变介电常数－电阻率的复合有机绝缘结构及制备方法

摘要

本发明为了提高真空中绝缘介质沿面闪络电压，公开了一种变介电常数－电阻率的复合有机绝缘结构及制备方法，在聚乙烯基体两端面通过热压的方法平面联接有半导电料与聚乙烯的复合材料层。制备方法包括下述步骤：1)采用常规有机材料工艺制备聚乙烯基体；2)按质量百分比将聚乙烯料10～99％、半导电料1～90％配料，经混合、热压制成复合材料片；3)将半导电料－聚乙烯复合材料片与聚乙烯基体分别打磨平整后热压在一起，形成半导电料－聚乙烯+聚乙烯+半导电料－聚乙烯三层绝缘结构。本发明的这种绝缘结构其电阻率和介电常数均有明显的变化，可以显著的改善真空沿面闪络性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变介电常数-电阻率的复合材料绝缘结构及其制备方法。

背景技术

真空作为一种特殊的电介质，因其优良的介电特性而被广泛用于电气设备和电真空器件中，如真空开关、高强度X射线管、大功率微波管、高能粒子加速器和脉冲功率半导体开关等。但是由于真空中沿面闪络现象的存在，真空绝缘体表面的沿面闪络电压远远低于同样绝缘距离的真空间隙或绝缘材料的体击穿电压，并表现出很大的分散性。

在以往大量实验的基础上，国内外的研究学者对于沿面闪络过程中的起始阶段和最后阶段的认识已基本达成一致。普遍都认为沿面闪络是由阴极三结合处(真空-电极-绝缘子)的场致电子发射引起的，经过发展阶段，最后以在绝缘介质表面的脱附气体层和介质材料本身的气化层中形成贯穿性导电通道而结束。但是对于发展阶段的物理机制的理解，则存在着分歧。先后有多个模型被提出，目前占主导地位的、较易被人们所认可的模型主要有两个：由Anderson等人提出的二次电子雪崩(SecondaryElectron Emission Avalanche，SEEA)模型，以及由Blaise和Gressus提出的电子触发极化释放(ElectronTriggered Polarity Relaxation，ETPR)模型。

已有研究者采用电场分析软件，分析了三结合区域的电场分布，研究了三结合区域存在间隙时的电场分布和集中程度，提出采用变介电常数的方式来改善电场分布，但是并没有实际的试验报道。研究表明：绝缘固体材料的种类、表面涂层、掺杂和改性处理等对沿面闪络、损伤和耐压性能有影响。但是，表面改性重复性差，不稳定，可靠性不好，应用较为困难。

我国已经认识到电气设备性能的提高需要对绝缘材料和结构进行改善。但是，国内在现代电气装备中使用的材料性能不稳定，可靠性差。对现代电气装备用的绝缘材料的研制开发刚刚起步。因此，急需研究开发高性能的绝缘材料和结构，以满足现代电气装备的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种变介电常数-电阻率的复合材料绝缘结构及制备方法，可显著提高陶瓷沿面闪络电压，改善综合电气性能。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种变介电常数-电阻率的复合有机绝缘结构，包括聚乙烯基体，其特征在于，所述聚乙烯基体两端面通过热压平面联接有复合材料片，该复合材料片按质量百分比，由1～90％半导电料和10～99％的聚乙烯制成。

上述结构中，所述聚乙烯基体为圆柱体。所述复合材料片为圆片，该圆片直径与圆柱体的直径相等。

一种前述变介电常数-电阻率的复合有机绝缘结构的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)采用常规有机材料工艺制备聚乙烯基体，并将其两端面打磨平整；

2)制备复合材料片，按质量百分比，取半导电料1～90％、聚乙烯10～99％进行称量，在开放式炼胶机中混炼20～30分钟，然后剪成小片，在平板硫化机中热压成厚度不大于2mm的复合板材，最后冲制成复合材料片，并将复合材料片两端面打磨平整；

3)将打磨平整的复合材料片热压联结在聚乙烯基体两端面上。

上述方法中，所述聚乙烯基体制成圆柱体。所述复合材料片制成圆片，该圆片直径与圆柱体的直径相等。步骤2)所述复合板材热压温度为150℃，压强为10Mpa，保压3～5min，步骤3)所述热压联结的温度为150℃。

本发明三层绝缘结构与单纯聚乙烯相比，材料的电气性能产生了显著变化，随着半导电料含量的增加，电阻率不断降低，介电常数逐渐升高。在聚乙烯基体两端采用热压复合半导电料-聚乙烯的方法，形成介电常数及电阻率的梯度变化，这种绝缘结构可以显著的提高真空中绝缘子的沿面闪络电压，改善真空耐压性能。

