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纳米材料与技术在绝缘材料中应用现状报告

作者:888扑克手机版 发布时间:2020-06-25 11:04 点击数:

  纳米材料与技术在绝缘材料中应用现状报告_能源/化工_工程科技_专业资料。纳米材料与技术 在绝缘材料中应用及发展 报告人:唐安斌 单 位: 四川东材科技集团股份有限公司 国家绝缘材料工程技术研究中心 2010.3 以人为本 以质为生 以

  纳米材料与技术 在绝缘材料中应用及发展 报告人:唐安斌 单 位: 四川东材科技集团股份有限公司 国家绝缘材料工程技术研究中心 2010.3 以人为本 以质为生 以客为尊 以信为重 报 告 要 点 一、概述 二、纳米材料与技术在绝缘材料中应用 三、公司纳米技术相关重点项目介绍 以人为本 以质为生 以客为尊 以信为重 一、概述 研究现状 纳米技术在绝缘材料领域中应用途径 ?将纳米级粉料均匀地分散在聚合物树脂中 ?在聚合物内部形成或外加纳米级晶粒或非晶粒 物质 ?形成纳米级微孔或气泡 研究现状 纳米级粒子的结构特征和性能 ?巨大的比表面积,极高的表面活性,使其与树脂的相 互作用力大大增强。 ?导热性能好,纳米粒子在低温或超低温下几乎没有热 阻,如纳米氮化铝 (电绝缘体)的导热率即使在常温下也 比普通氮化铝高 4—5倍 研究现状 ?强烈的吸波能力,特殊的光学性能,纳米级的Y-Fe2O3,、 Al203和TiO2都是透明材料,对紫外线、红外线有极强的吸收 作用,且粒径越小,其吸收能力越强,在覆铜板中应用,可 以防止在线路板制作过程中曝光产生的重影等。 研究现状 ?在聚合物树脂内部形成大量纳米级气泡,它显示出特 殊的介电性能,如聚酰亚胺纳米微孔材料制成覆铜板, 其介电常数低于2.4,还同时具有高的强度和较低的吸水 率,可以作为低介电常数绝缘材料。 研究现状 在绝缘材料领域中应用的纳米材料 ? 云母:主要成分是钠、钾、铝的硅酸盐(Na2O.SiO2 K2O.SiO2 Al2O3.3SiO2) ? 蒙脱土:主要成分蒙脱石,是由两层Si—O四面体 和一层Al-O八面体,组成的层状硅酸盐晶体 ? 纳米二氧化硅 ? 纳米二氧化钛 SiO2 TiO2 研究现状 ?纳米碳酸钙 CaCO3 ?纳米粘土: 粘土中二氧化硅含量为43-55%,三氧 化二铁为1-3.5%,三氧化二铝为20-25%,二氧化钛 为0.8-1.2%。 在绝缘材料领域中应用的几种纳米粒子除了上述 6种外尚有纳米金属氧化物、碳化物、氮化物、硫化物 、微孔、大量的无机盐和聚合物(如橡胶)等,目前应 用较多的是纳米无机粒子。 研究现状 纳米技术在绝缘材料领域中应用特点 ?纳米粒子对绝缘材料的改性效果是用传统技术无 法达到的 ?改善机械性能:用传统技术提高绝缘材料的拉伸强度通常 会降低其伸长率,但用纳米技术既可大幅度提高绝缘材料的 拉伸强度,也能大幅度提高其伸长率,至少不会便其在拉伸 强度的峰值处产生伸长率降低。 研究现状 ?用传统技术提高绝缘材料的韧性,通常会降低其强度、耐 热性和阻燃性,但用纳米技术既可提高绝缘材料的韧性,也 能同时提高其强度、耐热性和阻燃性.即在增韧的同时也增 强了强度、耐热性和阻燃性。 ?采用纳米技术可有效改善绝缘材料的热传导性能,有效降 低材料的热膨胀系数、提高热稳定性,是开发高导热绝缘材 料的有效途径之一。 ?