電氣強度/介電強度測試儀—復合材料工頻電氣強度研究

摘要：以乙烯基酯樹脂澆注體及樹脂傳遞模塑工藝成型的復合材料為研究對象，通過對復合材料不同厚度、不同方向進 行工頻電氣強度測試，以及對材料擊穿部位的分析研究，初步探討了復合材料厚度、復合材料纖維布層方向對工頻電氣強度的影響。

關鍵詞：樹脂傳遞模塑；復合材料；電氣強度；擊穿

無堿玻纖增強材料及乙烯基酷樹脂基體，均具有良好的電絕緣性能和介電性能，無堿玻纖在常溫下體積電阻率和表面電阻率均大于10¹⁵Ω·cm，在頻率為10⁶Hz時的介電損耗角（tgδ）為1.1×10^-3，氣介電常數ε為6.6；乙烯基酷樹脂1mm澆注體耐電壓為14~ 18kV，澆注體體積電阻和表面電阻一般≥10¹⁵Ω·cm，乙烯基酷復合材料體積電阻一般為10¹³~ 10¹⁴Ω·cm、表面電阻一般 10¹²Ω·cm。乙烯基酷樹脂和不飽和聚酣樹脂、環氧樹脂等大多數高分子材料一樣，具有良好的電絕緣性能，可用于電氣材料領域。但通常人們更關注乙烯基酣樹脂的耐腐蝕性能而不強調它的電氣性能，有關乙烯基酣樹脂及其復合材料的電氣性能鮮有報道。本文對乙烯基酷澆注體、無堿玻纖／乙烯基酣復合材料電氣強度進行研究，希望能為研究者提供參考和幫助。

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。

電氣強度/介電強度測試儀售后服務承諾：

一、運輸：合同簽訂后負責試驗機安全運輸到買方要求地點。

二、驗收：試驗機按訂貨實際要求進行驗收。最終驗收在買方進行，對用戶提供的試樣進行試驗，并提供測試報告。

三、培訓：無需現場培訓設備，用戶可按照說明書操作或我司安排一名專業技術人員進行電話或視頻教機。如需培訓設備，我司安排一名技術人員在用戶現場一次性免費培訓操作人員2-3名，該操作人員應是由需方選派的長期穩定的員工，培訓后能夠對設備基本原理、軟件使用、操作、維護事項理解和應用，使人員能夠獨立操作設備對樣品進行檢測、分析，同時能進行基本的維護。

四、軟件升級：終生免費提供新版本控制軟件。

五、保修：

1、設備保修三年，終身服務，三年內非人為損壞的零部件免費更換，保修期內接到用戶邀請后， 最遲響應時間為1小時內，在與用戶確認故障后，我公司會在48小時內派工程師到達現場進行免費服務，盡快查清故障所在位置和故障原因，并向用戶及時報告故障的原因和排除辦法 。

2、保修期內人為損壞的零部件按采購（加工）價格收費更換。

3、保修期外繼續為用戶提供優質技術服務，在接到用戶維修邀請后3天內派工程師到達用戶現場進行維修。并享有優惠購買零配件的待遇。