專利名稱：具有自適應均勻電場作用的非線性復合材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種具有自適應均勻電場作用的非線性復合材料的制備方法，屬于電工材料技術領域。
背景技術：
在高壓、超高壓乃至特高壓交直流輸變電系統(簡稱為高壓輸變電系統)中，絕緣是最為關鍵的核心問題之一，系統電壓等級越高，絕緣問題的重要性和困難度均越加顯著。高壓輸變電系統中的絕緣設備或部件，其自身所承受的電壓分布往往極不均勻，例如輸電電纜終端的絕緣部分、各種絕緣子的高壓端部分等等，所承受的電場強度要遠遠超出整體電場強度的平均值，甚至達到平均值的數倍，由此帶來了一系列不利的影響。首先，絕緣材料沿面的氣體放電是電力系統事故的主要原因之一，沿面放電現象和介質分界面上的電壓分布均勻程度有很大的關系。在相同外加電壓作用下，介質分界面上的電壓分布越不均勻，相應的電場強度峰值就越大，絕緣間隙就越容易發生沿面閃絡。為了滿足高壓輸變電系統絕緣安全裕度的要求，單位絕緣間隙距離的擊穿電壓越低，所需的整體絕緣間隙距離就越大，相應的制造建設成本和困難都會更高。另一方面，對于目前高壓輸變電系統中廣泛采用的有機聚合物類電介質材料(硅橡膠、聚氯乙烯、環氧樹脂，等等)，存在著材料老化的問題。普遍而言，由于絕緣設備或部件自身承受電壓分布的不均勻性，電場強度較大部位的電介質材料，其老化速度往往更快，程度也更為嚴重(包括局部放電等現象導致的結果)，由此對系統的長期安全穩定運行帶來更大的威脅。在高壓輸變電系統的實際工程應用中，為了改善絕緣設備或部件整體電壓分布的均勻程度，緩和局部的高電場強度，已經試驗并采用了諸多的技術手段，包括改變電極形狀、在絕緣介質內嵌入金屬起到內屏蔽作用、在絕緣介質內部加多層平行電容極板、在絕緣介質表面或外圍布置均壓環作為中間電極、安裝并聯的均壓電容，等等。這些措施對于緩和絕緣設備或部件局部的高電場強度具有一定效果，但也具有比較明顯的局限性附加的均壓元件大大增大了設備制造的復雜度和困難度，而均壓效果往往并不能達到比較理想的程度。與均壓元件的效果相比，并聯(或內嵌)均壓電容往往能夠更好地改善絕緣設備或部件整體電壓分布的均勻程度，但是并聯均壓電容方案在設計上更加困難，同時引入的高壓電容器存在容易發生擊穿事故的安全隱患，并且在很多場合無法使用并聯均壓電容的措施。如果能夠通過改變絕緣介質材料自身的性能，使其具備一定的電容特性，從而將擬安裝的集中式并聯均壓電容轉化為內嵌于絕緣介質中的分布式微電容，起到同樣的改善絕緣設備或部件整體電壓分布均勻程度的效果，那么高壓輸變電系統實際工程應用中的各種絕緣設備或部件極有可能出現創新性的改進電壓分布均勻程度更好，結構更加簡單、尺寸重量更小，相應的制造建設成本和難度降低，而安全可靠性更高。上述技術方案存在的最大困難在于由于絕緣設備或部件整體電壓分布的不均勻性，因此承受不同電場強度的絕緣介質，需要內嵌不同容量的分布式微電容，才能實現較為理想的整體均壓效果；而實際工程應用中各種絕緣設備或部件的情況千差萬別，要針對性地設計絕緣介質內嵌分布式微電容的合適容量，并制備出相應的絕緣介質材料，無疑會使該項技術方案實現起來更加困難、 成本更加高昂。如果能夠使絕緣介質內嵌的分布式微電容容量具有電壓自適應的效果，即絕緣介質所處的電場強度越大，內嵌的分布式微電容容量也越大，那么上述技術方案面臨的最大困難就可以得到完滿解決。
發明內容
