材料科學(xué)與電氣工程論文

1、材料科學(xué)與電氣工程淺談絕緣材料Materials science and electrical engineering淺談絕緣材料On insulation materials 學(xué)院：電氣與信息學(xué)院 班級：電化1203 姓名：楊佳成 學(xué)號：A19120664摘要：絕緣材料在電氣工程及電力領(lǐng)域占有著不可或缺的地位。但是，由于其化學(xué)組成的因素，絕緣材料在應(yīng)用一段時間后就會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，學(xué)術(shù)上稱之為電介質(zhì)的老化。所以，要保證絕緣材料長時間發(fā)揮作用，就要研究防止老化的途徑和方法，以及新型絕緣材料的開發(fā)和利用。另外，還要研究各種復(fù)雜環(huán)境因素對絕緣材料的作用機(jī)理，以此為基礎(chǔ)來研發(fā)新型絕緣材料。關(guān)鍵詞：絕緣

2、材料；老化；電力；電氣；途徑；復(fù)雜環(huán)境；新型。 材料科學(xué)涉及人類生產(chǎn)和生活中的各個領(lǐng)域，在電氣工程與自動化這一專業(yè)以及電力行業(yè)都占有著舉足輕重的作用，包括在電機(jī)、電纜、發(fā)電、輸電以及用電等方面的應(yīng)用。為了使電力更好的服務(wù)于社會，電氣設(shè)備的安全運作尤為重要。我們都知道，絕緣體在一般情況下是不導(dǎo)電的，所以，絕緣材料的應(yīng)用和發(fā)展對電氣工程以及電力行業(yè)的發(fā)展有著重大影響。隨著社會的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，電力行業(yè)逐漸顯現(xiàn)出競爭優(yōu)勢。而在這個行業(yè)發(fā)展的同時，我們對各領(lǐng)域所應(yīng)用的電力電氣設(shè)備也有了更高的要求。這些設(shè)備需要有更優(yōu)的性能并且能夠在更復(fù)雜的環(huán)境中保持長時間正常運行。電氣設(shè)備需要各種各樣的絕緣材料，如絕

3、緣的外殼，塑料絕緣電線，以及各種高壓輸電陶瓷等。要保證絕緣材料長時間發(fā)揮作用，就要研究防止老化（主要包括熱老化、光老化、臭氧老化、化學(xué)老化、生物老化、疲勞、高能輻射老化、電老化等）【1】的途徑和方法。為此，只有深入研究各種復(fù)雜環(huán)境因素對絕緣材料的作用機(jī)理，進(jìn)一步尋找開發(fā)新型的能夠在復(fù)雜環(huán)境中保持穩(wěn)定性能的絕緣材料，才能生產(chǎn)、制造出能適應(yīng)更復(fù)雜、更惡劣條件并正常運行的用于安全生產(chǎn)的電氣設(shè)備。這對電氣的發(fā)展至關(guān)重要。而要解決絕緣材料的上述老化問題，我們必須要深入其本質(zhì)去探索。首先要了解絕緣材料的一些基本知識。絕緣材料的基本性能包括機(jī)、電、熱三個方面。在機(jī)動也即力學(xué)方面，這主要體現(xiàn)在絕緣材料的應(yīng)變能

4、力和力學(xué)強(qiáng)度；在電學(xué)方面，它表現(xiàn)為絕緣材料的損耗和極化；在熱學(xué)方面，主要指標(biāo)有比熱容、熱容量、熱導(dǎo)率和熱膨脹率四項指標(biāo)。按其化學(xué)組成，我們可將絕緣材料分為有機(jī)材料和無機(jī)材料兩大類。有機(jī)絕緣材料主要是幾類有機(jī)高分子化合物，這些化合物通過有機(jī)小分子加聚或縮聚而成。但有機(jī)物有一個性質(zhì)，即可燃性，這對于電氣絕緣來說十分有害。無機(jī)絕緣材料主要指陶瓷，以及光導(dǎo)纖維。但陶瓷的燒結(jié)需耗費大量能量，這對今天的能源形勢來說頗具挑戰(zhàn)。那么，認(rèn)識了絕緣材料的性能，我們?nèi)绾蝸硌芯坎ふ曳椒▋?yōu)化其性能呢？科研工作者們做了大量研究。很多新型的絕緣材料和制造工藝逐漸浮現(xiàn)在人們面前。一 有機(jī)高分子化合物聚合物共混在不斷的研究中