纳米颗粒能够从以下4 方面改善聚合物的电气绝缘性能: (1)改善聚合物的耐压时间, 提高耐电老化性能:纳米颗粒 可以减缓聚合物电树枝化的起始和发展,如纯环氧树脂 发生电树枝化的时间是1 h。 而加入适量纳米颗粒后电 树枝化的时间可延长到5 h。 (2) 改善聚合物抗局部放电能力:据报道, 加入纳米颗粒 后, 由于局放造成的表面刻蚀面积和深度均显著降低. 这归结于纳米颗粒可以减少高聚物材料中空间电荷的聚 积、降低空间电荷活动性. (3) 提高聚合物的击穿电压(介电强度). 以往的研究表明, 少量纳米氧化铝颗粒(0.5 wt%)的加入可以有效提高环氧材 料的击穿电压。 (4) 提高聚合物材料的电阻率. 纳米颗粒改善聚合物电阻 率的机理主要包括纳米颗粒对高分子链的阻隔效应、纳米颗 粒自身较高的电阻率以及可能的库仑阻塞效应. (5)提高耐电痕化与蚀损性能:耐电痕化与蚀损性特高压绝 缘材料的一个重要指标,欧美地区空气清洁, 电力设备受污染 小, 对耐电痕化要求较低. 我国空气污染严重, 电力设备积污 恶劣,采用纳米技术改性特高压绝缘材可能降低燃烧体系的温 度; 分解释放出的水和CO2 气体能稀释、阻隔可燃性气体;从 而提高材料的耐电痕化与蚀损性。 研究现状 基于以上特点,加强纳米材料在绝缘材料中的 应用及新产品开发点对于改造传统产品具有十分重 要的意义。 研究现状 纳米技术的应用目前还存在的一些技术问题 ?由于纳米级粉料非常细,在油漆、涂料中使用时会大幅度 提高粘度,从而增加了使用工艺的难度,必须研究降低粘 度的方法或其它改善措施。 ?用各种方法制得的不同纳米粒子或粉料极易团聚,便纳米 材料的制备、稳定地贮存或与树脂一起制造复合材料时均 匀分散造成很大的困难,因而必须研究行之有效的防团聚 的方法。 二、纳米材料与技术在绝缘材料中应用 纳米材料与技术在绝缘材料中应用 ?应用纳米技术发展纳米绝缘材料 纳米技术可以应用于绝缘材料领域。我们在将纳米级 (范围在1~100纳米之间)粉料通过一定的技术方法均匀 地分散在高分子树脂中,做到了固化后的绝缘材料在不损 失绝缘性能的前提下,在内部结构中形成纳米级粒子的结 构特征,从而使纳米绝缘材料(复合型材料)表现出一系 列纳米材料所独特而又奇异的性能,拓展了绝缘材料产品 应用的新领域。 纳米材料与技术还有许多尚未可知的领域等待我们去开 发,未来纳米材料及其技术在绝缘材料产品的应用将是十 分广阔的,新型纳米绝缘材料领域也是极具发展前景的。 纳米材料与技术在绝缘材料中应用 高导热绝缘材料 对于绝缘材料,由于没有电子流的运动, 它们的导热性要比金属材料相差500~1000倍 ,到目前为止,还没有一种高分子材料同时具 有好的导热性和绝缘性。 ? 电机中,由于电流通过导体、介质损耗和电磁感应 引起的铁磁损耗、涡流损耗等会产生较多的热量。 电机中,热量的散发主要有辐射、对流和传导三种 方式 ? ? 提高绝缘材料的热导率,可以有效地降低电机铁芯 的温度,降低损耗,增加经济效益 ? ? ? 温度是导致绝缘材料的电性能、机械性能和寿命 降低(绝缘材料的老化)以及绝缘件松动的重要原 因 选择绝缘结构时,绝缘材料的耐热性和导热性是 必须同时考虑 高压空冷电机对绝缘材料导热性要求更高 高导热云母带研究情况 国际水平:导热率达到0.4~0.5 W/(m·K), 比普通云母带提高40~50% 类型: 高导热多胶粉云母带(ABB) 高导热少胶粉云母带(Isola) ? ? ? ? ? ? ? ? 