CN112940456A - 一种功能梯度绝缘件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种功能梯度绝缘件的制备方法，将填充材料、基质材料和固化剂混合成复合材料，将复合材料浇注进预设金属电极的绝缘件模具中，在绝缘件模具中的金属电极施加非均匀电场，使填充材料在基质材料中受控运动，通过非均匀电场使得填充材料在基质材料中梯度分布，进而使得加热固化后制备的绝缘件的介电特性也呈现梯度分布的状态，并通过调整填充材料的颗粒大小，金属电极上施加的电压强度和基质材料的介电常数来调整功能梯度绝缘件中填充材料的梯度分布，获得不同的介电梯度特性的绝缘件，此种功能梯度绝缘件的制备方法能够用于实际尺寸的功能梯度绝缘件的制备。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备绝缘件领域，尤其涉及一种功能梯度绝缘件的制备方法。
背景技术
电力设备的绝缘部件起到绝缘、电气隔离、均匀电场、机械支撑等关键作用，根据电力公司的运维数据显示，电力设备绝缘件的故障率较高，是电力设备主要的故障原因之一。
绝缘件周围的电场不均匀是造成绝缘件绝缘失效的根本原因，气体绝缘开关中的盆式绝缘子与金属导体、绝缘气体之间的三交界点处存在电场集中的情况，电缆中间接头的应力锥附件存在电场畸变，局部集中的电场会造成局部放电，甚至会导致沿面闪络或者绝缘击穿，因此有必要对绝缘件周围的电场进行优化。
目前对电力设备绝缘件进行的电场优化，主要是通过改变绝缘件的结构来实现的，然而通过改变绝缘件的结构来改变绝缘件特性会受到制造工艺以及应用场合的限制，效果不理想。
功能梯度材料是两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料，在电力设备领域，可以将功能梯度材料应用于电力设备的绝缘件中，使得电力设备的绝缘件的绝缘部分。
功能梯度绝缘件通过调节绝缘件内部的介电特性分布来调整电场分布，在不改变绝缘件结构的前提下，有效地控制绝缘件内部的电场分布。
然而目前功能梯度绝缘件制备存在难题，目前常用的叠层、离心等制备手段存在局限性，无法应用于实际尺寸的大型绝缘件。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提出一种功能梯度绝缘件的制备方法，采用交流电场调控的方式，能够制备实际尺寸的功能梯度绝缘件。
本发明提供一种功能梯度绝缘件的制备方法，所述方法包括：
将预设比例的填充材料、基质材料和固化剂混合配置成复合材料；
将所述复合材料浇注进预置金属电极的绝缘件模具中；
在所述金属电极施加预设电压，经过预设时间后，切断所述金属电极上施加的电压；
加热所述绝缘件模具，形成功能梯度绝缘件。
优选地，所述将预设比例的填充材料、基质材料和固化剂混合配置成复合材料，具体为：
将预设比例的填充材料、基质材料和固化剂混合，并采取机械搅拌或超声波分散的方式混合均匀；
将混合均匀的填充材料、基质材料和固化剂在真空环境中进行脱气处理，形成液态的所述复合材料。
优选地，所述填充材料与所述基质材料的介电特性不同，所述基质材料具有绝缘特性。
进一步地，所述填充材料为具有统一尺寸的颗粒，所述填充材料包括二氧化钛、钛酸锶、钛酸钡、碳纳米管或石墨烯。
优选地，所述将所述复合材料浇注进预置金属电极的绝缘件模具中，之后还包括：
将浇注进所述绝缘件模具中的复合材料在真空环境中再次进行脱气处理。
优选地，所述金属电极包括至少一个高压电极和至少一个接地电极。
优选地，所述在所述金属电极施加预设电压，具体为：
将所述金属电极的接地电极接地；
将述所金属电极的高压电极施加预设电压强度和预设频率的交流电压。