5、人們發(fā)現(xiàn)，聚有機(jī)硅氧烷具有耐高溫、耐低溫、防潮、耐腐蝕、耐老化以及生物惰性等性質(zhì)。從此，硅油、硅橡膠、硅樹脂步入了電氣領(lǐng)域及其他各領(lǐng)域。后來，人們還發(fā)現(xiàn)了液體絕緣材料，如礦物絕緣油。常見的有機(jī)多聚體絕緣材料還有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酯、酚醛樹脂以及環(huán)氧塑料等。但這些聚合物本身性質(zhì)上也存在不適于作為電氣絕緣材料的方面，例如：硅樹脂絕緣性能良好、耐高溫、耐低溫、耐水蝕、抗潮性好，但其力學(xué)強(qiáng)度差，而且粘結(jié)力??；礦物油原油易發(fā)生氧化、聚合、分解等反應(yīng)，極易變質(zhì)。對于這些問題，人們通過研究發(fā)現(xiàn)，通過聚合物共混這一方式可以有效改善有機(jī)絕緣材料的多方面

6、性能。先簡單介紹一下工藝混溶性。事實上，聚合共混物在熱力學(xué)上是不能夠完全混溶的體系，其之所以能成為工藝混溶性好的共混物，主要原因是：第一，通過混合分散后，界面層的鏈段互相擴(kuò)散，由于聚合物的高分子性和大的熔融粘度，使其混合后很難分離；第二，在加工過程中發(fā)生的接枝、嵌段共聚作用，又很大程度上提高了其混溶性；第三，發(fā)生的交聯(lián)反應(yīng)大大提高了它的穩(wěn)定性；第四，再加入一些增混劑后，又提高了熱力學(xué)混溶性。共混工藝包括物理共混、化學(xué)共混，以及用化學(xué)方法制備物理共混物三種類型。工藝混溶使得纖維填充技術(shù)和多聚體阻燃技術(shù)有了快速的發(fā)展。由于駐極體的良好電學(xué)性能，人們通過熱法、電暈法【2】、液接觸法、電子束法和光電法

7、，將高聚物材料制成駐極體，應(yīng)用到電氣領(lǐng)域。另外發(fā)展的還有壓電體、熱釋電體等。二無機(jī)絕緣材料精細(xì)陶瓷 陶瓷由于其良好的絕緣性能被廣泛應(yīng)用于電工和電子技術(shù)行業(yè)。例如：氧化鋁瓷有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)熱系數(shù)小，電絕緣性好，高頻損耗小，耐磨損、耐化學(xué)腐蝕等性能良好。精細(xì)陶瓷的發(fā)展讓絕緣陶瓷跨入了新的發(fā)展階段。以下將介紹鐵電陶瓷和壓電陶瓷兩類。鐵電陶瓷又被稱為低頻電容器陶瓷。低頻電容器多用于濾波、旁路、耦合等場合，要求極大的電容量，因此要用介電常數(shù)很高的瓷料來制造。由此，具有特高介電常數(shù)的鐵電陶瓷無疑成了最佳材選。但由于燒結(jié)的預(yù)燒溫度對陶瓷結(jié)構(gòu)以及性能影響極大，所以，人們通過向其中摻雜MnCO3等物質(zhì)來改變