附图说明

图1为本发明变介电常数-电阻率复合材料绝缘结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，一种变介电常数-电阻率的复合有机绝缘结构，包括柱形聚乙烯基体1，其两端面通过热压平面联接有掺半导电料的聚乙烯基复合材料圆片2。掺半导电料的聚乙烯基复合材料圆片2由掺质量百分比为1～90％半导电料和10～99％的聚乙烯制成。复合材料圆片2的直径与柱形聚乙烯基体1的直径相等。

图1所示变介电常数-电阻率的复合有机绝缘结构的制备方法，包括下述步骤：

1)采用常规有机材料工艺制备聚乙烯基体1，并将其两端面磨平；

2)复合材料片圆片2的制备：按质量百分比，取半导电料1～90％、聚乙烯10～99％进行称量，具体实施例组成见表1。半导电料是一种电缆专用的聚乙烯和炭黑复合的材料，可采用市售的型号为pyjbj-083的半导电料，每个组成均在开放式炼胶机中将混炼20～30分钟，然后剪成小片，填装模具后在150℃温度下预热10min，保持该温度于平板硫化机中热压并保压3～5min，热压压强为10Mpa，最后制成1mm厚的复合板材，冲成圆片后，将两端面磨平。

表1 掺半导电料的聚乙烯基复合材料圆片2的实施例组成(质量百分比％)

 

组成代号ABCDEFGHIJKLMN半导电料15101520253035404560708090聚乙烯9995908580757065605540302010

3)在柱形聚乙烯基体1两端面用热压方法联接各组成的复合材料圆片2，最后制成A-N的14个不同组成的复合有机绝缘结构试样。复合材料圆片2厚度为0.7mm；柱形聚乙烯基体厚度为5.2mm，复合材料圆片的直径与柱形聚乙烯基体的直径均为30mm。

表2给出了实施例组成A-N所有14个复合有机绝缘结构试样的介电常数-电阻率数据。

表2

 

式样代号电阻率Ω·m介电常数A2.45×10¹⁶2.2B3.49×10¹⁴2.441C1.15×10¹⁵2.6855D3.63×10¹⁴2.7145E1.86×10¹⁴2.849F1.21×10¹⁴3.4837G2.96×10¹³4.3H1.13×10¹³5.3959I1.18×10¹²8.2959J2.66×10¹¹14.64K1.08×10⁹17.94L4.83×10⁸72.15M3.38×10⁶164.94N5.79×10⁵224.83

(备注：电阻率为直流电压下测得，介电常数为雷电脉冲频率)

对所得到的复合有机绝缘结构各试样进行真空中的沿面闪络试验，真空度范围在3.0×10^-3Pa～9.5×10^-4Pa之间。闪络试验时的升压方式为：

(1)、直流电压：从40kV开始，以2kV为一个等级，逐级升压，每一级电压加压3次，每次加压停留5s，加压间隔1min，直至出现首次沿面闪络得出首次闪络电压，接着测量老练电压和耐受电压。

(2)、脉冲电压：从40kV开始，以2kV为一个等级，逐级升压，每一级电压加压3次，加压间隔1min，直至出现首次沿面闪络得出首次闪络电压，接着测量老练电压和耐受电压。

试验测得直流和脉冲闪络电压分别列于表3、4之中。

表3 直流闪络试验结果

 

式样代号首次闪络kV老练闪络kVA20.819.8B20.320C2322.8D23.521E20.821.3F2321.7G26.127.1H27.926I2827J2525K2523L23.321.7M2120.5N21.821

从表3中可以看出，相比于同样厚度的聚乙烯，半导电料-聚乙烯(0.7mm)+聚乙烯(5.2mm)+半导电料-聚乙烯(0.7mm)这种绝缘结构可以显著的提升直流沿面闪络电压，在实施例中半导电料含量在35％时到达峰值，其中首次闪络电压升高了34％。

表4 脉冲闪络试验结果

 

试样代号首次闪络kV老练闪络kV耐受闪络kVA447066.7B526462C667270D728476E587066F627270G749486H899894I386260J366058

从表4中可以看出，相比于同样厚度的聚乙烯，半导电料-聚乙烯(0.7mm)+聚乙烯(5.2mm)+半导电料-聚乙烯(0.7mm)这种绝缘结构可以显著的提升直流沿面闪络电压，在实施例中半导电料含量在30％时到达峰值，其中首次闪络电压升高了105％。