本发明提供的一种功能梯度绝缘件的制备方法，将填充材料、基质材料和固化剂混合成复合材料溶液，将复合材料浇注进预设金属电极的绝缘件模具中，在复合材料溶液未固化的前提下，通过在绝缘件模具中的金属电极施加一个非均匀电场，使得填充材料在基质材料中受控运动，由于填充材料和基质材料的介电特性不同，通过非均匀电场使得填充材料在基质材料中梯度分布，进而使得加热固化后制备的绝缘件的介电特性也呈现梯度分布的状态。并通过调整填充材料的颗粒大小，金属电极上施加的电压强度和基质材料的介电常数来调整功能梯度绝缘件中填充材料的梯度分布，获得不同的介电梯度特性的绝缘件，此种功能梯度绝缘件的制备方法能够用于实际尺寸的绝缘件的制备。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种功能梯度绝缘件的制备方法流程图；
图2是本发明实施例给出的一种功能梯度绝缘台的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1所示，是本发明实施例提供的一种功能梯度绝缘件的制备方法流程图。所述方法包括步骤S101～S104：
S101，将预设比例的填充材料、基质材料和固化剂混合配置成复合材料；
S102，将所述复合材料浇注进预置金属电极的绝缘件模具中；
S103，在所述金属电极施加预设电压，经过预设时间后，切断所述金属电极上施加的电压；
S104，加热所述绝缘件模具，形成功能梯度绝缘件。
在具体实施时，先制备用于浇注功能梯度绝缘件的复合材料溶液，所述复合材料由预设比例的填充材料、基质材料和固化剂混合配置而成；
在绝缘件模具中预置金属电极，金属电极的安装位置根据功能梯度绝缘件的结构和梯度特性的形状具体确定；
将配置好的复合材料浇注进预置金属电极的绝缘件模具中；
给预置的金属电极间施加预设电压，电压强度可根据功能梯度绝缘件的梯度特性确定，经过预设时间，复合材料中的填充材料会在电场的作用下，呈现梯度特性分布；断开金属电极上的电压；
对绝缘件模具进行加热，使复合材料中的固化剂固化，功能梯度绝缘件成型。
功能梯度绝缘件产生的具体原理为：
电中性的填充材料在金属电极间施加的非均匀电场中发生极化，产生诱导偶极矩，偶极矩在非均匀电场中会产生介电泳力，从而使得填充材料向电场较强或者较弱的区域移动，填充材料在非均匀电场中受到的介电泳力为：
其中，sm为基体材料的介电常数，K为Clausius-Mossotti函数，r为颗粒半径，E为电场强度。
介电泳力的大小由电场强度、颗粒大小、基质材料介电常数决定，因此可以通过调整这3个参数针对颗粒的运动情况进行精细调控，从而获取理想的颗粒在基材中的分布情况，进而获取理想的介电特性梯度分布情况。
本发明提供的一种功能梯度绝缘件的制备方法，将填充材料、基质材料和固化剂混合成复合材料溶液，将复合材料浇注进预设金属电极的绝缘件模具中，在复合材料溶液未固化的前提下，通过在绝缘件模具中的金属电极施加一个非均匀电场，使得填充材料在基质材料中受控运动，由于填充材料和基质材料的介电特性不同，通过非均匀电场使得填充材料在基质材料中梯度分布，进而使得加热固化后制备的绝缘件的介电特性也呈现梯度分布的状态。并通过调整填充材料的颗粒大小，金属电极上施加的电压强度和基质材料的介电常数来调整功能梯度绝缘件中填充材料的梯度分布，获得不同的介电梯度特性的绝缘件，此种功能梯度绝缘件的制备方法能够用于实际尺寸的绝缘件的制备。
在本发明提供的另一实施例中，步骤S101具体为：
将预设比例的填充材料、基质材料和固化剂混合，并采取机械搅拌或超声波分散的方式混合均匀；
将混合均匀的填充材料、基质材料和固化剂在真空环境中进行脱气处理，形成液态的所述复合材料。