8、陶瓷的性能。以MnCO3為例，將其加入BNC陶瓷后提高了BNC陶瓷的介電常數(shù)，降低了介質(zhì)損耗。而且，不同的摻雜量、不同的燒結(jié)溫度對陶瓷性能的影響不同?！?】壓電陶瓷是一種功能陶瓷，在對它的研究中，科研人員通過磁控濺射技術(shù)和真空蒸發(fā)技術(shù)對其表面進(jìn)行金屬化處理，并做一比較。【4】最終發(fā)現(xiàn) ，通過磁控濺射技術(shù)對壓電陶瓷基片進(jìn)行表面金屬化處理后，相對于真空蒸發(fā)技術(shù)而言，這時期表面金屬電極的銀層結(jié)合能力提高了103%，并使其耐焊熱時間提高到30秒以上。這一工藝的改變有效提高了對壓電陶瓷的處理效率，降低了生產(chǎn)成本，這對壓電陶瓷的研究具有極其重要的意義。另外，精細(xì)陶瓷還應(yīng)用于壓敏電阻、熱敏電阻以及氣敏和濕敏

9、電阻。說到這，再提一下光導(dǎo)纖維。光纖因具有低損耗、寬頻帶、細(xì)線徑、輕質(zhì)量、可撓性好、無感知、無串話、節(jié)省資源等特點，被廣泛應(yīng)用于光通信。主要有石英光纖、多組分玻璃光纖和塑料光纖。三氣體絕緣技術(shù)SF6 氣體電介質(zhì)同液體和固體電介質(zhì)一樣，在電工領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。SF6以其優(yōu)異的性能在氣體電介質(zhì)中獨具風(fēng)彩。正常狀態(tài)下，SF6是無色、無味、不爆、不燃、無毒且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的氣體。因其分子中含有電負(fù)性很大的氟原子，且相對分子質(zhì)量大二呈現(xiàn)很強(qiáng)的吸附電子的性質(zhì)，故具有很高的絕緣強(qiáng)度。SF6滅弧性能很好，廣泛用于高壓斷路器、電容器、電纜、變壓器等。但應(yīng)注意的是，SF6對密封性要求很高且易液化，其生產(chǎn)成本也很高，

10、因此，研究人員用SF6混合氣體（SF6-N2混合氣體）代替SF6。 絕緣材料的發(fā)展還有很長一段路要走，這是我們這一代的新使命，需要我們不斷求知和探索。 參考文獻(xiàn)：1. 巫松楨，等，電氣絕緣材料科學(xué)與工程TM.39 ISBN7-5605-0864-2；2. 陳光輝，電暈帶電聚丙烯駐極體的實驗研究3. 趙新，蒲永平，陳小龍，MnCO3摻雜對BaTiO3-Nb2O5-Co3O4陶瓷性能的影響A 1001-2028(2011)10-0001-04；李學(xué)明，等，壓電陶瓷表面金屬化工藝的改進(jìn)Abstract: insulation material in electrical engineering an

11、d electrical field plays an indispensable role. However, due to the chemical composition of the material, the insulation material in the application for a period of time will appear the phenomenon of aging, which is called the aging of the media. Therefore, to ensure that the insulation material for

12、 a long time to play a role, we must study the ways and means of preventing aging, and the development and utilization of new insulation materials. In addition, it is also to study the role of various complex environmental factors on the role of insulation materials, based on this research and devel

13、opment of new insulation materials.關(guān)鍵詞：絕緣材料；老化；電力；電氣；途徑；復(fù)雜環(huán)境；新型。Key words: insulation material; aging; power; electric; way; complex environment; new type.材料科學(xué)涉及人類生產(chǎn)和生活中的各個領(lǐng)域，在電氣工程與自動化這一專業(yè)以及電力行業(yè)都占有著舉足輕重的作用，包括在電機(jī)、電纜、發(fā)電、輸電以及用電等方面的應(yīng)用。為了使電力更好的服務(wù)于社會，電氣設(shè)備的安全運作尤為重要。我們都知道，絕緣體在一般情況下是不導(dǎo)電的，所以，絕緣材料的應(yīng)用和發(fā)展對電氣工程以及

14、電力行業(yè)的發(fā)展有著重大影響。Materials science involves all fields of human production and life, in the electrical engineering and automation, this professional and electric power industry has a pivotal role, including in the motor, cable, power generation, transmission and electricity, etc. In order to better ser

