專利名稱：具有自適應(yīng)均勻電場作用的非線性復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有自適應(yīng)均勻電場作用的非線性復(fù)合材料的制備方法，屬于電工材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在高壓、超高壓乃至特高壓交直流輸變電系統(tǒng)(簡稱為高壓輸變電系統(tǒng))中，絕緣是最為關(guān)鍵的核心問題之一，系統(tǒng)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(tǒng)中的絕緣設(shè)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(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出整體電場強(qiáng)度的平均值，甚至達(dá)到平均值的數(shù)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(tǒng)事故的主要原因之一，沿面放電現(xiàn)象和介質(zhì)分界面上的電壓分布均勻程度有很大的關(guān)系。在相同外加電壓作用下，介質(zhì)分界面上的電壓分布越不均勻，相應(yīng)的電場強(qiáng)度峰值就越大，絕緣間隙就越容易發(fā)生沿面閃絡(luò)。為了滿足高壓輸變電系統(tǒng)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(yīng)的制造建設(shè)成本和困難都會更高。另一方面，對于目前高壓輸變電系統(tǒng)中廣泛采用的有機(jī)聚合物類電介質(zhì)材料(硅橡膠、聚氯乙烯、環(huán)氧樹脂，等等)，存在著材料老化的問題。普遍而言，由于絕緣設(shè)備或部件自身承受電壓分布的不均勻性，電場強(qiáng)度較大部位的電介質(zhì)材料，其老化速度往往更快，程度也更為嚴(yán)重(包括局部放電等現(xiàn)象導(dǎo)致的結(jié)果)，由此對系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運行帶來更大的威脅。在高壓輸變電系統(tǒng)的實際工程應(yīng)用中，為了改善絕緣設(shè)備或部件整體電壓分布的均勻程度，緩和局部的高電場強(qiáng)度，已經(jīng)試驗并采用了諸多的技術(shù)手段，包括改變電極形狀、在絕緣介質(zhì)內(nèi)嵌入金屬起到內(nèi)屏蔽作用、在絕緣介質(zhì)內(nèi)部加多層平行電容極板、在絕緣介質(zhì)表面或外圍布置均壓環(huán)作為中間電極、安裝并聯(lián)的均壓電容，等等。這些措施對于緩和絕緣設(shè)備或部件局部的高電場強(qiáng)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(shè)備制造的復(fù)雜度和困難度，而均壓效果往往并不能達(dá)到比較理想的程度。與均壓元件的效果相比，并聯(lián)(或內(nèi)嵌)均壓電容往往能夠更好地改善絕緣設(shè)備或部件整體電壓分布的均勻程度，但是并聯(lián)均壓電容方案在設(shè)計上更加困難，同時引入的高壓電容器存在容易發(fā)生擊穿事故的安全隱患，并且在很多場合無法使用并聯(lián)均壓電容的措施。如果能夠通過改變絕緣介質(zhì)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(lián)均壓電容轉(zhuǎn)化為內(nèi)嵌于絕緣介質(zhì)中的分布式微電容，起到同樣的改善絕緣設(shè)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(tǒng)實際工程應(yīng)用中的各種絕緣設(shè)備或部件極有可能出現(xiàn)創(chuàng)新性的改進(jìn)電壓分布均勻程度更好，結(jié)構(gòu)更加簡單、尺寸重量更小，相應(yīng)的制造建設(shè)成本和難度降低，而安全可靠性更高。上述技術(shù)方案存在的最大困難在于由于絕緣設(shè)備或部件整體電壓分布的不均勻性，因此承受不同電場強(qiáng)度的絕緣介質(zhì)，需要內(nèi)嵌不同容量的分布式微電容，才能實現(xiàn)較為理想的整體均壓效果；而實際工程應(yīng)用中各種絕緣設(shè)備或部件的情況千差萬別，要針對性地設(shè)計絕緣介質(zhì)內(nèi)嵌分布式微電容的合適容量，并制備出相應(yīng)的絕緣介質(zhì)材料，無疑會使該項技術(shù)方案實現(xiàn)起來更加困難、 成本更加高昂。如果能夠使絕緣介質(zhì)內(nèi)嵌的分布式微電容容量具有電壓自適應(yīng)的效果，即絕緣介質(zhì)所處的電場強(qiáng)度越大，內(nèi)嵌的分布式微電容容量也越大，那么上述技術(shù)方案面臨的最大困難就可以得到完滿解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種具有自適應(yīng)均勻電場作用的非線性復(fù)合材料的制備方法，以解決已有技術(shù)中高壓輸變電系統(tǒng)絕緣設(shè)備或部件電壓分布不均勻的難題，抑制絕緣介質(zhì)局部高電場強(qiáng)度的作用，實現(xiàn)對其電場分布均勻性的有效控制。本發(fā)明提出的具有自適應(yīng)均勻電場作用的非線性復(fù)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(jìn)行研磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為180 220轉(zhuǎn)/ 分鐘，球磨6 10小時；(c)將球磨后的漿料置于干燥箱中進(jìn)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(jìn)行燒結(jié)，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(jìn)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(fā)，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(yīng)均勻電場作用的非線性復(fù)合材料。本發(fā)明提出的具有自適應(yīng)均勻電場作用的非線性復(fù)合材料的制備方法，其優(yōu)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(dāng)于在絕緣電介質(zhì)材料內(nèi)部嵌入了大量分布式、自適應(yīng)的微電容，制備得到可自適應(yīng)不均勻電場的硅橡膠基絕緣復(fù)合材料。將該材料應(yīng)用到存在強(qiáng)不均勻電場的高壓輸變電系統(tǒng)絕緣部件中，在高電場強(qiáng)度區(qū)域，該材料呈現(xiàn)大電容的特性，能夠起到有效降低電場強(qiáng)度的作用；在低電場強(qiáng)度區(qū)域， 該材料呈現(xiàn)小電容、高電阻的特性，使得絕緣部件整體電場強(qiáng)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(fù)合材料的應(yīng)用，能夠有效解決當(dāng)前面臨的高壓輸變電系統(tǒng)絕緣部件承受不均勻電場的難題。
