本發(fā)明涉及一種含有低緯度結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料的高壓電機用高阻防電暈帶及其制備方法。

背景技術(shù)：

在高壓電機槽內(nèi)的定子線圈的低電阻防暈層末端至線圈絕緣內(nèi)的銅芯導(dǎo)桿的終端之間有高電壓差，使低組段末端處的電場集中，即電位陡變，從而產(chǎn)生電暈。

高壓電機用中阻、中高阻和高阻防電暈材料表面的電阻率不穩(wěn)定，致使端部防暈層經(jīng)常產(chǎn)生放電、閃絡(luò)等現(xiàn)象；電機定子安裝后，電機定子繞組產(chǎn)生電暈電壓(起暈電壓)低，易造成防暈層沿面的擊穿，有閃絡(luò)、爬電、冒煙等問題。目前國內(nèi)的高壓電機(額定電壓6.3kV-27kV)定子線圈普遍采用的防暈帶是玻璃絲浸漬含有碳化硅的高阻漆。

如中國專利CN1929250A公開了一種高壓電機中高阻防暈帶的制備方法，通過以下步驟制備：一、采用無堿玻璃絲編織帶或聚酯無紡布帶；二、采用單一或混合的環(huán)氧、酚醛或聚酯樹脂、甲苯、酒精和丙酮配制成母液，再向母液中添加碳化硅、石墨或炭黑、三氧化二鐵、無機懸浮劑和植物油調(diào)整劑，攪拌成均勻液體；三、將無堿玻璃絲編織帶或聚酯無紡布帶，放入裝有配制好液體的槽內(nèi)浸漬均勻；四、將浸漬液體的帶子通過間隙輥，再勻速通過烘干爐干燥固化，制成中高阻防暈帶，對該防暈帶進行性能測試，其單只線圈端部起暈電壓≥3.0Un；單只線圈端部在空氣中閃絡(luò)電壓≥6.5Un，最高閃絡(luò)電壓達到180kV以上；單只線圈在工頻交流4.0Un電壓下，通過持續(xù)1分鐘工頻交流耐電壓試驗；繞組(整機)起暈電壓≥1.2Un。將上述防暈帶用于高壓電機，電機定子安裝后，電機定子繞組產(chǎn)生電暈電壓(起暈電壓)低，易造成防暈層沿面的擊穿，影響電機的運轉(zhuǎn)。

上述制備方法采用的濕法涂布技術(shù)，該技術(shù)存在以下不足：變化涂布量及調(diào)整成本高，可調(diào)整機構(gòu)少，涂布量不能夠精確均勻分布，溶劑型涂布液清洗較困難，特別是清洗高精度供料系統(tǒng)管路和調(diào)縫涂布腔體，可操作性差，對涂布環(huán)境潔凈度要求高，不夠環(huán)保等缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種改進的高阻防電暈帶及其制備方法和應(yīng)用。

為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種高阻防電暈帶，包括基材，所述高阻防電暈帶還包括涂覆在所述基材表面上的ZnO納米材料涂層。

優(yōu)選地，所述ZnO納米材料涂層的厚度為100～200nm。

優(yōu)選地，所述涂覆采用熱噴涂技術(shù)涂覆。

更優(yōu)選地，所述ZnO納米材料涂層是采用熱噴涂槍將熔化或半熔化狀的ZnO納米材料噴涂在所述基材表面形成。

優(yōu)選地，所述ZnO納米材料的平均粒徑為100～200nm。更優(yōu)選地，所述ZnO納米材料的平均粒徑為100nm。

優(yōu)選地，所述ZnO納米材料采用均相沉淀法制備。

優(yōu)選地，所述基材包括無堿玻璃絲編織帶、聚酯無紡布帶或滌綸玻璃絲帶。

本發(fā)明采取另一技術(shù)方案是：

一種上述高阻防電暈帶的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

(1)將ZnO納米材料加熱成熔化或半熔化狀態(tài)，然后使用熱噴涂槍將熔化或半熔化狀態(tài)的ZnO納米材料噴涂至基材表面形成ZnO納米材料涂層，所述ZnO納米材料涂層的厚度為5～200nm；

(2)將涂覆有所述ZnO納米材料涂層的基材冷卻，即得表面電阻率為3MΩ～500000MΩ、非線性系數(shù)β為0.20～1.50的高阻防電暈帶。

優(yōu)選地，所述高阻防電暈帶的制備方法還包括ZnO納米材料的制備，通過以下步驟制備：將Zn(NO₃)₂加入NaOH溶液中，加熱至100℃～120℃，攪拌反應(yīng)，反應(yīng)出現(xiàn)沉淀，待沉淀完全，加熱至300℃～400℃進行熱分解反應(yīng)，反應(yīng)2～4h后冷卻，調(diào)節(jié)pH為6.5～7.5，過濾，水洗，干燥即得所述ZnO納米材料，其中，所述Zn(NO₃)₂和NaOH的質(zhì)量比為1:0.7～1.2。