本發明的目的是提出一種具有自適應均勻電場作用的非線性復合材料的制備方法，以解決已有技術中高壓輸變電系統絕緣設備或部件電壓分布不均勻的難題，抑制絕緣介質局部高電場強度的作用，實現對其電場分布均勻性的有效控制。本發明提出的具有自適應均勻電場作用的非線性復合材料的制備方法，包括以下步驟(1)制備具有壓敏特性的氧化鋅粉體(a)按以下摩爾百分比稱量原料氧化鋅96.05mol%，氧化鉍0.7mol%，氧化錳0. 5mol%，氧化鈷Imol %，氧化鉻0. 5mol%，氧化銻1.0mol%，氧化鋁0.25mol%。(b)將上述稱量的原料混合，取混合原料總重量1. 5 2倍的酒精，加入到混合原料中，作為彌散劑，用純氧化硅制成的研磨球進行研磨，球磨機轉速設置為180 220轉/ 分鐘，球磨6 10小時；(c)將球磨后的漿料置于干燥箱中進行干燥，干燥溫度為100°C 140°C，干燥時間22 沈小時，將干燥后的塊狀料粉碎后，過220目篩，得到氧化鋅壓敏粉體；(d)對氧化鋅壓敏粉體進行燒結，具體溫度和控制時間如下從室溫至1000°C，升溫時間5小時；保持1000°C，保溫時間10小時；從1000°C至室溫，隨爐冷卻；(e)對上述燒成的氧化鋅壓敏粉體進行粉碎，過220目篩；(2)在分子量為50 60萬的甲基乙烯基硅膠中加入占甲基乙烯基硅膠重量百分比為0. 8%的硫化劑，用四氫呋喃溶解，得到混合溶液，使混合溶液與上述氧化鋅壓敏粉體混合，氧化鋅壓敏粉體與甲基乙烯基硅膠的體積比為氧化鋅壓敏粉體硅膠=0. 2 0.6 1，在50°C 60°C下攪拌1 2小時，在50°C 60°C烘干4 5小時，使四氫呋喃完全揮發，得到混合物；(3)將上述混合物放入熱壓模具中，在170°C、15Mpa下熱壓成型，得到具有自適應均勻電場作用的非線性復合材料。本發明提出的具有自適應均勻電場作用的非線性復合材料的制備方法，其優點是，將具有非線性介電性能的ZnO粉體填充到硅橡膠原料中，相當于在絕緣電介質材料內部嵌入了大量分布式、自適應的微電容，制備得到可自適應不均勻電場的硅橡膠基絕緣復合材料。將該材料應用到存在強不均勻電場的高壓輸變電系統絕緣部件中，在高電場強度區域，該材料呈現大電容的特性，能夠起到有效降低電場強度的作用；在低電場強度區域， 該材料呈現小電容、高電阻的特性，使得絕緣部件整體電場強度變得比較均勻的同時，仍然能夠保持良好的絕緣特性。該復合材料的應用，能夠有效解決當前面臨的高壓輸變電系統絕緣部件承受不均勻電場的難題。
具體實施方式
本發明提出的具有自適應均勻電場作用的非線性復合材料的制備方法，包括以下步驟
(1)制備具有壓敏特性的氧化鋅粉體
(a)按以下摩爾百分比稱量原料
氧化鋅96. 05mol%,
氧化鉍0. 7mol%,
氧化錳0. 5mol%,
氧化鈷Imol %,
氧化鉻0. 5mol%,
氧化銻1. Omol %,
氧化鋁0. ^mol %。
在傳統避雷器閥片用ZnO壓敏電阻原料配方的基礎上，本發明提出的原料配方對
各種摻雜物的含量進行了針對性的優化，使得制備的ZnO粉體具有更好的非線性介電性能，更適用于作為非線性硅橡膠基絕緣復合材料的填充料。(b)將上述稱量的原料混合，取混合原料總重量1. 5 2倍的酒精，加入到混合原料中，作為彌散劑，用純氧化硅(99%以上的SiO2)制成的研磨球進行研磨，球磨機轉速設置為180 220轉/分鐘，球磨6 10小時；(c)將球磨后的漿料置于干燥箱中進行干燥，干燥溫度為100°C 140°C，干燥時間22 沈小時，將干燥后的塊狀料粉碎后，過220目篩，得到氧化鋅壓敏粉體；(d)對氧化鋅壓敏粉體進行燒結，具體溫度和控制時間如下從室溫至1000 V，升溫時間5小時；
