布式、自適應微電容，從而使得材料具備不均勻電場的自適應特性。材料在低電場強度下能保持近似未摻雜硅橡膠的電學性能，同時可以保持較低的介電損耗；在中高電場環(huán)境下，相比未摻雜填料的硅橡膠復合材料，ccto粉體填料摻雜的硅橡膠復合材料而在可以展現(xiàn)較高的電導率和較高的介電常數(shù)；這說明在高電場強度區(qū)域，該材料呈現(xiàn)大電容、低電阻的特性，能夠起到有效降低電場強度的作用；在低電場強度區(qū)域，該材料呈現(xiàn)小電容、高電阻、低損耗的特性，能夠使絕緣部件整體電場分布變得比較均勻的同時，仍然能保持良好的絕緣特性。將該材料應用到存在不均勻電場分布的高壓輸變電系統(tǒng)設備絕緣部件中，能有效起到均勻電場以及疏散空間電荷的作用。
具體實施方式
以下對本發(fā)明的實施方式作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如果能改變絕緣介質材料自身的性能，使其具備一定的電容特性，從而將擬安裝的集中式并聯(lián)均壓電容轉化為內嵌于絕緣介質中的分布式微電容，起到同樣的改善絕緣設備或部件整體電壓分布均壓程度的效果，那么高壓輸變電系統(tǒng)實際工程應用中的各種絕緣設備或部件極有可能出現(xiàn)創(chuàng)新性的改進；電壓分布均壓程度更好，程度更加簡單、尺寸重量更??；相應的制造建設成本和難度降低，而安全可靠性更高。上述方案存在的最大困難在于：由于絕緣設備或部件的整體電壓分布的不均勻性，因此承受不同電場強度的絕緣介質，需要內嵌不同容量的分布式微電容，才能實現(xiàn)較為理想的整體均壓效果；而實際工程應用中各絕緣設備或部件的情況千差萬別，要針對性地設計絕緣介質內分布式微電容的合適容量，并制備出相應的絕緣介質材料，無疑會使該技術方案實現(xiàn)起來更加困難、成本更加高昂。如果能使絕緣介質內嵌的分布式微電容容量具有電壓自適應效果，即絕緣介質所處的電場強度越大，內嵌的分布式微電容容量也越大，那么上述技術方案面臨的最大困難就可以得到圓滿解決。
為此，發(fā)明人研究后提出一種鈦酸銅鈣摻雜的具有雙重非線性電學性能的硅橡膠復合材料及其制備方法。
在本發(fā)明的一種實施例中，一種鈦酸銅鈣摻雜的非線性硅橡膠復合材料，包括硅橡膠基體材料和摻雜在所述硅橡膠基體材料中的cacu3ti4o12粉體。
在優(yōu)選的實施例中，制作所述硅橡膠基體材料的生膠與所述cacu3ti4o12粉體的重量比為100：30-40。
在另一種實施例中，一種鈦酸銅鈣摻雜的非線性硅橡膠復合材料的制備方法，在硅橡膠原料中加入cacu3ti4o12粉體，進行充分混煉，將混合物放入熱壓模具中熱壓成型，得到具有雙重非線性電學性能的硅橡膠復合材料。
在優(yōu)選的實施例中，所述cacu3ti4o12粉體為粒徑100～300nm的粉體，更優(yōu)選粒徑200nm的粉體。
在優(yōu)選的實施例中，以生膠、白炭黑、硅氮烷、硬脂酸鋅為原料，按適當比例混合；在高溫真空環(huán)境下充分攪拌混煉后，在混煉膠中加入適量的氫氧化鋁、乙烯基三乙氧基硅烷(kh-151)和滑石粉，繼續(xù)攪拌；將攪拌均勻的混合物和適量的cacu3ti4o12粉體加入開煉機進行充分混煉，將混合物放入熱壓模具中熱壓成型，得到具有雙重非線性電學性能的硅橡膠復合材料。
在更優(yōu)選的實施例中，所述生膠包含甲基乙烯基硅橡膠(如110甲基乙烯基硅橡膠)和乙烯基硅油。
在優(yōu)選的實施例中，所述生膠與所述cacu3ti4o12粉體的重量比為100：30-40。
在更優(yōu)選的實施例中，按重量計100份的生膠，白炭黑的添加量為35份，硅氮烷的添加量為5份，硬脂酸鋅的添加量為0.4份。
在更優(yōu)選的實施例中，以所述混煉膠的重量計加入氫氧化鋁80％，滑石粉10％，而乙烯基三乙氧基硅烷的添加量為所述cacu3ti4o12粉體的重量的0.2％。
在又一種實施例中，一種非線性硅橡膠復合材料，是采用上述任一實施例的制備方法得到的非線性硅橡膠復合材料。