更優(yōu)選地，所述Zn(NO₃)₂和NaOH的質(zhì)量比為1:1。

更優(yōu)選地，所述NaOH溶液的濃度為0.7～1.2mol/L。更進一步優(yōu)選地，所述NaOH溶液的濃度為1.0mol/L。

更優(yōu)選地，所述攪拌的攪拌速度為300～500rpm。

優(yōu)選地，步驟(2)中，所述冷卻采用以5m/min～40m/min的速度勻速進入冷卻爐內(nèi)冷卻，冷卻后的高阻防電暈帶勻速收卷。

更優(yōu)選地，所述冷卻爐為立式或臥式冷卻爐，其長度為3m～10m。

本發(fā)明采取的又一技術(shù)方案是：上述高阻防電暈帶在高壓電機中的應(yīng)用。

由于上述技術(shù)方案的實施，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：

本發(fā)明的高阻防電暈帶是在基材表面上使用熱噴涂技術(shù)涂覆ZnO納米材料制成，涂層厚度可控制在納米級范圍內(nèi)，達到了納米級厚度的低維度結(jié)構(gòu)的涂層的要求。相比現(xiàn)有的高阻防電暈帶，本發(fā)明的高阻防電暈帶大大減薄了高阻防電暈帶的厚度，使之更加服貼在線棒等各種形狀的物件表面上，配合低阻帶和絕緣層，可以組成一個完整的防暈結(jié)構(gòu)。也可以減薄主絕緣層厚度，提高起暈電壓數(shù)倍以上，延長絕緣結(jié)構(gòu)的壽命。減小對無線電通訊和電子設(shè)備的干擾。ZnO納米材料固化后在表面形成一個連續(xù)的量子線方向?qū)щ妼用?，其?yōu)點在于電子遷移率高、介電常數(shù)小，能引入深能級雜質(zhì)、電子有效質(zhì)量小，能帶結(jié)構(gòu)特殊等，能夠讓電子按照理想的路徑遷移，有效的解決了端部防暈層經(jīng)常產(chǎn)生放電、閃絡(luò)、爬電、冒煙等問題。并且具有適應(yīng)性強及經(jīng)濟效益好等優(yōu)點。

本發(fā)明的高阻防電暈帶采用熱噴涂技術(shù)制備，與現(xiàn)有的濕法涂布技術(shù)相比，能夠制成納米級厚度的低緯度結(jié)構(gòu)的涂層，而且基材材料不受限制，可以在各種基體材料上噴涂；噴涂過程中基體材料溫升小，不產(chǎn)生應(yīng)力和變形；操作工藝靈活方便，不受工件形狀限制。

本發(fā)明的高阻防電暈帶表面電阻率值穩(wěn)定，在高壓電機上應(yīng)用，各項指標(biāo)均達到或優(yōu)于國際先進水平：(1)單只線圈端部起暈電壓≥5.0Un(ICE標(biāo)準(zhǔn)≥1.5Un，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7894-2001≥1.5Un，德國Siemens≥2.0Un+1.0kV)。該指標(biāo)達到國內(nèi)外先進水平；(2)單只線圈端部在空氣中閃絡(luò)電壓≥12Un，最高閃絡(luò)電壓達到300kV以上，該指標(biāo)達到國內(nèi)外先進水平；(3)單只線圈在工頻交流6.0Un電壓下，通過持續(xù)1分鐘工頻交流耐電壓試驗(JB/T6204-2002要求2.75Un+6.5kV，持續(xù)1分鐘)；(4)電機定子繞組(整機)起暈電壓≥3.0Un(國標(biāo)GB/T-2001要求≥1.0Un)，使電機高效安全運行。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種含有低緯度結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的高阻防電暈帶，所述高阻防電暈帶包括基材及涂覆在基材表面的ZnO納米材料涂層。

現(xiàn)有技術(shù)中，制備該ZnO納米材料涂層使用的ZnO納米材料通常采用液相法制備，但本發(fā)明采用均相沉淀法制備低緯度結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料，即ZnO納米材料。

本發(fā)明中，ZnO納米材料涂層是采用熱噴涂技術(shù)將熔化或半熔化狀態(tài)的ZnO納米材料噴涂于基材表面。具體制備高阻防電暈帶時，基材二側(cè)表面均熱噴涂ZnO納米材料。