保持1000 V，保溫時間10小時;從1000°C至室溫，隨爐冷卻；(e)對上述燒成的氧化鋅壓敏粉體進行粉碎，過220目篩；(2)在分子量為50 60萬的甲基乙烯基硅膠中加入占甲基乙烯基硅膠重量百分比為0. 8%的硫化劑，用四氫呋喃溶解，得到混合溶液，使混合溶液與上述氧化鋅壓敏粉體混合，氧化鋅壓敏粉體與甲基乙烯基硅膠的體積比為氧化鋅壓敏粉體硅膠=0. 2 0.6 1，在50°C 60°C下攪拌1 2小時，在50°C 60°C烘干4 5小時，使四氫呋喃完全揮發，得到混合物；(3)將上述混合物放入熱壓模具中，在170°C、15Mpa下熱壓成型，得到具有自適應均勻電場作用的非線性復合材料。
本發明制備的自適應均勻電場作用的非線性復合材料，具備顯著的非線性介電特性在無外加偏壓時材料介電常數與硅橡膠接近；隨著偏置電壓升高，材料介電常數緩慢增長；當外加偏壓超過臨界閾值后，材料介電常數呈現指數量級快速增長的趨勢。通過調整摻雜壓敏ZnO粉體的性能、比例，可以改變非線性硅橡膠基絕緣復合材料介電特性的變化規律，使其滿足不同應用場合的需要。將試驗制備的非線性硅橡膠基絕緣復合材料置于強不均勻電場中，能夠顯著改變原有電場的分布狀況，使空間整體電場強度變得比較均勻。以下介紹本發明方法的一個實施例。(1)具有ZnO壓敏粉體的制備a原料配制(1)制備具有壓敏特性的氧化鋅粉體(a)按以下摩爾百分比稱量原料氧化鋅96.05mol%，氧化鉍0.7mol%，氧化錳0. 5mol%，氧化鈷Imol %，氧化鉻0.5mol%，氧化銻1.0mol%，氧化鋁0.25mol%。(b)將上述稱量的原料混合，取混合原料總重量1. 5 2倍的酒精，加入到混合原料中，作為彌散劑，用純氧化硅制成的研磨球進行研磨，球磨機轉速設置為180 220轉/ 分鐘，球磨6 10小時；(c)將球磨后的漿料置于干燥箱中進行干燥，干燥溫度為100°C 140°C，干燥時間22 沈小時，將干燥后的塊狀料粉碎后，過220目篩，得到氧化鋅壓敏粉體；(d)對氧化鋅壓敏粉體進行燒結，具體溫度和控制時間如下從室溫至1000°C，升溫時間5小時；保持1000°C，保溫時間10小時；從1000°C至室溫，隨爐冷卻；(e)對上述燒成的氧化鋅壓敏粉體進行粉碎，過220目篩；(2)在分子量為50 60萬的甲基乙烯基硅膠中加入占甲基乙烯基硅膠重量百分比為0. 8%的硫化劑，用四氫呋喃溶解，得到混合溶液，使混合溶液與上述氧化鋅壓敏粉體混合，氧化鋅壓敏粉體與甲基乙烯基硅膠的體積比為氧化鋅壓敏粉體硅膠=0. 2 0.6 1，在50°C 60°C下攪拌1 2小時，在50°C 60°C烘干4 5小時，使四氫呋喃完全揮發，得到混合物；(3)將上述混合物放入熱壓模具中，在170°C、15Mpa下熱壓成型，得到具有自適應均勻電場作用的非線性復合材料。對試驗制備得到的非線性硅橡膠基絕緣復合材料進行相關性能測試，材料呈現顯著的非線性介電特性在OV/mm外加偏壓下材料介電常數為10，與硅橡膠接近(硅橡膠為 4.4)；隨著偏置電壓升高，材料介電常數緩慢增長，到600V/mm偏壓時，介電常數為20 ；當外加偏壓超過600V/m后，材料介電常數呈現指數量級快速增長的趨勢，在800V/mm偏壓下材
