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Fe3O4/TPU纤维定向改性环氧树脂电气性能思考
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  • 编辑:vicky
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  • 论文编号:el2021112114452325972
  • 日期:2021-11-21
  • 来源:上海论文网

电力论文哪里有?本文采用静电纺法制备磁性纤维,再利用磁场诱导取向实现环氧树脂的定向改性。并对复合材料分别进行导热性能和电气性能的测试,研究纤维取向、直径、长度对上述两项性能的影响,并分析相关作用机理。


1 绪论


1.2 研究现状

1.2.1 取向复合材料的应用

当在高分子聚合物内部填充高导热颗粒时,但由于颗粒在复合材料内部为无取向性的随机填充,故在热流方向上,复合材料内部难以形成同方向的热量传输网链,复合导热性能提升不明显。因此,简单填充高导热无机颗粒很难使材料的导热性能取得突破性提升。当对填充的纳米颗粒进行取向化操作后,可使复合材料当中的高导热颗粒沿热流方向进行取向排列,以构建高效的热量传输通道,热量便会沿着热流同方向的传播方向快速散出,从而使得复合材料的导热性能得到显著提升。

在填充微、纳米改性环氧树脂领域,由于纯环氧树脂的热导率仅约为 0.2 W/(m·K),散热性较差,不能满足当前电力系统的发展需求[19-20],国内外学者开始对填料进行取向操作来提高环氧复合材料的导热性能。陈伟[21]等人通过化学共沉淀法制备了具有超顺磁性的Fe3O4-MWCNTs(多壁碳纳米管)复合粒子填充环氧树脂,在固化过程中施加磁场以进行取向操作。并通过 SEM 观测到 Fe3O4 纳米颗粒已附着在 MWCNTs 表面,并且磁化后的碳纳米管在环氧树脂中排列整齐,出现首尾相接的形式。导热性能测试结果显示,该复合材料的导热性能呈明显的各向异性,即复合材料在平行方向上的导热率明显高于垂直轴向导热率。

郝毅杰等人以液相剥离法结合水热法制备了石墨烯(G)和磁性石墨烯(MG),并以此为环氧树脂填料,分别制备了有无定向的 MG/EP 复合材料[22]。导热性能结果表明,与非定向石墨烯复合材料相比,经磁性石墨烯定向改性后的复合材料导热系数明显提升。

Zhang T 用 Ag 颗粒修饰 h-BN 表面后,再将其与环氧树脂混合均匀,并在 120℃高温下进行预固化,然后采用热压固化法实现 BN 在水平方向的良好取向[23]。导热性能测试结果显示,复合材料在水平方向的导热系数得到了显著提升,达 23.1W/(m·K),同时使复合材料在水平方向的拉伸强度远高于普通混合的样品。

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3 复合材料的制备及性能测试


3.1 复合材料制备

3.1.1 实验原材料及设备

本实验样品基体选用双酚 A 型环氧树脂 E-51,其分子结构如图 3-1 所示,双酚 A 型环氧树脂,在常温下呈浅黄色透明粘稠状,平均分子量较高,其性能指标及生产厂家如表 3-1所示:

图3-1 环氧树脂结构

图3-1 环氧树脂结构

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4 复合材料导热性能与电气性能


4.1 导热性能测试结果及分析

4.1.1 导热性能测试结果

图 4-1 中(a)和(b)分别是 0.3M 纤维在不同填充量下,复合材料在 P 方向和 V 方向上的 B 端温度变化曲线图,图 4-1 中(c)为 0.3M 纤维填充下,填充量分别为 5wt%、7wt%时复合材料 P、V 两个方向上与无定向填充复合材料的 B 端温度变化对比曲线图。

由图 4-1(a)(b)可以看出,相比无填充环氧,经 Fe3O4/TPU 纤维改性后的复合材料无论是在 P 方向还是 V 方向热传递能力均有提高,并且随着纤维填充量的增多 b 端温度变化呈上升趋势,且添加量在 7wt%时热源对端温度的变化最为显著。