本發(fā)明中，ZnO納米材料涂層厚度可達納米級。

相對現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢：

1、電子在塊體材料里，在三個維度的方向上都可以自由運動。但當(dāng)材料的特征尺寸在一個維度上比電子的平均自由程相比更小的時候，電子在這個方向上的運動會受到限制，電子的能量不再是連續(xù)的，而是量子化的，電子只能沿著量子線方向自由運動，另外兩個方向上受到限制。無機納米顆粒因其所具有的體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面和界面效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)等而具有諸多特殊性能，因此，可以被廣泛應(yīng)用于電子電氣絕緣材料，用于提高其介電性能、耐電暈性能、耐熱性能和導(dǎo)熱性能等。

目前基于ZnO和SiC基的低維度材料已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟，每層的厚度都可以控制在零點幾個納米的精度，此類材料的引入，將大大地減薄高阻防電暈帶厚度，使之更加服貼在線棒等各種形狀的物件表面上，配合低阻帶和絕緣層，可以組成一個完整的防暈結(jié)構(gòu)。也可以減薄主絕緣層厚度，提高起暈電壓數(shù)倍以上，延長絕緣結(jié)構(gòu)的壽命。減小對無線電通訊和電子設(shè)備的干擾。因此本發(fā)明將引用了這種新型的低維度半導(dǎo)體材料作為涂覆于玻璃絲雙面的高阻漆，固化后在表面形成一個連續(xù)的量子線方向?qū)щ妼用?，其?yōu)點在于電子遷移率高、介電常數(shù)小，能引入深能級雜質(zhì)、電子有效質(zhì)量小，能帶結(jié)構(gòu)特殊等，能夠讓電子按照理想的路徑遷移，有效的解決了端部防暈層經(jīng)常產(chǎn)生放電、閃絡(luò)、爬電、冒煙等問題。并且具有適應(yīng)性強及經(jīng)濟效益好等優(yōu)點。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，低維度半導(dǎo)體材料比較普遍采用液相法來制得，液相法包括溶膠—凝膠法，微乳液法，噴霧熱解法，水熱法等等。與其他方法相比，液相法具有反應(yīng)條件溫和，易控制，制得的納米材料純度高等優(yōu)點。但是也存在種種缺點，大部分方法現(xiàn)僅停留于實驗階段，且成本較高，能耗大，真正能實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的很少，所以本發(fā)明使用了一種全新的均相沉淀法來制得相應(yīng)的納米材料。一般的沉淀過程是不平衡的，而均相沉淀法是利用某一化學(xué)反應(yīng)使溶液中的構(gòu)晶離子由溶液中緩慢均勻的釋放出來，通過控制溶液中的沉淀劑濃度，使溶液中的沉淀處于平衡狀態(tài)，且沉淀能在整個溶液中均勻地出現(xiàn)。通常加入的沉淀劑，不會立刻與被沉淀組分發(fā)生反應(yīng)，而是通過化學(xué)反應(yīng)使沉淀劑在整個溶液中緩慢生成，克服了由外部向溶液中加沉淀劑而造成沉淀劑的局部不均勻性，造成沉淀不能在整個溶液中均勻出現(xiàn)的缺點。因此均相沉淀法制得的納米粉體材料具有表面活性高，容易控制顆粒的尺寸和形狀，工業(yè)生產(chǎn)成本低，操作過程簡單，而且不需要煅燒處理便可制得相應(yīng)的納米材料。

3、現(xiàn)有階段大部分高阻防電暈帶的制作方法都是采用的濕法涂布技術(shù)，例如參照CN1929250A的具體實施例的制備方法，該技術(shù)存在以下不足：變化涂布量及調(diào)整成本高，可調(diào)整機構(gòu)少，涂布量不能夠精確均勻分布，溶劑型涂布液清洗較困難，特別是清洗高精度供料系統(tǒng)管路和調(diào)縫涂布腔體，可操作性差，對涂布環(huán)境潔凈度要求高，不夠環(huán)保等缺點，最關(guān)鍵的是傳統(tǒng)的濕法涂覆的涂層厚度通常只能保持在0.01～2mm范圍內(nèi)，遠遠達不到納米級厚度的低維度結(jié)構(gòu)的涂層的要求，因此傳統(tǒng)的方法不足滿足本發(fā)明的制備。