在具体实施时，先将一定比例的基质材料和固化剂混合制成混合溶液，再将一定质量的填充材料加入到混合溶液中，通过机械搅拌或超声波分散的方式将混合溶液搅拌均匀；
将搅拌均匀的溶液置于真空环境中进行脱气处理，配置成复合材料。
按照预设的比例配置复合容易，保证功能梯度绝缘件的梯度特性，并通过超声波分散或机械搅拌的方式，使得配置的混合溶液均匀混合，通过真空环境对混合溶液进行脱气处理，除去在混合过程中，混合溶液中掺杂的大量气体，确保制备的功能梯度绝缘件的材质均匀，结构稳定，具有优良的绝缘性能。
在本发明提供的又一实施例中，所述填充材料与所述基质材料的介电特性不同，所述基质材料具有绝缘特性。
在具体实施时，需要采用的填充材料和基质材料的介电特性不同，并且基质材料具有绝缘特性，填充材料具有与基质材料不同的介电特性，在电场的作用下，填充材料能够产生和基质材料不同的分布状态，形成梯度特性，基质材料需要具有绝缘特性，制备的梯度绝缘件，具有绝缘功能。
在本发明提供的有一种实施例中，所述填充材料为具有统一尺寸大小的颗粒，包括二氧化钛、钛酸锶、钛酸钡、碳纳米管或石墨烯。
在具体实施时，制备复合材料时，添加的填充材料需要采用统一尺寸大小的颗粒，在金属电极产生的电场中，统一尺寸的颗粒状填充材料所受的介电泳力相同，此时形成的梯度分布更加均衡，形成的梯度特性更加精准，此外采用统一尺寸的颗粒状填充材料也便于通过改变电场来改变梯度分布，控制功能梯度绝缘件的梯度特性。
需要说明的是，在本实施例中，公开的填充材料为包括二氧化钛、钛酸锶、钛酸钡、碳纳米管或石墨烯，在其他实施例中，可采用其他的填充材料，只需填充材料采用于基质材料不同的介电特性，均在本发明保护的范围内。
在本发明提供的又一实施例中，步骤S102之后还包括：
将浇注进所述绝缘件模具中的复合材料在真空环境中再次进行脱气处理。
在具体实施时，在配置复合材料溶液时已经对复合材料溶液进行脱气处理，但是在将脱气后的浇注材料浇注进绝缘模具后，仍需要对复合材料进行脱气处理，避免浇注过程中掺进复合材料中的气体对制备的功能梯度绝缘件的性能和结构的影响，提高绝缘件的绝缘特性。
在本发明提供的又一实施例中，所述金属电极包括至少一个高压电极和至少一个接地电极。
在本实施例具体实施时，预置在绝缘件模具中的金属电极包括高压电极和接地电极，高压电极和接地电极预置的位置根据所需制备的功能梯度绝缘件的结构确定，高压电极和接地电极间会形成非均匀的电场，会导致填充材料的梯度分布，根据这一特性具体确定高压电极和接地电极的具***置；
此外高压电极和接地电极的数量可根据所需制备的功能梯度绝缘件的结构确定，同一高压电极可对应多个接地电极，形成特殊形状的绝缘件。
在本发明提供的又一实施例中，步骤S103中，在所述金属电极施加预设电压，具体为：
将所述金属电极的接地电极接地；
将述所金属电极的高压电极施加预设电压强度和预设频率的交流电压。
在具体实施时，需要先将金属电极中的接地电极先接地；给金属电极中的高压电极施加预设电压强度和预设频率的交流电压；
并可以通过控制交流电压的强度来控制非均匀电场强度，来改变填充材料的介电泳力大小，来控制填充材料的梯度分布，对功能梯度绝缘件的梯度特性进行精准控制，尽可能达到理想的梯度特性分布，制备性能有益的功能梯度绝缘件。
本发明提供的一种功能梯度绝缘件的制备方法，将填充材料、基质材料和固化剂混合成复合材料溶液，将复合材料浇注进预设金属电极的绝缘件模具中，在复合材料溶液未固化的前提下，通过在绝缘件模具中的金属电极施加一个非均匀电场，使得填充材料在基质材料中受控运动，由于填充材料和基质材料的介电特性不同，通过非均匀电场使得填充材料在基质材料中梯度分布，进而使得加热固化后制备的绝缘件的介电特性也呈现梯度分布的状态，并通过调整填充材料的颗粒大小，金属电极上施加的电压强度和基质材料的介电常数来调整功能梯度绝缘件中填充材料的梯度分布，获得不同的介电梯度特性的绝缘件，此种功能梯度绝缘件的制备方法能够用于实际尺寸的绝缘件的制备。
