復合材料電氣強度測試儀—復合材料工頻電氣強度試驗研究

1實驗部分

1．1原材料

乙烯基酯樹脂；無堿玻璃纖維雙軸向(0°／90°)縫編織物，面密度約為730g／m²；無堿玻璃纖維斜紋布；面密度約為200 g／m²；固化劑110，促進劑，白色漿(鈦白粉)，自制。

1.2   試樣制作

1. 2. 1     樹脂澆注體制備

在兩塊方形平板玻璃之間放置密封膠條，在密封膠條外側設限位塊，用夾具將兩塊玻璃夾緊，形成一個閉合的模腔，按樹脂固化劑：促進劑＝100:1.5:0.15的比例攪拌均勻后倒人玻璃板模具中，常溫固化后放入烘箱中，80℃保待2h進行后固化。

1．2．2 GF／VE復合材料板制備

在專用RTM平板注射模具中，鋪設相應層數的 無堿玻璃纖維雙軸向縫編織物及無堿玻璃纖維斜紋 布，纖維重量含量為55％一60％，合模后以VARTM 方式注射乙烯基酯樹脂，常溫固化后放入烘箱中， 80℃保持2h進行后固化。

1．2．3試樣尺寸

試樣規格1：樹脂澆注體尺寸為：100mmx 100 mmx2mm;

試樣規格2：復合材料板垂直纖維布層向：100 mmX100mmX2mm、150mm X 150mm X 5mm、150mmx 150mmx7mm、150mmx I50mmx10mm;

試樣規格3：復合材料板平行纖維布層向：100 mmX25mmx 10mm。

1．3試驗設備

    試驗設備：ZJC-150E型擊穿耐壓測試儀，量程為150kV。

1．4測試依據及方法

測試標準：GB／T 1408．1—2006絕緣材料電氣 強度試驗方法。

(1)逐級升壓法

在常溫變壓器油中，以2kV／s的速度升壓至保壓起壓(不同試體板保壓起壓不同)，達到起壓后保壓20s；然后以2kV為一檔，以2kV／s的速度升壓， 每檔保壓停留20s直至50kV；50kV以上以5kV為 一檔，以5kV／s的速度升壓，每檔保壓停留20s。

(2)快速升壓法

在常溫變壓器油中，以2kV／s的速度升壓直至 試樣擊穿。

2結果與討論

2．1 乙烯基酯樹脂澆注體電氣強度

表1為乙烯基酯樹脂澆注體以不同升壓方式進 行的電氣強度測試結果。

表1 乙烯基酯樹脂澆注體電氣強度

從表1可以看出，采用不同升壓方式，乙烯基酯 樹脂澆注體的電氣強度明顯不同。采用逐級升壓 法，其電氣強度平均值為14.2kV／mm；采用連續升 壓法，其電氣強度平均值為19.2kV／mm。2mm樹脂 澆注體連續升壓法的電氣強度比逐級升壓法高約35％。

擊穿電壓是指物質能抗耐擊穿及放電的最高電壓梯度，當超過擊穿電壓時，物質全部結構變成不穩 定甚至破壞；固體物體的電擊穿現象極為復雜，直到現在還沒有一個wan全的理論。從表1測試結果可以看出，逐級升壓法試樣擊穿時承受電壓的時間為 99—137s，而快速升壓法測試時直至擊穿總用時約為20s，快速升壓法試樣耐受電壓時間遠遠短于逐級 升壓法，我們認為試樣絕緣性能損失及材料擊穿破 壞需要一定的時間，快速升壓法材料受電荷作用的 時間短，所以它的電氣強度明顯高于逐級升壓法。

2．2  2mm GF／VE復合材料板垂直層向電氣強度

將3層雙軸向縫編織物放入專用RTM平板模具中，合模，然后以VARTM方式注射。按要求固化 處理后得到復合材料板，并按試樣規格2加工試樣。為評價色漿對電氣強度的影響，在4號板、5號板樹脂膠液中加入質量比為4％的白色漿。測試結果見 表2和表3。

表2  VARTM成型2mm GF／VE復合材料板電氣強度

表3 VARTM成型2mm GF／VE復合材料板

(加色漿)電氣強度

從表1、表2的測試結果可以發現，2mm GF／VE 復合材料薄板的電氣強度與相同厚度樹脂澆注薄板 的電氣強度基本一致甚至略高，與復合材料電氣強 度一般較相同厚度的純樹脂低的通常認識不盡一致。這可能是由于采用VARTM成型時，樹脂wan全 浸透玻璃纖維，復合材料的孔隙率低于1％，沒有明 顯缺陷，而無堿玻纖的電氣性能與VE樹脂澆注體 基本相當或略高，而樹脂澆注體本身微觀上存在較 多缺陷所致。

從表2、表3的測試結果可以看出，2mm復合材料板采用快速升壓法，其電氣強度均值為20.2kV／ mm，當加入4％白色漿時，其電氣強度均值為18.8kV／mm，表明涂加色漿量在4％以下時，對復合 材料電氣強度影響很小，測試結果也符合聚酯型FRP垂直纖維布層方向擊穿電壓(13—40)kV／mm 的文獻結果.