存贮时间减短 填料沉降 填料粘辊 填料分层 增厚 拉伸强度降低 击穿电压下降 室温电老化时间减短 胶粘剂 耐电晕聚酰亚胺薄膜 交流电机变频 调速技术 节电25%-48% 电 晕 绝缘体系短时损坏 新型耐电晕绝缘材料 通用型聚酰 亚胺薄膜 耐电晕性能 提高 耐电晕聚酰 亚胺薄膜 ?耐电晕薄膜绕包线 该产品是用耐电晕聚酰亚胺薄膜(Kapton CR)涂上氟树脂(FCR ),叠包在裸扁铜线上并烧结成型,这种电磁线有良好的耐电晕性、导 热性和耐热性(C级),性能稳定可靠 ?耐电晕薄膜绕包玻璃丝的导线 例如:单玻璃丝包双层聚酰亚胺薄膜绕包绕组线mm,其特点是弯曲后的工频击穿电压在3kv以上,匝间绝缘在振 动疲劳次数达到107次时,击穿电压才开始下降;耐热老化性能良好,耐 温指数为F级;耐冲击电压性优良,试验表明用幅值为5KV的标准冲击波 ,连续冲击2.85×106次,绕组线匝间绝缘不击穿 ?耐电晕聚酰亚胺薄膜的应用 ? ? ? 电线电缆绝缘 航空导线绝缘 高压电机绝缘 耐电晕漆包线及漆 ? 目前国际市场上的耐电晕电磁线(漆)分类: ? 以美国Phelps Dodge公司的TZQS为代表的三层 复合结构电磁线 TZQS结构为铜导线(a)、耐高温的聚酯亚胺底漆 (b) 、专门的耐电晕中间涂层(c) 、聚酰胺酰亚胺 面漆 (d) : d c b a 由此组成的“sandwich”结构能够抵抗电晕脉冲对绝缘的冲击,防 止绝缘过早损坏。中间涂层所用的专用电磁线漆含有Ti﹑Si﹑Zn﹑Mg等 纳米金属氧化物,与云母绝缘一样,具有抵抗电压脉冲引起局部放电的 能力,并能消除脉冲快速上升时间内积聚的空间电荷 ?单涂层的特种电磁线(原德国Herberts公司) 如E3599IPDR,它是一种能改善局部放电性能的耐高温漆包线漆, 可提高局部放电的起始电压,适用于0.1~ 0.5mm的圆线,也适用于 各种扁线,可使用模具或毛毡涂制1级或2级漆膜。据称可以涂制单 涂层的特种电磁线 ?国内耐电晕漆包线及漆的性能 项 目 名 称 漆 外 观 样 的 固体含量,% 性 能 粘 度,20℃ 涂 外 观 制 线 柔韧性和附着力 样 的 性 能 圆棒卷绕 急拉断 热 冲220℃,30min 软化击穿,320℃ 单向刮漆,N(平均 /最小) 击穿电压,常态,KV 漆膜连续性,30m 耐电晕寿命※,小时 目 标 微浑均匀液体,无机械杂 质 ≥35 500~1000mpa· s 光滑、均匀,无影响性能 的缺陷 实测值 OK ※:a.线 合格 电晕漆包线℃的测试条件下, 线小时, Phelps Dodge的耐电晕寿命 为200小时 c.采用美国DEI公司的DTS -1750A测试(25ns、3500V 、20KHz、130℃),线D不开裂 漆膜不开裂 2D >2min 11.3/9.6 合格 合格 1D 合格 19.0/18.9 >5.0 针孔<5个 12.8 0 230 Phelps Dodge的耐电晕寿命 为30~40分钟 为变频电机配套的绝缘材料的基本要求 ?应具备的特性是:有较高的耐热性能、密实无气隙、有较优 良的耐电晕、耐局部放电、耐电腐蚀等方面的性能 ?不同耐热等级的变频绝缘材料其基体树脂也不同,如 155 级可以选用环 氧树脂、聚酯亚胺等,电力机车配套的180级、200级变频绝缘材料选择聚 酰亚胺等为基体树脂,再采用纳米技术填充足量的TiO2、Al(OH)3、SiO2或 云母粉粒,可以改善其耐电晕、耐局部放电性能。这方面我国已初获成功 ,但还应继续研究 ?