15、ve the society, the safe operation of electrical equipment is very important. As we all know, the insulation in the general situation is not conductive, so the application and development of insulation materials for electrical engineering and power industry development has a significant impact.隨著社會的

16、發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，電力行業(yè)逐漸顯現(xiàn)出競爭優(yōu)勢。而在這個行業(yè)發(fā)展的同時，我們對各領(lǐng)域所應(yīng)用的電力電氣設(shè)備也有了更高的要求。這些設(shè)備需要有更優(yōu)的性能并且能夠在更復(fù)雜的環(huán)境中保持長時間正常運行。電氣設(shè)備需要各種各樣的絕緣材料，如絕緣的外殼，塑料絕緣電線，以及各種高壓輸電陶瓷等。要保證絕緣材料長時間發(fā)揮作用，就要研究防止老化（主要包括熱老化、光老化、臭氧老化、化學(xué)老化、生物老化、疲勞、高能輻射老化、電老化等）【1】的途徑和方法。為此，只有深入研究各種復(fù)雜環(huán)境因素對絕緣材料的作用機(jī)理，進(jìn)一步尋找開發(fā)新型的能夠在復(fù)雜環(huán)境中保持穩(wěn)定性能的絕緣材料，才能生產(chǎn)、制造出能適應(yīng)更復(fù)雜、更惡劣條件并正常運行的用于安全

17、生產(chǎn)的電氣設(shè)備。這對電氣的發(fā)展至關(guān)重要。With the development of society and economy, the power industry has gradually become a competitive advantage. While in the development of this industry, we have a higher requirement for the electric power equipment used in various fields. These devices need to have better perform

18、ance and be able to maintain a long normal operation in a more complex environment. Electrical equipment requires a wide variety of insulating materials, such as insulation of the housing, plastic insulated wires, as well as a variety of high-voltage transmission ceramics, etc. To ensure that the in

19、sulation material for a long time to play a role, we must study the prevention of aging (mainly including thermal aging, light aging, ozone aging, aging, aging, aging, fatigue, high energy radiation aging, aging, etc.) 1 the way and method. To this end, only in-depth study of various complex environ

20、mental factors on the role of insulation materials, to further develop new type of insulation material can be maintained in a complex environment, in order to produce, produce, can adapt to more complex, more severe conditions and normal operation of the electrical equipment used in safe production.

21、 This is very important for the development of electrical.而要解決絕緣材料的上述老化問題，我們必須要深入其本質(zhì)去探索。首先要了解絕緣材料的一些基本知識。絕緣材料的基本性能包括機(jī)、電、熱三個方面。在機(jī)動也即力學(xué)方面，這主要體現(xiàn)在絕緣材料的應(yīng)變能力和力學(xué)強(qiáng)度；在電學(xué)方面，它表現(xiàn)為絕緣材料的損耗和極化；在熱學(xué)方面，主要指標(biāo)有比熱容、熱容量、熱導(dǎo)率和熱膨脹率四項指標(biāo)。按其化學(xué)組成，我們可將絕緣材料分為有機(jī)材料和無機(jī)材料兩大類。有機(jī)絕緣材料主要是幾類有機(jī)高分子化合物，這些化合物通過有機(jī)小分子加聚或縮聚而成。但有機(jī)物有一個性質(zhì)，即可燃性，這對于電氣

22、絕緣來說十分有害。無機(jī)絕緣材料主要指陶瓷，以及光導(dǎo)纖維。但陶瓷的燒結(jié)需耗費大量能量，這對今天的能源形勢來說頗具挑戰(zhàn)。And to solve the problem of the aging of insulating material, we must explore the essence of the essence. First of all, to understand some basic knowledge of insulation materials. The basic properties of insulating materials include three asp

23、ects: machine, electricity and heat. In motor mechanics, which is mainly reflected in the insulating material strain capacity and mechanical strength; in electricity, it is made of insulating material loss and polarization; in terms of thermal, the main indicators have than the heat capacity, heat c

