电气强度/介电强度测试仪—复合材料工频电气强度研究

摘要：以乙烯基酯树脂浇注体及树脂传递模塑工艺成型的复合材料为研究对象，通过对复合材料不同厚度、不同方向进 行工频电气强度测试，以及对材料击穿部位的分析研究，初步探讨了复合材料厚度、复合材料纤维布层方向对工频电气强度的影响。

关键词：树脂传递模塑；复合材料；电气强度；击穿

无碱玻纤增强材料及乙烯基酷树脂基体，均具有良好的电绝缘性能和介电性能，无碱玻纤在常温下体积电阻率和表面电阻率均大于10¹⁵Ω·cm，在频率为10⁶Hz时的介电损耗角（tgδ）为1.1×10^-3，气介电常数ε为6.6；乙烯基酷树脂1mm浇注体耐电压为14~ 18kV，浇注体体积电阻和表面电阻一般≥10¹⁵Ω·cm，乙烯基酷复合材料体积电阻一般为10¹³~ 10¹⁴Ω·cm、表面电阻一般 10¹²Ω·cm。乙烯基酷树脂和不饱和聚酣树脂、环氧树脂等大多数高分子材料一样，具有良好的电绝缘性能，可用于电气材料领域。但通常人们更关注乙烯基酣树脂的耐腐蚀性能而不强调它的电气性能，有关乙烯基酣树脂及其复合材料的电气性能鲜有报道。本文对乙烯基酷浇注体、无碱玻纤／乙烯基酣复合材料电气强度进行研究，希望能为研究者提供参考和帮助。

1实验部分

1．1原材料

乙烯基酯树脂；无碱玻璃纤维双轴向(0°／90°)缝编织物，面密度约为730g／m²；无碱玻璃纤维斜纹布；面密度约为200 g／m²；固化剂110，促进剂，白色浆(钛白粉)，自制。

1.2   试样制作

1. 2. 1       树脂浇注体制备

在两块方形平板玻璃之间放置密封胶条，在密封胶条外侧设限位块，用夹具将两块玻璃夹紧，形成一个闭合的模腔，按树脂固化剂：促进剂＝100:1.5:0.15的比例搅拌均匀后倒人玻璃板模具中，常温固化后放入烘箱中，80℃保待2h进行后固化。

1．2．2 GF／VE复合材料板制备

在专用RTM平板注射模具中，铺设相应层数的 无碱玻璃纤维双轴向缝编织物及无碱玻璃纤维斜纹 布，纤维重量含量为55％一60％，合模后以VARTM 方式注射乙烯基酯树脂，常温固化后放入烘箱中， 80℃保持2h进行后固化。

1．2．3试样尺寸

试样规格1：树脂浇注体尺寸为：100mmx 100 mmx2mm;

试样规格2：复合材料板垂直纤维布层向：100 mmX100mmX2mm、150mm X 150mm X 5mm、150mmx 150mmx7mm、150mmx I50mmx10mm;

试样规格3：复合材料板平行纤维布层向：100 mmX25mmx 10mm。

1．3试验设备

    试验设备：ZJC-150E型击穿耐压测试仪，量程为150kV。

1．4测试依据及方法

测试标准：GB／T 1408．1—2006绝缘材料电气 强度试验方法。

(1)逐级升压法

在常温变压器油中，以2kV／s的速度升压至保压起压(不同试体板保压起压不同)，达到起压后保压20s；然后以2kV为一档，以2kV／s的速度升压， 每档保压停留20s直至50kV；50kV以上以5kV为 一档，以5kV／s的速度升压，每档保压停留20s。

(2)快速升压法

在常温变压器油中，以2kV／s的速度升压直至 试样击穿。

2结果与讨论

2．1 乙烯基酯树脂浇注体电气强度

表1为乙烯基酯树脂浇注体以不同升压方式进 行的电气强度测试结果。

表1 乙烯基酯树脂浇注体电气强度

从表1可以看出，采用不同升压方式，乙烯基酯 树脂浇注体的电气强度明显不同。采用逐级升压 法，其电气强度平均值为14.2kV／mm；采用连续升 压法，其电气强度平均值为19.2kV／mm。2mm树脂 浇注体连续升压法的电气强度比逐级升压法高约35％。