所以本發(fā)明的涂覆方式采用的是熱噴涂技術(shù)，該技術(shù)是指：細微而分散的低維度半導(dǎo)體涂層材料，以一種熔化或半熔化狀態(tài)，沉積到一種經(jīng)過處理的基體表面，形成某種噴涂沉積層。熱噴涂槍由燃料氣、電弧或等離子弧提供必需的熱量，將熱噴涂材料加熱到塑態(tài)或熔融態(tài)，再經(jīng)受壓縮空氣的加速，使受約束的顆粒束流沖擊到基體表面上。沖擊到表面的顆粒，因受沖壓而變形，形成牢固的覆蓋層，粘附在經(jīng)過處理的基體表面，隨之冷卻，最終形成一種納米級厚度的低維度結(jié)構(gòu)的涂層。

該技術(shù)與原有的濕法技術(shù)相比，除了保持了原有的優(yōu)勢外還解決了現(xiàn)有的濕法涂布技術(shù)的缺點，是故有如下優(yōu)點：基體材料不受限制，可操作性高，可以在各種基體材料上噴涂；變化涂布量及調(diào)整成本低，涂布量能夠根據(jù)需求精確均勻分布；不采用溶劑型涂布液，故不存在設(shè)備清洗困難的問題；噴涂過程中基體材料溫升小，不產(chǎn)生應(yīng)力和變形；操作工藝靈活方便，不受工件形狀限制；涂層厚度可以精確控制在100～200nm納米級范圍內(nèi)，達到了納米級厚度的低維度結(jié)構(gòu)的涂層的要求；適應(yīng)性強、經(jīng)濟效益好及環(huán)保等優(yōu)點。

下面通過具體實施例對本發(fā)明做進一步地說明。

實施例1

本實施例提供一種高壓電機用高阻防電暈帶，該防電暈帶通過以下步驟制備：

(1)基材材料放卷，采用0.10±0.02mm×25mm電工用無堿玻璃絲編織帶；

(2)采用均相沉淀法制備低維度結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料，即ZnO納米材料，其具體制備方法如下：將Zn(NO₃)₂放入濃度為1.0mol/L的NaOH溶液中加熱攪拌反應(yīng)，溫度控制在110℃反應(yīng)，攪拌速度控制在400rpm，反應(yīng)大概2h后出現(xiàn)沉淀，經(jīng)過4h沉淀完全，然后將溫度升溫至350℃進行熱分解反應(yīng)，反應(yīng)3h后停止加熱，冷卻，靜置。調(diào)節(jié)pH值、抽濾并反復(fù)水洗至中性，干燥，即得ZnO納米材料，其中，Zn(NO₃)₂與NaOH的質(zhì)量比為1:1。

反應(yīng)式如下：

Zn²⁺+2OH^-→Zn(OH)₂↓

Zn(OH)₂+2OH^-→Zn(OH)₄^2-

Zn(OH)₄^2-→ZnO↓+H₂O+2OH^-

(3)將步驟(2)所制得的ZnO納米材料加熱成熔化狀態(tài)，然后采用熱噴涂槍，再經(jīng)受壓縮空氣的加速后迅速沖擊到電工用無堿玻璃絲編織帶表面，這些納米顆粒因受沖壓而變形，形成牢固的覆蓋層，粘附在基材表面形成納米級厚度的ZnO納米材料涂層，涂層厚度控制在100nm納米級，其中，熱噴涂的工藝參數(shù)為噴槍距離基材5-10cm，噴射角度0-15°，噴槍移動速度為12-18cm/s，噴壓不低于0.4mpa。

(4)將涂覆均勻的無堿玻璃絲編織帶以20m/min的速度勻速進入冷卻爐內(nèi)冷卻，用無級調(diào)速電機勻速收卷，制成表面電阻率在3MΩ～500000MΩ、非線性系數(shù)β在0.20～1.50的高阻防電暈帶。

本實施例步驟(2)制備的ZnO納米材料的性能表征如下：根據(jù)投射電子顯微鏡的評估可判斷制備的ZnO納米材料的平均直徑在100nm，粒徑分散較好，形狀呈球形。

實施例2

本實施例提供一種高壓電機用高阻防電暈帶，該高阻防電暈帶通過以下步驟制備：

(1)基材材料放卷，采用0.10±0.02mm×25mm聚酯無紡布帶；

(2)將Zn(NO₃)₂放入濃度為2.0mol/L的NaOH溶液中加熱攪拌反應(yīng)，溫度控制在100℃反應(yīng)，攪拌速度控制在300rpm，反應(yīng)大概2h后出現(xiàn)沉淀，經(jīng)過4h沉淀完全，然后將溫度升溫至400℃進行熱分解反應(yīng)，反應(yīng)4h后停止加熱，冷卻，靜置。調(diào)節(jié)pH值、抽濾并反復(fù)水洗至中性，干燥，即得ZnO納米材料，其中，Zn(NO₃)₂與NaOH的質(zhì)量比為1:2。

