氧化铝填料形貌对芳纶纳米纤维绝缘纸性能的增强效应研究

作     者：王磊 

作者单位：石家庄铁道大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于刚;刘志平

授予年度：2023年

学科分类：082903[工学-林产化学加工工程] 08[工学] 0829[工学-林业工程] 082201[工学-制浆造纸工程] 0822[工学-轻工技术与工程] 

主      题：芳纶纳米纤维 绝缘纸 填料形貌 击穿路径 

摘      要：变压器在我国高速发展的特高压输电中起着至关重要的作用,如今特高压输电技术的大力发展,对于安全、稳定运行的变压器需求日益旺盛。变压器绝缘中最重要的部分为绝缘纸。传统绝缘纸由于材料本身绝缘强度差,不能满足如今飞速发展的特高压输电技术要求。芳纶绝缘纸由于良好的绝缘性能和高温稳定性被广泛关注,但其性能仍有待提高,所以芳纶复合绝缘纸成为当前研究热点之一。当前研究大多关注不同种类填料对于绝缘性能的增强,很少关注填料本身形貌对于绝缘性能的影响,且不同形貌的填料对于绝缘性能影响机理尚不明晰。本论文选择综合性能优异的芳纶纤维和不同形貌的氧化铝为原料,制备了绝缘性能优异的芳纶复合绝缘纸,并利用介电强度、体积电阻率等测试方法研究了氧化铝填料形貌对芳纶绝缘纸性能增强的影响,最后利用模拟仿真来解释不同形貌氧化铝对绝缘性能的影响。首先,利用碱熔法将芳纶纤维纳米化,将芳纶纳米纤维和球状氧化铝混合后,利用真空辅助抽滤法制备芳纶基复合绝缘纸,分析球状氧化铝对芳纶纸的绝缘性能影响规律及复合绝缘纸的高温老化性能。结果表明,球状氧化铝的添加有助于绝缘性能的提升,同时提高芳纶纸的耐高温性和高温老化性。当球状氧化铝添加比例为5%时,介电强度最高(172.3 k V/mm),体积电阻率最大(3.53×10Ω·cm),拉伸强度最高(145.87 MPa)。利用硅烷偶联剂(KH-550)处理来提高球状氧化铝的分散性,能够进一步提高芳纶纸的绝缘性能。其次,利用高温煅烧法制备了α和γ相的片状氧化铝。α-AlO高温下性质稳定,γ-AlO耐磨性好且易分散,将其和芳纶纳米纤维混合制备芳纶复合绝缘纸来研究片状氧化铝对绝缘性能的影响。结果表明,片状氧化铝的添加有助于提高芳纶纸的绝缘性能。和球状氧化铝相比,片状氧化铝对绝缘性能提高更明显,最佳添加比例为5%,对应最高介电强度为188.8 k V/mm(α-AlO)和182.6k V/mm(γ-AlO),最大体积电阻率为3.90×10Ω·cm(α-AlO)和3.74×10Ω·cm(γ-AlO),拉伸强度最高为155.76 MPa(α-AlO)和149.42 MPa(γ-AlO)。片状氧化铝经过硅烷偶联剂(KH-550)处理后,分散性提高,力学、绝缘性能也有提升。最后,利用Comsol软件对不同形貌氧化铝添加芳纶基复合材料的绝缘性能提升进行了仿真模拟,通过建立两种不同形貌氧化铝添加芳纶绝缘纸模型,从电场强度、漏电流密度和能量密度三方面来解释不同形貌氧化铝对绝缘性能提升原因,并分析了两种形貌氧化铝对应的击穿路径。结果发现,和球状氧化铝相比,片状氧化铝在匀化电场,降低漏电流密度和体系能量密度方面具有很大优势,能够更好的提高芳纶绝缘纸的抗击穿特性。