6料介電常數為50，1000V/mm偏壓下材料介電常數達到100，1300V/mm偏壓下材料介電常數達到250，1600V/mm偏壓下材料介電常數達到600。 試驗制備的硅橡膠基絕緣復合材料的非線性介電特性變化規律與內部摻雜的壓敏ZnO粉體的性能、比例密切關系。通過調整摻雜壓敏ZnO粉體的性能、比例，可以改變非線性硅橡膠基絕緣復合材料介電特性的變化規律，使其滿足不同應用場合的需要。將試驗制備的非線性硅橡膠基絕緣復合材料置于強不均勻電場中，能夠顯著改變原有電場的分布狀況，使空間整體電場強度變得比較均勻。
權利要求
1. 一種具有自適應均勻電場作用的非線性復合材料的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)制備具有壓敏特性的氧化鋅粉體(a)按以下摩爾百分比稱量原料 氧化鋅 96.05mol%, 氧化鉍 0. 7mol%，氧化錳 0. 5mol%， 氧化鈷 Imol %， 氧化鉻 0. 5mol%， 氧化銻 1.0mol%， 氧化鋁 0. 25mol%。(b)將上述稱量的原料混合，取混合原料總重量1.5 2倍的酒精，加入到混合原料中， 作為彌散劑，用純氧化硅制成的研磨球進行研磨，球磨機轉速設置為180 220轉/分鐘， 球磨6 10小時；(c)將球磨后的漿料置于干燥箱中進行干燥，干燥溫度為100°C 140°C，干燥時間 22 沈小時，將干燥后的塊狀料粉碎后，過220目篩，得到氧化鋅壓敏粉體；(d)對氧化鋅壓敏粉體進行燒結，具體溫度和控制時間如下 從室溫至1000°C，升溫時間5小時；保持1000°C，保溫時間10小時； 從1000°C至室溫，隨爐冷卻；(e)對上述燒成的氧化鋅壓敏粉體進行粉碎，過220目篩；(2)在分子量為50 60萬的甲基乙烯基硅膠中加入占甲基乙烯基硅膠重量百分比為 0. 8%的硫化劑，用四氫呋喃溶解，得到混合溶液，使混合溶液與上述氧化鋅壓敏粉體混合， 氧化鋅壓敏粉體與甲基乙烯基硅膠的體積比為氧化鋅壓敏粉體硅膠=0. 2 0. 6 1， 在50°C 60°C下攪拌1 2小時，在50°C 60°C烘干4 5小時，使四氫呋喃完全揮發， 得到混合物；(3)將上述混合物放入熱壓模具中，在170°C、15Mpa下熱壓成型，得到具有自適應均勻電場作用的非線性復合材料。
全文摘要
本發明涉及一種具有自適應均勻電場作用的非線性復合材料的制備方法，屬于電工材料技術領域。以氧化鋅、氧化鉍、氧化錳、氧化鈷、氧化鉻、氧化銻和氧化鋁為原料，按比例稱量后混合，將酒精加入到混合原料中，用純氧化硅制成的研磨球進行研磨，將球磨后的漿料干燥，粉碎；在甲基乙烯基硅膠中加入硫化劑，用四氫呋喃溶解，得到混合溶液，使混合溶液與氧化鋅壓敏粉體混合，將混合物放入熱壓成型，得到具有自適應均勻電場作用的非線性復合材料。本發明制備的非線性復合材料，應用到存在強不均勻電場的高壓輸變電系統絕緣部件中，有效降低電場強度的作用；在低電場強度區域，能夠保持良好的絕緣特性。
文檔編號C04B35/622GK102424576SQ20111025563
公開日2012年4月25日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年8月31日
發明者何金良, 余占清, 張波, 曾嶸, 殷禹, 胡軍, 謝竟成 申請人:中國電力科學研究院, 清華大學