具體實施方式
本發(fā)明提出的具有自適應(yīng)均勻電場作用的非線性復(fù)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(tǒng)避雷器閥片用ZnO壓敏電阻原料配方的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出的原料配方對
各種摻雜物的含量進(jìn)行了針對性的優(yōu)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(fù)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(jìn)行研磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為180 220轉(zhuǎn)/分鐘，球磨6 10小時；(c)將球磨后的漿料置于干燥箱中進(jìn)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(jìn)行燒結(jié)，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(jìn)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(fā)，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(yīng)均勻電場作用的非線性復(fù)合材料。
本發(fā)明制備的自適應(yīng)均勻電場作用的非線性復(fù)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(shù)與硅橡膠接近；隨著偏置電壓升高，材料介電常數(shù)緩慢增長；當(dāng)外加偏壓超過臨界閾值后，材料介電常數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)量級快速增長的趨勢。通過調(diào)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(fù)合材料介電特性的變化規(guī)律，使其滿足不同應(yīng)用場合的需要。將試驗制備的非線性硅橡膠基絕緣復(fù)合材料置于強(qiáng)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(qiáng)度變得比較均勻。以下介紹本發(fā)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(jìn)行研磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為180 220轉(zhuǎn)/ 分鐘，球磨6 10小時；(c)將球磨后的漿料置于干燥箱中進(jìn)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(jìn)行燒結(jié)，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(jìn)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(fā)，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(yīng)均勻電場作用的非線性復(fù)合材料。對試驗制備得到的非線性硅橡膠基絕緣復(fù)合材料進(jìn)行相關(guān)性能測試，材料呈現(xiàn)顯著的非線性介電特性在OV/mm外加偏壓下材料介電常數(shù)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(shù)緩慢增長，到600V/mm偏壓時，介電常數(shù)為20 ；當(dāng)外加偏壓超過600V/m后，材料介電常數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)量級快速增長的趨勢，在800V/mm偏壓下材
6料介電常數(shù)為50，1000V/mm偏壓下材料介電常數(shù)達(dá)到100，1300V/mm偏壓下材料介電常數(shù)達(dá)到250，1600V/mm偏壓下材料介電常數(shù)達(dá)到600。 試驗制備的硅橡膠基絕緣復(fù)合材料的非線性介電特性變化規(guī)律與內(nèi)部摻雜的壓敏ZnO粉體的性能、比例密切關(guān)系。通過調(diào)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(fù)合材料介電特性的變化規(guī)律，使其滿足不同應(yīng)用場合的需要。將試驗制備的非線性硅橡膠基絕緣復(fù)合材料置于強(qiáng)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(qiáng)度變得比較均勻。
權(quán)利要求
1. 一種具有自適應(yīng)均勻電場作用的非線性復(fù)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(jìn)行研磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為180 220轉(zhuǎn)/分鐘， 球磨6 10小時；(c)將球磨后的漿料置于干燥箱中進(jìn)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(jìn)行燒結(jié)，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(jìn)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(fā)， 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(yīng)均勻電場作用的非線性復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有自適應(yīng)均勻電場作用的非線性復(fù)合材料的制備方法，屬于電工材料技術(shù)領(lǐng)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(jìn)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(yīng)均勻電場作用的非線性復(fù)合材料。本發(fā)明制備的非線性復(fù)合材料，應(yīng)用到存在強(qiáng)不均勻電場的高壓輸變電系統(tǒng)絕緣部件中，有效降低電場強(qiáng)度的作用；在低電場強(qiáng)度區(qū)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(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)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(xué)研究院, 清華大學(xué)