具有自适应均匀电场作用的非线性复合材料的制备方法

摘要

本发明涉及一种具有自适应均匀电场作用的非线性复合材料的制备方法，属于电工材料技术领域。以氧化锌、氧化铋、氧化锰、氧化钴、氧化铬、氧化锑和氧化铝为原料，按比例称量后混合，将酒精加入到混合原料中，用纯氧化硅制成的研磨球进行研磨，将球磨后的浆料干燥，粉碎；在甲基乙烯基硅胶中加入硫化剂，用四氢呋喃溶解，得到混合溶液，使混合溶液与氧化锌压敏粉体混合，将混合物放入热压成型，得到具有自适应均匀电场作用的非线性复合材料。本发明制备的非线性复合材料，应用到存在强不均匀电场的高压输变电系统绝缘部件中，有效降低电场强度的作用；在低电场强度区域，能够保持良好的绝缘特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有自适应均匀电场作用的非线性复合材料的制备方法，属于电工材 料技术领域。

背景技术

在高压、超高压乃至特高压交直流输变电系统(简称为高压输变电系统)中，绝缘是 最为关键的核心问题之一，系统电压等级越高，绝缘问题的重要性和困难度均越加显著。 高压输变电系统中的绝缘设备或部件，其自身所承受的电压分布往往极不均匀，例如输电 电缆终端的绝缘部分、各种绝缘子的高压端部分等等，所承受的电场强度要远远超出整体 电场强度的平均值，甚至达到平均值的数倍，由此带来了一系列不利的影响。首先，绝缘 材料沿面的气体放电是电力系统事故的主要原因之一，沿面放电现象和介质分界面上的电 压分布均匀程度有很大的关系。在相同外加电压作用下，介质分界面上的电压分布越不均 匀，相应的电场强度峰值就越大，绝缘间隙就越容易发生沿面闪络。为了满足高压输变电 系统绝缘安全裕度的要求，单位绝缘间隙距离的击穿电压越低，所需的整体绝缘间隙距离 就越大，相应的制造建设成本和困难都会更高。另一方面，对于目前高压输变电系统中广 泛采用的有机聚合物类电介质材料(硅橡胶、聚氯乙烯、环氧树脂，等等)，存在着材料 老化的问题。普遍而言，由于绝缘设备或部件自身承受电压分布的不均匀性，电场强度较 大部位的电介质材料，其老化速度往往更快，程度也更为严重(包括局部放电等现象导致 的结果)，由此对系统的长期安全稳定运行带来更大的威胁。

在高压输变电系统的实际工程应用中，为了改善绝缘设备或部件整体电压分布的均匀 程度，缓和局部的高电场强度，已经试验并采用了诸多的技术手段，包括：改变电极形状、 在绝缘介质内嵌入金属起到内屏蔽作用、在绝缘介质内部加多层平行电容极板、在绝缘介 质表面或外围布置均压环作为中间电极、安装并联的均压电容，等等。这些措施对于缓和 绝缘设备或部件局部的高电场强度具有一定效果，但也具有比较明显的局限性：附加的均 压元件大大增大了设备制造的复杂度和困难度，而均压效果往往并不能达到比较理想的程 度。与均压元件的效果相比，并联(或内嵌)均压电容往往能够更好地改善绝缘设备或部 件整体电压分布的均匀程度，但是并联均压电容方案在设计上更加困难，同时引入的高压 电容器存在容易发生击穿事故的安全隐患，并且在很多场合无法使用并联均压电容的措 施。

如果能够通过改变绝缘介质材料自身的性能，使其具备一定的电容特性，从而将拟安 装的集中式并联均压电容转化为内嵌于绝缘介质中的分布式微电容，起到同样的改善绝缘 设备或部件整体电压分布均匀程度的效果，那么高压输变电系统实际工程应用中的各种绝 缘设备或部件极有可能出现创新性的改进：电压分布均匀程度更好，结构更加简单、尺寸 重量更小，相应的制造建设成本和难度降低，而安全可靠性更高。上述技术方案存在的最 大困难在于：由于绝缘设备或部件整体电压分布的不均匀性，因此承受不同电场强度的绝 缘介质，需要内嵌不同容量的分布式微电容，才能实现较为理想的整体均压效果；而实际 工程应用中各种绝缘设备或部件的情况千差万别，要针对性地设计绝缘介质内嵌分布式微 电容的合适容量，并制备出相应的绝缘介质材料，无疑会使该项技术方案实现起来更加困 难、成本更加高昂。如果能够使绝缘介质内嵌的分布式微电容容量具有电压自适应的效果， 即绝缘介质所处的电场强度越大，内嵌的分布式微电容容量也越大，那么上述技术方案面 临的最大困难就可以得到完满解决。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有自适应均匀电场作用的非线性复合材料的制备方法，以 解决已有技术中高压输变电系统绝缘设备或部件电压分布不均匀的难题，抑制绝缘介质局 部高电场强度的作用，实现对其电场分布均匀性的有效控制。