击穿电压是指物质能抗耐击穿及放电的最高电压梯度，当超过击穿电压时，物质全部结构变成不稳 定甚至破坏；固体物体的电击穿现象极为复杂，直到现在还没有一个wan全的理论。从表1测试结果可以看出，逐级升压法试样击穿时承受电压的时间为 99—137s，而快速升压法测试时直至击穿总用时约为20s，快速升压法试样耐受电压时间远远短于逐级 升压法，我们认为试样绝缘性能损失及材料击穿破 坏需要一定的时间，快速升压法材料受电荷作用的 时间短，所以它的电气强度明显高于逐级升压法。

2．2  2mm GF／VE复合材料板垂直层向电气强度

将3层双轴向缝编织物放入专用RTM平板模具中，合模，然后以VARTM方式注射。按要求固化 处理后得到复合材料板，并按试样规格2加工试样。为评价色浆对电气强度的影响，在4号板、5号板树脂胶液中加入质量比为4％的白色浆。测试结果见 表2和表3。

表2  VARTM成型2mm GF／VE复合材料板电气强度

表3 VARTM成型2mm GF／VE复合材料板

(加色浆)电气强度

从表1、表2的测试结果可以发现，2mm GF／VE 复合材料薄板的电气强度与相同厚度树脂浇注薄板 的电气强度基本一致甚至略高，与复合材料电气强 度一般较相同厚度的纯树脂低的通常认识不尽一致。这可能是由于采用VARTM成型时，树脂wan全 浸透玻璃纤维，复合材料的孔隙率低于1％，没有明 显缺陷，而无碱玻纤的电气性能与VE树脂浇注体 基本相当或略高，而树脂浇注体本身微观上存在较 多缺陷所致。

从表2、表3的测试结果可以看出，2mm复合材料板采用快速升压法，其电气强度均值为20.2kV／ mm，当加入4％白色浆时，其电气强度均值为18.8kV／mm，表明涂加色浆量在4％以下时，对复合 材料电气强度影响很小，测试结果也符合聚酯型FRP垂直纤维布层方向击穿电压(13—40)kV／mm 的文献结果.

从表3中4-1 -4-5及4-6-4-8的测试结果可以看出，同样的复合材料板以不同的升压方式进行测量，快速升压法的电气强度均值为18. 8kV/mm，逐级升压法的电气强度均值为13.6kV/mm，快速升压法的电气强度比逐级升压法高38%。

2．3  5mm GF／VE复合材料板垂直层向电气强度

将7层双轴向缝编织物放人专用RTM平板模 具中，合模，然后以VARTM方式注射；按固化要求处理后得到试体板，并按试样规格2加工试样。测试结果见表4。

表4 VARTM成型5mm GF／VE复合材料板

电气强度测试值

表4测试结果表明，5mm GF／VE复合材料板逐 级升压法的电气强度均值为9.3kV／mm。

2．4  7mm GF／VE复合材料板垂直层向电气强度

将10层双轴向缝编织物放入专用RTM平板模 具中，合模，然后以VARTM方式注射；按固化要求处理后得到试体板，并按试样规格2加工试样。测试结果见表5。

表5 VARTM成型7mm GF／VE复合材料板

电气强度测试值

表5测试结果表明，7mm GF／VE复合材料板的 电气强度均值为8．6kV／mm。

2．5  10mm GF／VE复合材料板垂直层向电气强度

将14层双轴向缝编织物放入专用RTM平板模 具中，合模，然后以VARTM方式注射；按要求固化 处理后得到试体板，并按试样规格2加工试样，测试结果见表6。

表6 VARTM成型10ram GF／VE复合材料板

电气强度测试值

表6测试结果表明，10mm GF／VE复合材料板 的电气强度均值为7.1kV／mm。

将2mm、5ram、7mm、10mm GF／VE复合材料板 的垂直层向电气强度均值作为纵坐标，复合材料板 厚度值作为横坐标，得到复合材料厚度与电气强度 的关系，如图1所。