(3)將步驟(2)所制得的ZnO納米材料加熱成半熔化狀態(tài)，然后采用熱噴涂槍將半熔化狀態(tài)的ZnO納米材料噴涂到聚酯無紡布帶表面，形成納米級厚度的ZnO納米材料涂層，涂層厚度控制在150nm納米級，其中，熱噴涂的工藝參數(shù)為噴槍距離基材5-10cm，噴射角度0-15°，噴槍移動速度為12-18cm/s，噴壓不低于0.4mpa。

(4)將涂覆均勻的聚酯無紡布帶以40m/min的速度勻速進入冷卻爐內(nèi)冷卻，用無級調(diào)速電機勻速收卷，制成表面電阻率在3MΩ～500000MΩ、非線性系數(shù)β在0.20～1.50的高阻防電暈帶。

本實施例步驟(2)制備的ZnO納米材料的性能表征如下：根據(jù)投射電子顯微鏡的評估可判斷制備的ZnO納米材料的平均直徑在150nm，粒徑分散較好但有少量團聚，形狀呈球形，少量柱狀。

實施例3

本實施例提供一種高壓電機用高阻防電暈帶，該防暈帶通過以下步驟制備：

(1)基材材料放卷，采用0.10±0.02mm×25mm電工用無堿玻璃絲編織帶；

(2)將Zn(NO₃)₂放入濃度為3.0mol/L的NaOH溶液中加熱攪拌反應(yīng)，溫度控制在120℃反應(yīng)，攪拌速度控制在300rpm之間，反應(yīng)大概1h后出現(xiàn)沉淀，經(jīng)過4h沉淀完全，然后將溫度升溫至300℃進行熱分解反應(yīng)，反應(yīng)3h后停止加熱，冷卻，靜置。調(diào)節(jié)pH值、抽濾并反復(fù)水洗至中性，干燥，即得ZnO納米材料，其中，Zn(NO₃)₂與NaOH的質(zhì)量比為1:3。

(3)將步驟(2)所制得的ZnO納米材料加熱成熔化，然后采用熱噴涂槍將熔化的ZnO納米材料噴涂到電工用無堿玻璃絲編織帶表面，形成納米級厚度的ZnO納米材料涂層，涂層厚度控制在200nm納米級，其中，熱噴涂的工藝參數(shù)為噴槍距離基材5-10cm，噴射角度0-15°，噴槍移動速度為12-18cm/s，噴壓不低于0.4mpa。

(4)將涂覆均勻的無堿玻璃絲編織帶以5m/min的速度勻速進入冷卻爐內(nèi)冷卻，勻速收卷，制成表面電阻率在3MΩ～500000MΩ、非線性系數(shù)β在0.20～1.50的高阻防電暈帶。

本實施例步驟(2)制備的ZnO納米材料的性能表征如下：根據(jù)投射電子顯微鏡的評估可判斷制備的ZnO納米材料的平均直徑在200nm，粒徑分散較好但有少量團聚，形狀呈球形，少量柱狀。

對比例1

本對比例參照CN1929250A具體實施方式二的方法和條件制備，具體制備方法如下：

(1)采用電工用無堿玻璃絲編織帶作為基材；

(2)按重量百分比由環(huán)氧、酚醛或聚酯樹脂為20％、甲苯、酒精和丙酮按重量百分比為80％的復(fù)合溶劑，甲苯、酒精和丙酮的比例1：1：1，配制成母液，再按占母液重量的百分比向母液中添加280～1000目不同電阻值的非線性綠色和/或灰色50％的碳化硅、10％的石墨、3％的三氧化二鐵、0.5％的無機懸浮劑和1.5％的植物油調(diào)整劑，攪拌成均勻液體；

(3)將基材浸漬與步驟(2)的液體中，然后依次經(jīng)間隙輥機、烘干爐，制成表面電阻率3MΩ～100000MΩ的高阻防電暈帶。

對比例2

按照CN106366861A實施例1的方法和條件制備得到防電暈帶。

對實施例1～3制備出的高阻防電暈帶及對比例1-2制備的高阻防電暈帶進行性能測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1

申請人聲明，本發(fā)明通過上述實施例來說明本發(fā)明的詳細方法，但本發(fā)明并不局限于上述詳細方法，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細方法才能實施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對本發(fā)明的任何改進，對本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護范圍和公開范圍之內(nèi)。