在 7wt%填充量下,在平行方向上,复合材料 B 点温度比垂直方向平均高 0.44℃,且稳态温度提升为无填充环氧树脂的 2.01 倍。以测试稳定后 B 点温度与测试时间的比值为导热速率,计算可得,复合材料在平行和垂直方向的导热速率分别为 1.58℃/min 和 1.565℃/min,平行方向较垂直方向提高了 0.958%。可见,相比无填充环氧树脂,经 Fe3O4/TPU 定向填充后,复合材料的导热性能提升明显,且复合材料在纤维取向平行方向上的导热性能优于垂直方向。

(a)0.3mm-M-P (b)0.3mm-M-V

(a)0.3mm-M-P (b)0.3mm-M-V

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4.2 电气性能测试结果及分析

4.2.1 表面电阻率和体积电阻率

图 4-5 为在相同 M 长度下,填充纤维直径为 0.5mm 和 0.3mm 的复合材料表面电阻率,当填充纤维直径为 0.5mm 填充量为 9wt%时,沿 P 方向的表面电阻率达到最小值 1.67×1012Ω,相较为 V 方向降低了 14.8%;当填充纤维直径为 0.3mm 填充量为 5wt%时,复合材料沿 P 方向的表面电阻率为 4.23×1012Ω,相较 V 方向降低了 21.1%。

图4-5 纤维取向对复合材料表面电阻率的影响

图4-5 纤维取向对复合材料表面电阻率的影响

不难看出,经磁性纤维改性后的 EP 表面绝缘电阻下降明显,未经取向化操作的复合材料表面电阻率要明显高于经取向化操作的复合材料;,复合材料在表面电阻率上呈现明显的各向异性,即 P 方向上的复合材料表面电阻率均低于 V 方向。此外,复合材料表面电阻率的各向异性差距在随着添加量增大时有所减小,这说明磁性纤维填充量的增大与材料表面电阻率各向差异性无关。

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5 结论与展望


5.1 结论

本文采用静电纺法制备磁性纤维,再利用磁场诱导取向实现环氧树脂的定向改性。并对复合材料分别进行导热性能和电气性能的测试,研究纤维取向、直径、长度对上述两项性能的影响,并分析相关作用机理,得到如下结论:

(1)Fe3O4 在纤维上分散性较好,Fe3O4/TPU 纤维表面较光滑且磁响应能力强,利用磁场诱导取向后的纤维在复合材料中水平排列一致,纤维长度在 0.8mm~1.1mm 时,其在复合材料中的平均偏移角度为 4.5°。

(2)由导热性能的测试结果可知,Fe3O4/TPU 纤维提高了复合材料的导热性能,纤维定向改性后的复合材料在 7wt%纤维填充下,平行方向的温度变化速率约为无填充环氧的2.01 倍;随着纤维直径的增大,复合材料的导热性能略有提升,而纤维长度对导热性能影响不大

(3)对复合材料的电气性能研究表明,在填充 5wt%纤维下,纤维直径为 0.3mm 填充的复合材料在取向方向的表面电阻率和闪络电压较垂直方向分别下降了 20.1%与 25.8%;在填充量 9wt%下,纤维直径为 0.2mm 填充的复合材料的体积电阻率、闪络电压、局放起始电压、击穿场强相较 0.5mm 纤维填充的复合材料分别提高了 44.2%、14.8%、9.4%、6.8%,介电常数相对下降了 22.7%。

综上可知,Fe3O4/TPU 定向填充纤维环氧树脂的复合材料在导热性能和表面电气性能上呈现各向异性,纤维的加入在提高复合材料导热性能的同时也对复合材料的绝缘特性产生了影响,采用直径越小纤维有利于抑制载流子的迁移,减小二者界面上分子链极化运动和 EP中纤维周围电场畸变程度,从而相对提高复合材料电气性能,减缓绝缘材料的老化速度。在纤维定向改性环氧树脂方向上,这一研究为如何保证材料高导热率的同时,兼顾复合材料的绝缘特性提供了新思路,在高导热绝缘材料制备上就具有较好的应用前景。

参考文献(略)

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