环氧树脂离子掺杂及相变微胶囊局部放电抑制方法研究

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环氧树脂因其优良的电气、力学、热学和耐化学腐蚀等性能,已在电力设备制造、电力电子器件封装等领域得到广泛应用。随着电力设备电压等级不断提高,对于环氧树脂性能和纯度的要求也不断增加,但在环氧树脂合成、制造和固化等环节,杂质离子易存在于环氧树脂体系中,对环氧树脂的各项性能产生显著影响,同时各种杂质离子对于环氧树脂长期工况老化过程中的作用机理也缺乏研究。基于以上问题,本文探究了不同离子对环氧树脂材料老化过程的影响规律,并提出了利用相变微胶囊粒子掺杂,实现环氧树脂电老化抑制的方法,内容如下:(1)研究了Na+对环氧树脂材料力学性能、介电性能、绝缘性能、耐热性能的影响规律。结果表明,随着Na+含量的增加,环氧树脂材料的工频击穿电压持续降低至原有水平的66.4%,其他性能则表现为先增加后降低的趋势。当Na+含量为0.04 wt.%时,玻璃化转变温度(Tg)提高了8℃、交联密度提高了32.1%、拉伸强度提高了10.3%。通过密度泛函理论分析发现,Na+对环氧树脂交联网络结构的形成具有先促进、后抑制的作用,当Na+含量少于0.04 wt.%时,Na+促进酸酐和环氧树脂分子开环交联;当Na+含量大于0.04 wt.%时,Na+会与环氧树脂分子中的环氧基结合,形成O-Na键,抑制交联网络的构建。因此,Na+通过调控环氧树脂交联网络的形成过程影响环氧树脂材料性能。(2)研究了可水解氯含量对环氧树脂材料热氧老化性能的影响规律,测试了老化过程中不同可水解氯含量环氧树脂试样的微观形貌、理化性能,利用分子动力学模拟了环氧树脂受热分解断键情况。实验结果表明,热氧老化将导致环氧树脂性能全面下降,分子链段受热分解成CO2、H2O等小分子和-OH、-COOH类物质。当可水解氯含量为2000 ppm时,环氧树脂材料的拉伸强度降低了55.6%,弯曲强度降低了56.4%,介质损耗因数增长了75.2%,相对介电常数先降低后恢复至原有水平。研究表明,适度控制环氧树脂体系中可水解氯含量可以抑制环氧树脂材料热氧老化速率。(3)设计了一种利用MA@PS@Fe3O4相变微胶囊抑制环氧树脂材料电老化的方法,通过向环氧树脂体系中掺杂核壳结构的MA@PS@Fe3O4相变微胶囊,可以有效地提高环氧树脂局部放电起始电压和抑制电树枝的发展速率。研究发现,掺杂0.1 wt.%相变微胶囊,在施加电压120min后,环氧树脂材料中电树枝的长度和宽度较未掺杂分别减少了56.60%和69.17%,局部放电起始电压提高了34.40%,放电电压平均幅值降低了29.94%。通过相变微胶囊掺杂改性,为提高环氧树脂耐电老化能力提供了思路和方法。
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