2．6  GF／VE增强材料复合材料板平行层向电气强度

将2.5中的10mm板按试样规格3加工成试样 8-1~8-3，进行平行层向电气强度测试。

为评价多种增强材料复合层板平行纤维布层方向的电气性能，我们设计制作了4层斜纹布／11层 双轴向缝编织物／4层斜纹布的10mm厚复合材料层 板，按试样规格3加工成试样9-1～9-5，对比进行平行纤维布层方向电气强度测试，测试结果见表7。

表7 VARTM成型多种增强材料复合材料厚板电气强度

表7测试结果表明，8-2试样击穿部位在试样中 部，未形成电压方向(试样高度为25mm)的贯穿性 击穿，8-1、8-3在施加电压397s、429s后仍未击穿，表 明在电压施加方向厚度为25mm的情况下，即其平行纤维布层方向的电气强度可能达到4.8kV／mm以 上，只是由于设备测试能力受限，未能测出击穿强度值。结合垂直层向复合材料厚度与电气强度的对数 关系，我们认为双轴向缝编织物在浸润良好、层间无缺陷的情况下，其平行布层方向与垂直布层方向的 电气强度可能无明显差别。

从表7测试结果可以看出，多种增强材料复合 材料板加工的试样9-1~9-5的平行层向电气强度均 值为2.92kV／mm，全部在斜纹布与双轴向缝编织物的层间击穿，明显低于只有双轴向缝编织物的8-1～8-3试样的平行纤维布层方向电气强度，分析认为应 是由于斜纹布与缝编织物贴附较紧，界面结合处树 脂含量较低、孔隙率较高所致，而缝编织物层间有较明显的富树脂层，未形成明显的电气薄弱通道。

3结论

(1)对2mm厚度的树脂浇注体及GF／VE复合 材料，其快速升压的电气强度均明显高于逐级升压 的电气强度，其中树脂浇注体高35％，GF／VE复合 材料高38％；

(2)树脂中色浆涂加量在4％以下时，对复合材 料电气强度没有明显影响；

(3)GF／VE复合材料层板垂直纤维布层方向的 击穿电压随着厚度的增加而逐渐升高，但其电气强 度却随着厚度的增加逐渐下降，其复合材料厚度x与电气强度y的对数关系为y=-4.01ln(x)+16.22;

(4)单一缝编织物复合材料层板平行层向电气 强度明显优于缝编织物与斜纹布复合层板，复合层 板击穿部位均位于两种增强材料的层间。

电气强度/介电强度测试仪售后服务承诺：

一、运输：合同签订后负责试验机安全运输到买方要求地点。

二、验收：试验机按订货实际要求进行验收。最终验收在买方进行，对用户提供的试样进行试验，并提供测试报告。

三、培训：无需现场培训设备，用户可按照说明书操作或我司安排一名专业技术人员进行电话或视频教机。如需培训设备，我司安排一名技术人员在用户现场一次性免费培训操作人员2-3名，该操作人员应是由需方选派的长期稳定的员工，培训后能够对设备基本原理、软件使用、操作、维护事项理解和应用，使人员能够独立操作设备对样品进行检测、分析，同时能进行基本的维护。

四、软件升级：终生免费提供新版本控制软件。

五、保修：

1、设备保修三年，终身服务，三年内非人为损坏的零部件免费更换，保修期内接到用户邀请后， 最迟响应时间为1小时内，在与用户确认故障后，我公司会在48小时内派工程师到达现场进行免费服务，尽快查清故障所在位置和故障原因，并向用户及时报告故障的原因和排除办法 。

2、保修期内人为损坏的零部件按采购（加工）价格收费更换。

3、保修期外继续为用户提供优质技术服务，在接到用户维修邀请后3天内派工程师到达用户现场进行维修。并享有优惠购买零配件的待遇。