本发明提出的具有自适应均匀电场作用的非线性复合材料的制备方法，包括以下步 骤：

(1)制备具有压敏特性的氧化锌粉体：

(a)按以下摩尔百分比称量原料：

氧化锌    96.05mol％，

氧化铋    0.7mol％，

氧化锰    0.5mol％， 

氧化钴    1mol％，

氧化铬    0.5mol％，

氧化锑    1.0mol％，

氧化铝    0.25mol％。

(b)将上述称量的原料混合，取混合原料总重量1.5～2倍的酒精，加入到混合原料中， 作为弥散剂，用纯氧化硅制成的研磨球进行研磨，球磨机转速设置为180～220转/分钟，球 磨6～10小时；

(c)将球磨后的浆料置于干燥箱中进行干燥，干燥温度为100℃～140℃，干燥时间 22～26小时，将干燥后的块状料粉碎后，过220目筛，得到氧化锌压敏粉体；

(d)对氧化锌压敏粉体进行烧结，具体温度和控制时间如下：

从室温至1000℃，升温时间5小时；

保持1000℃，保温时间10小时；

从1000℃至室温，随炉冷却；

(e)对上述烧成的氧化锌压敏粉体进行粉碎，过220目筛；

(2)在分子量为50～60万的甲基乙烯基硅胶中加入占甲基乙烯基硅胶重量百分比为 0.8％的硫化剂，用四氢呋喃溶解，得到混合溶液，使混合溶液与上述氧化锌压敏粉体混合， 氧化锌压敏粉体与甲基乙烯基硅胶的体积比为：氧化锌压敏粉体∶硅胶＝0.2～0.6∶1，在 50℃～60℃下搅拌1～2小时，在50℃～60℃烘干4～5小时，使四氢呋喃完全挥发，得到 混合物；

(3)将上述混合物放入热压模具中，在170℃、15Mpa下热压成型，得到具有自适应 均匀电场作用的非线性复合材料。

本发明提出的具有自适应均匀电场作用的非线性复合材料的制备方法，其优点是，将 具有非线性介电性能的ZnO粉体填充到硅橡胶原料中，相当于在绝缘电介质材料内部嵌入 了大量分布式、自适应的微电容，制备得到可自适应不均匀电场的硅橡胶基绝缘复合材料。 将该材料应用到存在强不均匀电场的高压输变电系统绝缘部件中，在高电场强度区域，该 材料呈现大电容的特性，能够起到有效降低电场强度的作用；在低电场强度区域，该材料 呈现小电容、高电阻的特性，使得绝缘部件整体电场强度变得比较均匀的同时，仍然能够 保持良好的绝缘特性。该复合材料的应用，能够有效解决当前面临的高压输变电系统绝缘 部件承受不均匀电场的难题。

具体实施方式

本发明提出的具有自适应均匀电场作用的非线性复合材料的制备方法，包括以下步 骤：

(1)制备具有压敏特性的氧化锌粉体：

(a)按以下摩尔百分比称量原料：

氧化锌    96.05mol％，

氧化铋    0.7mol％，

氧化锰    0.5mol％， 

氧化钴    1mol％，

氧化铬    0.5mol％，

氧化锑    1.0mol％，

氧化铝    0.25mol％。

在传统避雷器阀片用ZnO压敏电阻原料配方的基础上，本发明提出的原料配方对各种 掺杂物的含量进行了针对性的优化，使得制备的ZnO粉体具有更好的非线性介电性能，更 适用于作为非线性硅橡胶基绝缘复合材料的填充料。

(b)将上述称量的原料混合，取混合原料总重量1.5～2倍的酒精，加入到混合原料中， 作为弥散剂，用纯氧化硅(99％以上的SiO₂)制成的研磨球进行研磨，球磨机转速设置为 180～220转/分钟，球磨6～10小时；