变频调速三相异步电动机和中高压交流变频调速电动机绝缘结构形式和 要求有所不同,对绝缘材料的选用也有差异 PET纳米复合材料 三、纳米技术相关重点项目介绍 PET纳米复合材料 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是重要的合成材料之 一,价格低廉,具有优良的耐磨性、耐热性、耐化学药品 性、电绝缘性和力学强度高等特性,自问世以来,广泛应 用于纤维、绝缘薄膜、饮料包装和工程塑料等领域。 纳米材料由于其显著的“尺寸效应”、“表面效应” 被广泛应用于高分子材料的改性,使之具有更独特的性能 。 目前国内外许多工作者都在通过各种手段,采用纳米 新技术及先进的制造工艺,将纳米材料应用于PET的改性中 ,以提高其表面性能、提高PET的结晶速率、力学性能、耐 热性和尺寸稳定性。 PET纳米复合材料 四川东材科技集团股份有限公司近年来 对纳米材料改性PET进行了深入的研究,通 过内添加及外添加等不同的方法使纳米材料 与PET有机结合,大幅度提高的PET自身的耐 热性、阻隔性、阻燃性、光学性能及机械性 能,并使相关产品实现了工业化。 PET纳米复合材料 无卤阻燃PET纳米复合材料 ?随着人们安全意识的提高, PET以阻燃性能越来 越受到重视 ?目前市场上大多使用的阻燃PET为含卤素阻燃剂 的阻燃PET ?但由于含卤阻燃剂在燃烧时发烟量大,且放出有 毒致癌物质,因此此种阻燃技术已开始逐步淘汰 ?无卤阻燃正成为新的发展趋势。 PET纳米复合材料 ?采用新型高效无卤共聚型活性阻燃剂与特殊的纳 米材料复配,通过共缩聚得到目标产物。 ?突破了阻燃成分含量低的瓶颈,使极限氧指数大 幅度提高至56%, ?由于纳米材料的加入使PET燃烧时耐热性能和成碳 性能提高,很好的解决了PET燃烧融滴现象,提高 了PET的阻燃等级。 PET纳米复合材料 ?已将无卤阻燃PET纳米复合材料应用于薄膜和纺织纤维 ?阻燃薄膜均通过UL测试,达到94UL VTM-0级(0.036mm~ 0.20mm)及94UL V-0级(0.25mm~0.35mm)填补了国内空白,达 到国际领先水平 ?纺织纤维具有优异的阻燃性能,制备的阻燃地毯临界热辐 射通量高达7.4kw/m2,远高于Cfl级标准(≥4.5kw/m2),而 且经纳米材料复合后其结晶度和结晶速率均有很大提高,显 示出更高的强度和模量 ?准备推广应用于军服、军用帐篷及工业高强丝等领域。 ?09年相关产品实现销量2000余吨,销售收入6000多万元。 ?近期新上年产5万吨特种聚酯切片项目 PET纳米复合材料 高阻隔PET纳米复合材料 ?由于PET对水蒸气、二氧化碳、氧气、紫外光等介 质的阻隔作用不强,使其在食品药品包装及太阳能 背板封装中的使用还受到一定的限制。 ? 纳米材料加入到PET基体中后能够降低气体在聚 合物中的透过率。 ? 若将复合材料拉伸取向,使剥离纳米材料片层在 聚合物基体中按一定方向取向,复合材料对气体的 阻隔性还会进一步提高。 PET纳米复合材料 ?东材科技将改性合成的PET纳米复合材料经双向拉伸制膜 ,所得薄膜对水蒸气的阻隔性大幅度提高(水蒸气透过率 ≤1.5g/m2.24h;0.25mm;85%湿度;85 ℃。普通 PET膜水蒸气透过率 为2.5g/m2.24h;0.25mm),达到国际水平,填补了国内空白 ?制作的太阳能背板组件的寿命可以达到25年 ?生产的PET纳米复合瓶片,在降低氧气与二氧化碳透过率 的同时,还提高瓶片的耐热温度。 PET纳米复合材料 ? 