磁靶向紫外光敏微胶囊/环氧树脂复合绝缘材料的自修复特性研究

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作为重要的基础绝缘材料,环氧树脂在电力装备、电子器件、动力设备等领域应用广泛,其在长期运行工况下会不可避免地承受机械、电场、热应力的作用,产生细小裂纹与电树枝损伤,严重影响装备与器件的使用寿命与运行安全。对环氧树脂绝缘材料机械损伤与电树枝损伤进行快速抑制与自主修复是从根本解决上述问题的有效途径,具有重要的工程应用意义但同时也面临诸多技术挑战。本文绕开传统纳米改性抑制机械与电树枝损伤的技术路线,以微胶囊自修复体系为基础,通过溶剂热法、St(?)ber法与界面聚合法制备了磁靶向紫外光敏微胶囊,采用高温固化的方式构筑了微胶囊/环氧树脂复合绝缘材料,实现了对机械裂纹与电树枝损伤的靶向自主修复,并对所制备复合材料的各项性能参数、电气特性与自修复特性进行了相关试验探索与机制机理分析。本文的主要工作如下:(1)通过溶剂热法与St(?)ber法制备了核壳结构Fe3O4@Si O2磁靶向纳米颗粒,结合阳离子光敏环氧芯材与改性聚氨酯壁材通过界面聚合生成了磁靶向紫外光敏微胶囊并对所制得的样品进行了显微结构与基本物性的分析与表征。研究发现核壳结构Fe3O4@Si O2纳米颗粒粒径分布均匀(平均粒径182.64 nm),分散性良好;在保持优异磁学性能(磁饱和强度52.86 emu/g)的同时较展现出良好的绝缘性能(体积电阻率1.6×10~7Ω·m)。制备的磁靶向紫外光敏微胶囊尺寸均匀(平均粒径99.19μm),包覆效果良好,芯材含量高(75 wt%),由Ti O2和Fe3O4@Si O2纳米颗粒组成的聚氨酯(PU)基壳体紫外屏蔽性能良好;同时微胶囊的有害物质释放量极低,远低于相关环保标准。(2)通过高温固化法制备了磁靶向紫外光敏微胶囊/环氧树脂复合绝缘材料,并从机械、介电、绝缘三个角度对复合材料的本征性能进行了测试分析,探究了微胶囊对各性能的影响规律与机制。结果表明,微胶囊的掺杂可在一定程度上提升环氧树脂基体的力学拉伸性能;且在低掺杂浓度(<5 wt%)时,因互穿网络结构与电荷陷阱的协同提升作用弥补了微胶囊引入带来的影响,复合材料仍保持了良好的介电性能(在50 Hz测量频率下,介电常数小于4.1748)与优异的绝缘击穿性能(微胶囊引入对基体击穿性能产生的影响基本可以忽略,影响幅度小于3%)。(3)基于机械损伤/电树枝损伤试验平台观测了环氧树脂复合材料内电树枝的发展规律,并对复合材料机械/电树枝损伤的修复效果进行了表征,揭示了其自修复机理。研究结果表明:对于机械损伤,微胶囊靶向分布的复合材料样品具有更高的修复效率,更低的材料成本,且由于囊芯修复剂具有良好的流动性,划痕损伤通道能在较短时间内被填满,能够满足及时性的需求。对于电树枝损伤,微胶囊材料的引入并不会引起复合材料电树枝起始电压的变化,保持了环氧基材优异的耐电树枝能力;当电树枝打破微胶囊后,进入损伤通道的囊芯修复剂在原位电致发光的作用下对电树枝损伤修复效果良好,复合样品的绝缘性能可恢复至未损伤时的97.8%。
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