(c)将球磨后的浆料置于干燥箱中进行干燥，干燥温度为100℃～140℃，干燥时间 22～26小时，将干燥后的块状料粉碎后，过220目筛，得到氧化锌压敏粉体；

(d)对氧化锌压敏粉体进行烧结，具体温度和控制时间如下：

从室温至1000℃，升温时间5小时；

保持1000℃，保温时间10小时；

从1000℃至室温，随炉冷却；

(e)对上述烧成的氧化锌压敏粉体进行粉碎，过220目筛；

(2)在分子量为50～60万的甲基乙烯基硅胶中加入占甲基乙烯基硅胶重量百分比为 0.8％的硫化剂，用四氢呋喃溶解，得到混合溶液，使混合溶液与上述氧化锌压敏粉体混合， 氧化锌压敏粉体与甲基乙烯基硅胶的体积比为：氧化锌压敏粉体∶硅胶＝0.2～0.6∶1，在 50℃～60℃下搅拌1～2小时，在50℃～60℃烘干4～5小时，使四氢呋喃完全挥发，得到 混合物；

(3)将上述混合物放入热压模具中，在170℃、15Mpa下热压成型，得到具有自适应 均匀电场作用的非线性复合材料。

本发明制备的自适应均匀电场作用的非线性复合材料，具备显著的非线性介电特性： 在无外加偏压时材料介电常数与硅橡胶接近；随着偏置电压升高，材料介电常数缓慢增长； 当外加偏压超过临界阈值后，材料介电常数呈现指数量级快速增长的趋势。通过调整掺杂 压敏ZnO粉体的性能、比例，可以改变非线性硅橡胶基绝缘复合材料介电特性的变化规律， 使其满足不同应用场合的需要。将试验制备的非线性硅橡胶基绝缘复合材料置于强不均匀 电场中，能够显著改变原有电场的分布状况，使空间整体电场强度变得比较均匀。

以下介绍本发明方法的一个实施例。

(1)具有ZnO压敏粉体的制备

a原料配制：

(1)制备具有压敏特性的氧化锌粉体：

(a)按以下摩尔百分比称量原料：

氧化锌    96.05mol％，

氧化铋    0.7mol％，

氧化锰    0.5mol％， 

氧化钴    1mol％，

氧化铬    0.5mol％，

氧化锑    1.0mol％，

氧化铝    0.25mol％。

(b)将上述称量的原料混合，取混合原料总重量1.5～2倍的酒精，加入到混合原料中， 作为弥散剂，用纯氧化硅制成的研磨球进行研磨，球磨机转速设置为180～220转/分钟，球 磨6～10小时；

(c)将球磨后的浆料置于干燥箱中进行干燥，干燥温度为100℃～140℃，干燥时间 22～26小时，将干燥后的块状料粉碎后，过220目筛，得到氧化锌压敏粉体；

(d)对氧化锌压敏粉体进行烧结，具体温度和控制时间如下：

从室温至1000℃，升温时间5小时；

保持1000℃，保温时间10小时；

从1000℃至室温，随炉冷却；

(e)对上述烧成的氧化锌压敏粉体进行粉碎，过220目筛；

(2)在分子量为50～60万的甲基乙烯基硅胶中加入占甲基乙烯基硅胶重量百分比为 0.8％的硫化剂，用四氢呋喃溶解，得到混合溶液，使混合溶液与上述氧化锌压敏粉体混合， 氧化锌压敏粉体与甲基乙烯基硅胶的体积比为：氧化锌压敏粉体∶硅胶＝0.2～0.6∶1，在 50℃～60℃下搅拌1～2小时，在50℃～60℃烘干4～5小时，使四氢呋喃完全挥发，得到 混合物；

(3)将上述混合物放入热压模具中，在170℃、15Mpa下热压成型，得到具有自适应 均匀电场作用的非线性复合材料。

对试验制备得到的非线性硅橡胶基绝缘复合材料进行相关性能测试，材料呈现显著的 非线性介电特性：在0V/mm外加偏压下材料介电常数为10，与硅橡胶接近(硅橡胶为4.4)； 随着偏置电压升高，材料介电常数缓慢增长，到600V/mm偏压时，介电常数为20；当外 加偏压超过600V/m后，材料介电常数呈现指数量级快速增长的趋势，在800V/mm偏压下 材料介电常数为50，1000V/mm偏压下材料介电常数达到100，1300V/mm偏压下材料介 电常数达到250，1600V/mm偏压下材料介电常数达到600。

试验制备的硅橡胶基绝缘复合材料的非线性介电特性变化规律与内部掺杂的压敏ZnO 粉体的性能、比例密切关系。通过调整掺杂压敏ZnO粉体的性能、比例，可以改变非线性 硅橡胶基绝缘复合材料介电特性的变化规律，使其满足不同应用场合的需要。将试验制备 的非线性硅橡胶基绝缘复合材料置于强不均匀电场中，能够显著改变原有电场的分布状 况，使空间整体电场强度变得比较均匀。