本發(fā)明制備的非線性硅橡膠復合材料，適用于極不均勻電場環(huán)境下工作的絕緣部件，對電場環(huán)境具有良好的自適應性，能有效均化電場，抑制局部放電，緩解絕緣介質老化；在低電場強度區(qū)域，材料能保持良好的絕緣特性。
以下通過實例對本發(fā)明實施例的特征進行具體說明。
一種鈦酸銅鈣摻雜的非線性硅橡膠復合材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)制取生膠100份；以2kg為例，取110甲基乙烯基硅橡膠(分子量60萬，乙烯基含量0.03％)1940g，乙烯基硅油(含量12.0％，粘度4000mpa·s)60g。
(2)白炭黑35份，硅氮烷5份，水2份，硬脂酸鋅0.4份；
在生膠中加入硬脂酸鋅8g，硅氮烷100g，用40g水水解，分多次加入總計700g白炭黑，在捏合機中攪拌1個小時。
(3)設定溫度180℃，待溫度上升到90℃左右時，開始抽真空。在180℃下攪拌1小時。
(4)將混煉膠取出捏合機，冷卻，稱重。
(5)以混煉膠的重量計，氫氧化鋁80％，滑石粉10％，乙烯基三乙氧基硅烷(kh-151)為所加填料的0.2％；取乙烯基三乙氧基硅烷5.2g，加入到2080g氫氧化鋁中，攪拌后，分多次加入捏合機中攪拌，再將260g滑石粉加入，待混合均勻后，再攪拌1小時。
(6)加熱開放式混煉機的前后軸，當溫度分別升到125℃、115℃時將混煉機調到保溫狀態(tài)。
(7)用電子天平稱量出一定量的ccto(cacu3ti4o12，200nm)納米粉體作為填料添加入開煉機中，添加的量以生膠的重量計，即phr(perhundredrubber)，添加量為30-40。為了使無機填料盡量在聚合物中均勻分布，共混時間為30min。
(8)將充分開煉后得到的混合物放入熱壓模具中，為了使壓出的試樣中沒有氣泡，壓板的壓力采取逐漸增大的方式，升至15mpa，170℃后保持溫度及壓力不變，5分鐘后，保持壓力不變，逐漸降低壓板溫度到50℃，冷卻速度為2℃/min，之后去除壓力，取出試樣，得到具有雙重非線性電學性能硅橡膠復合材料。
本發(fā)明制備的ccto粉體填料摻雜的硅橡膠復合材料，具備明顯的非線性介電和電導性能，在無外加偏壓時材料的介電常數(shù)、介電損耗和電導率與未摻雜硅橡膠相近，介電常數(shù)和電導率略高于硅橡膠，介電損耗略低于硅橡膠；隨著偏置電壓的升高，材料的介電和電導特性在一定范圍內保持近似不變；在電場強度超過某一閾值(具體數(shù)值由摻雜量決定)時，材料介電常數(shù)和電導率呈現(xiàn)快速增長趨勢，呈現(xiàn)非線性的介電性能和電導性能。通過調節(jié)摻雜ccto粉體的性能、摻雜比例，可以改變雙非線性硅橡膠復合材料介電和電導特性的變化規(guī)律，使其符合不同實際工況下的需要。將該材料應用到存在不均勻電場分布的高壓輸變電系統(tǒng)設備絕緣部件中，能有效起到均勻電場以及疏散空間電荷的作用。
對實驗制備的雙非線性硅橡膠絕緣復合材料進行相關性能測試，材料呈現(xiàn)顯著的非線性介電和電導特性；在0v/m外加偏壓下材料介電常數(shù)為4.65，與未摻雜填料的硅橡膠試片接近(硅橡膠為4.54)；隨著偏置電壓升高，材料介電特性近似保持不變，與硅橡膠介電特性相似，到8.6×105v/m偏壓時，材料介電常數(shù)隨場強升高而快速升高，到4×106v/m偏壓時，介電常數(shù)達到4.86。相似的，在e<8.6×105v/m時，電導率保持在10-13數(shù)量級，e>8.6×105v/m時電導率開始隨外加場強升高快速升高，呈現(xiàn)非線性電導特性，到e＝2.15×106v/m時電導率達到1011一共上升2個數(shù)量級。
實驗制備的硅橡膠基絕緣復合材料的非線性介電特性變化規(guī)律與內部摻雜的ccto粉體填料的性能、摻雜比例密切相關。可以改變雙非線性硅橡膠復合材料介電和電導特性的變化規(guī)律，使其符合不同實際工況下的需要。將該材料應用到存在不均勻電場分布的高壓輸變電系統(tǒng)設備絕緣部件中，能有效起到均勻電場以及疏散空間電荷的作用。
以上內容是結合具體/優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。