從表3中4-1 -4-5及4-6-4-8的測試結果可以看出，同樣的復合材料板以不同的升壓方式進行測量，快速升壓法的電氣強度均值為18. 8kV/mm，逐級升壓法的電氣強度均值為13.6kV/mm，快速升壓法的電氣強度比逐級升壓法高38%。

2．3  5mm GF／VE復合材料板垂直層向電氣強度

將7層雙軸向縫編織物放人專用RTM平板模 具中，合模，然后以VARTM方式注射；按固化要求處理后得到試體板，并按試樣規格2加工試樣。測試結果見表4。

表4 VARTM成型5mm GF／VE復合材料板

電氣強度測試值

表4測試結果表明，5mm GF／VE復合材料板逐級升壓法的電氣強度均值為9.3kV／mm。

2．4  7mm GF／VE復合材料板垂直層向電氣強度

將10層雙軸向縫編織物放入專用RTM平板模 具中，合模，然后以VARTM方式注射；按固化要求處理后得到試體板，并按試樣規格2加工試樣。測試結果見表5。

表5 VARTM成型7mm GF／VE復合材料板

電氣強度測試值

表5測試結果表明，7mm GF／VE復合材料板的 電氣強度均值為8．6kV／mm。

2．5  10mm GF／VE復合材料板垂直層向電氣強度

將14層雙軸向縫編織物放入專用RTM平板模 具中，合模，然后以VARTM方式注射；按要求固化 處理后得到試體板，并按試樣規格2加工試樣，測試結果見表6。

表6 VARTM成型10ram GF／VE復合材料板

電氣強度測試值

表6測試結果表明，10mm GF／VE復合材料板 的電氣強度均值為7.1kV／mm。

將2mm、5ram、7mm、10mm GF／VE復合材料板 的垂直層向電氣強度均值作為縱坐標，復合材料板 厚度值作為橫坐標，得到復合材料厚度與電氣強度 的關系，如圖1所。

2．6  GF／VE增強材料復合材料板平行層向電氣強度

將2.5中的10mm板按試樣規格3加工成試樣 8-1~8-3，進行平行層向電氣強度測試。

為評價多種增強材料復合層板平行纖維布層方向的電氣性能，我們設計制作了4層斜紋布／11層 雙軸向縫編織物／4層斜紋布的10mm厚復合材料層 板，按試樣規格3加工成試樣9-1～9-5，對比進行平行纖維布層方向電氣強度測試，測試結果見表7。

表7 VARTM成型多種增強材料復合材料厚板電氣強度

表7測試結果表明，8-2試樣擊穿部位在試樣中 部，未形成電壓方向(試樣高度為25mm)的貫穿性 擊穿，8-1、8-3在施加電壓397s、429s后仍未擊穿，表 明在電壓施加方向厚度為25mm的情況下，即其平行纖維布層方向的電氣強度可能達到4.8kV／mm以 上，只是由于設備測試能力受限，未能測出擊穿強度值。結合垂直層向復合材料厚度與電氣強度的對數 關系，我們認為雙軸向縫編織物在浸潤良好、層間無缺陷的情況下，其平行布層方向與垂直布層方向的 電氣強度可能無明顯差別。

從表7測試結果可以看出，多種增強材料復合 材料板加工的試樣9-1~9-5的平行層向電氣強度均 值為2.92kV／mm，全部在斜紋布與雙軸向縫編織物的層間擊穿，明顯低于只有雙軸向縫編織物的8-1～8-3試樣的平行纖維布層方向電氣強度，分析認為應 是由于斜紋布與縫編織物貼附較緊，界面結合處樹 脂含量較低、孔隙率較高所致，而縫編織物層間有較明顯的富樹脂層，未形成明顯的電氣薄弱通道。

3結論

(1)對2mm厚度的樹脂澆注體及GF／VE復合 材料，其快速升壓的電氣強度均明顯高于逐級升壓 的電氣強度，其中樹脂澆注體高35％，GF／VE復合 材料高38％；

(2)樹脂中色漿涂加量在4％以下時，對復合材 料電氣強度沒有明顯影響；

(3)GF／VE復合材料層板垂直纖維布層方向的 擊穿電壓隨著厚度的增加而逐漸升高，但其電氣強 度卻隨著厚度的增加逐漸下降，其復合材料厚度x與電氣強度y的對數關系為y=-4.01ln(x)+16.22;

(4)單一縫編織物復合材料層板平行層向電氣 強度明顯優于縫編織物與斜紋布復合層板，復合層 板擊穿部位均位于兩種增強材料的層間。

復合材料電氣強度測試儀實驗設備

電壓擊穿試驗儀ZJC-100E    1臺（北京智德創新儀器設備有限公司）

等直徑電極                  1套

游標卡尺                           1條

臺式計算機及控制軟件        1臺