试制产品通过了国内主要太阳能电池背板膜组件生产 商中国乐凯、苏州中来、常熟冠日等公司严格检验和 测试,同时也得到了日本凸版、美国霍尼韦尔、意大 利等国外太阳能电池背板膜厂商的认可。2009年仅7~ 12月就试制光伏电池背板薄膜1000余吨。销售收入 3000多万元 ? 近期新上年产1.5万吨光伏电池背板薄膜生产线项目 PET纳米复合材料 高透明聚酯薄膜关键技术研发 ? 本项目旨在满足ITO柔性透明导电薄膜、印刷 、光学等行业替代进口产品(日本东丽、韩国 SKC的产品)的需要。目前高透明聚酯薄膜在我 国研发刚刚起步,其发展前景广阔。国内产品 存在平整度不好、表面有划伤、薄膜的雾度偏 大等问题,影响使用 以人为本 以质为生 以客为尊 以信为重 PET纳米复合材料 ? 本项目采用含有特殊纳米添加剂的PET母料与聚 酯切片按照一定比例熔融挤出并经双轴拉伸的加 工方法制造高透明聚酯薄膜。重点解决纳米添加 剂在PET母料合成中的凝聚而造成的分散性不均 问题;解决薄膜的收卷平整性及表面质量(如麻 点、划伤等)的问题。 PET纳米复合材料 ?高透明聚酯薄膜关键技术指标 厚 度 0.10mm 0.125mm 0.175mm 0.25mm 拟研高透明聚酯薄膜 雾度(%) 透光率(%) ≤1.3 ≥89 ≤1.5 ≥89 ≤2.0 ≥89 ≤3.0 ≥89 日本东丽 T60 雾度(%) 透光率(%) 1.3 89 1.6 85.6 2.0 85.1 3.0 84 PET纳米复合材料 多相复合导磁特种层压板材 ? 采用浆料法有效地将纳米级铁氧粉体混合到树脂中 ,再经浸渍玻璃布后热压成型,制得了相对磁导率 达15.4的多相复合导磁特种层压板材,应用于齿槽 电机定子槽口,有效地降低了电动机铁耗40~60%, 空载电流5~10%,降低温升10~35%,不但提高电 机使用寿命和运行稳定性,还可以节约大量的能源 ,具有较大的经济、社会效益。 以人为本 以质为生 以客为尊 以信为重 导磁板性能 指标 测试值 常温相对磁导率 弯曲强度 ≥9 ≥180MPa 最高达到15.4 192MPa 冲击强度 高温相对磁导率 (155℃±5℃) ≥70kJ/m2 8 ±1 105kJ/m2 150℃下相对磁导率 比常温仅减少0.6%, 达到9.3。 热稳定性: (180℃,24小时) 无分层、 起泡 达到 高性能不饱和聚酯玻璃纤维增强片状模塑料 ? 采用纳米、微米不同粒径、不同功能的无机填料搭 配使用,成功地解决了不饱和聚酯玻璃纤维增强模 塑料在压制过程中流动性较差,制品普遍存在的气 隙率高的问题,使得压制件的机械性能和电气性能 显著提高。产品成功应用与特高压输变电和、柔性 直流输变电槽梁和高速机车等领域。 高强度SMC板 弯曲强度 冲击强度 平行层向击穿电 压 耐电弧性 指标 ≥200MPa ≥90kJ/m2 ≥35kv ≥180s 测试值 237MPa 135kJ/m2 50 通过 耐漏电起痕指数 燃烧性 ≥500v V-0级 600 通过 功能纳米型少胶云母带(在研) ? 利用云母本身的天然纳米结构,采用新工艺对云母 纸进行处理,通过对基体树脂的改性、助剂和浸渍 工艺的选择,更加有效的形成纳米插层云母复合材 料,以期适用于大型发电设备新型VPI工艺,改善主 结构整体性,提高机械应力抵抗能力及电机运行寿 命,优化高压电机定子线棒(圈)主绝缘结构并提 供绝缘结构进一步的减薄设计的空间。 以人为本 以质为生 以客为尊 以信为重


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