在本发明的又一实施例中，制备了一种功能梯度绝缘台，具体流程如下：
(1)以体积分数1：1调配双酚A型环氧树脂及固化剂，并加入质量分数1％的偶联剂及固化促进剂，形成液态基材。
(2)在液态基材中加入体积分数5％的TiO2颗粒，颗粒平均粒径约为20μm，采用机械搅拌的方式，将TiO2颗粒均匀分散于液态中，在真空环境中对液态基材进行脱气，形成液态复合材料，其中，双酚A型环氧树脂的介电常数约为4，TiO2颗粒的介电常数约为114。
(3)参见图2所示，是本发明实施例给出的一种功能梯度绝缘台的结构示意图，在功能梯度绝缘台模具201中指定位置安装高压电极202和低压金属电极203。
将液态复合材料浇注在功能梯度绝缘台的空室204中。
(4)将接地电极接地，高压电极上施加100kV，50HZ交流电压，此处复合材料受到的最大场强约为10kV/mm。
(5)交流电压施加30min后，停止施加电压。对模具进行加热固化，形成绝缘件
(6)形成的绝缘件中，靠近高压电极的绝缘材料介电常数约为5.5，靠近接地电极的绝缘材料介电常数约为4.7，形成了介电常数的梯度分布。
(7)需要对介电常数参数进行调控时，由于基材介电常数不变，当增大中央导体施加的交流电压、电压施加时间、TiO2颗粒的平均粒径时，可使得介电泳力增大，进而使得介电常数的梯度差增大，进一步增加电场优化的效果。
需要说明的是，本实施例中所采用的方法是本发明其中一种优选方式，并不造成对本发明所要求保护方案的限制。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种功能梯度绝缘件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
将预设比例的填充材料、基质材料和固化剂混合配置成复合材料；
将所述复合材料浇注进预置金属电极的绝缘件模具中；
在所述金属电极施加预设电压，经过预设时间后，切断所述金属电极上施加的电压；
加热所述绝缘件模具，形成功能梯度绝缘件。
2.根据权利要求1所述的功能梯度绝缘件的制备方法，其特征在于，所述将预设比例的填充材料、基质材料和固化剂混合配置成复合材料，具体为：
将预设比例的填充材料、基质材料和固化剂混合，并采取机械搅拌或超声波分散的方式混合均匀；
将混合均匀的填充材料、基质材料和固化剂在真空环境中进行脱气处理，形成液态的所述复合材料。
3.根据权利要求1所述的功能梯度绝缘件的制备方法，其特征在于，所述填充材料与所述基质材料的介电特性不同，所述基质材料具有绝缘特性。
4.根据权利要求1所述的功能梯度绝缘件的制备方法，其特征在于，所述填充材料为具有统一尺寸的颗粒，所述填充材料包括二氧化钛、钛酸锶、钛酸钡、碳纳米管或石墨烯。
5.根据权利要求1所述的功能梯度绝缘件的制备方法，其特征在于，所述将所述复合材料浇注进预置金属电极的绝缘件模具中，之后还包括：
将浇注进所述绝缘件模具中的复合材料在真空环境中再次进行脱气处理。
6.根据权利要求1所述的功能梯度绝缘件的制备方法，其特征在于，所述金属电极包括至少一个高压电极和至少一个接地电极。
7.根据权利要求1所述的功能梯度绝缘件的制备方法，其特征在于，所述在所述金属电极施加预设电压，具体为：
将所述金属电极的接地电极接地；
将述所金属电极的高压电极施加预设电压强度和预设频率的交流电压。
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