24、apacity, thermal conductivity and thermal expansion rate of four indicators. According to their chemical composition, we can divide the insulation materials into two kinds of organic materials and inorganic materials. Organic insulating material is mainly a few organic polymer compounds, which are f

25、ormed by the addition of organic molecules or polymer. But organic matter has a nature, you can burn, which is very harmful for electrical insulation. Inorganic insulation materials mainly refers to ceramic, as well as optical fiber. But the sintering of ceramics need to consume a lot of energy, whi

26、ch is a challenge for today's energy situation.那么，認(rèn)識了絕緣材料的性能，我們?nèi)绾蝸硌芯坎ふ曳椒▋?yōu)化其性能呢？科研工作者們做了大量研究。很多新型的絕緣材料和制造工藝逐漸浮現(xiàn)在人們面前。Well, we know the performance of the insulation material, how can we study and find ways to optimize its performance? Research workers have done a lot of research. Many new types

27、of insulating materials and manufacturing processes are gradually floating in front of people.一 有機(jī)高分子化合物聚合物共混Organic polymer compound, polymer blend在不斷的研究中人們發(fā)現(xiàn)，聚有機(jī)硅氧烷具有耐高溫、耐低溫、防潮、耐腐蝕、耐老化以及生物惰性等性質(zhì)。從此，硅油、硅橡膠、硅樹脂步入了電氣領(lǐng)域及其他各領(lǐng)域。后來，人們還發(fā)現(xiàn)了液體絕緣材料，如礦物絕緣油。常見的有機(jī)多聚體絕緣材料還有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酯

28、、酚醛樹脂以及環(huán)氧塑料等。In the continuous research, it is found that the organic silicon oxygen alkyl has high temperature resistance, low temperature, moisture resistance, corrosion resistance, aging resistance and biological inert, etc. Since then, silicone oil, silicone rubber, silicone resin into the elect

29、rical field and other fields. Later, people also found the liquid insulation materials, such as mineral insulating oil. Common organic polymer insulation materials are polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), PTFE (PTFE), polyester, phenolic resin and epoxy plastics, etc.但這些聚

30、合物本身性質(zhì)上也存在不適于作為電氣絕緣材料的方面，例如：硅樹脂絕緣性能良好、耐高溫、耐低溫、耐水蝕、抗潮性好，但其力學(xué)強(qiáng)度差，而且粘結(jié)力小；礦物油原油易發(fā)生氧化、聚合、分解等反應(yīng)，極易變質(zhì)。對于這些問題，人們通過研究發(fā)現(xiàn)，通過聚合物共混這一方式可以有效改善有機(jī)絕緣材料的多方面性能。However, the nature of the polymer itself is not suitable for electrical insulation materials, such as: silicone resin insulation properties, high temperature

31、resistance, low temperature resistance, water resistance, good resistance to moisture, but its mechanical strength is poor, and the bond strength is small; mineral oil is easy to occur oxidation, polymerization, decomposition and other reactions, very easy modification. For these problems, it is fou

32、nd through the study that the polymer blend can effectively improve the performance of organic insulation materials.先簡單介紹一下工藝混溶性。事實上，聚合共混物在熱力學(xué)上是不能夠完全混溶的體系，其之所以能成為工藝混溶性好的共混物，主要原因是：第一，通過混合分散后，界面層的鏈段互相擴(kuò)散，由于聚合物的高分子性和大的熔融粘度，使其混合后很難分離；第二，在加工過程中發(fā)生的接枝、嵌段共聚作用，又很大程度上提高了其混溶性；第三，發(fā)生的交聯(lián)反應(yīng)大大提高了它的穩(wěn)定性；第四，再加入一些增混劑后，又提高了熱力學(xué)混溶性。共混工藝包括物理共混、化學(xué)共混，以及用化學(xué)方法制備物理共混物三種類型。工藝混溶使得纖維填充技術(shù)和多聚體阻燃技術(shù)有了快速的發(fā)展。由于駐極體的良好