聚酰亞胺 / 氧化鋁納微米復(fù)合材料

——高速列車變頻牽引電機(jī)絕緣系統(tǒng)

引言：

變頻調(diào)速牽引電機(jī)是高速列車動力設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，在其運(yùn)行過程中會產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象，使變頻電機(jī)繞組匝間的絕緣材料過早發(fā)生絕緣老化或擊穿，從而造成電機(jī)損壞。為確保變頻電機(jī)可以長期穩(wěn)定工作，變頻調(diào)速牽引電機(jī)對絕緣體系和絕緣材料提出了更高的要求。

 

圖為變頻調(diào)速牽引電機(jī)

 

一、原料選擇

 

聚酰亞胺 (polyimide，PI) 是主鏈含酰亞胺環(huán)結(jié)構(gòu)的一類聚合物。耐電暈聚酰亞胺復(fù)合薄膜由納米氧化鋁摻雜聚酰亞胺制備而成。國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)與學(xué)者圍繞聚酰亞胺及其復(fù)合材料開展了大量的研究，但與美國、日本等國際先進(jìn)水平相比仍有一定差距。國內(nèi)目前大量使用的高端聚酰亞胺薄膜產(chǎn)品仍然依賴進(jìn)口，加快高性能聚酰亞胺薄膜的國產(chǎn)化是高分子絕緣材料領(lǐng)域的重要課題之一。

 

聚酰亞胺：

    主鏈中含有酰亞胺基（-CO-N-CO-）的聚合物的總稱，具有優(yōu)良的耐磨性、耐水性、耐化學(xué)腐蝕性、自潤滑性、電絕緣性、抗高能輻射性和耐燃性能等。

 

納米氧化鋁：

     具有獨(dú)特的納米效應(yīng)，在材料內(nèi)起到平衡電場和防止局部電場集中的作用，從而避免材料局部放電，提高材料耐電暈性能。使用微米、亞微米和納米顆粒三種不同粒徑的氧化鋁顆粒，顆粒間可相互構(gòu)建骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，形成有效的導(dǎo)熱通路，從而提高材料的導(dǎo)熱性能。

 

 

圖為聚酰亞胺薄膜

 

二、制備步驟

 

 

 

①氧化鋁填料改性與漿料的制備：

       將一定比例的微米級(1 μm)、亞微米級(0.2 μm) 和納米級(30 nm)三種粒徑的氧化鋁填料、表面改性劑和有機(jī)極性溶劑混合，經(jīng)砂磨機(jī)研磨得到復(fù)合填料漿料。

 

②氧化鋁 / 聚酰胺酸復(fù)合樹脂的原位聚合制備：

       在N2保護(hù)和適當(dāng)溫度條件下，將芳香族二胺加入復(fù)合填料漿料中，待其完全溶解后再多次少量向反應(yīng)體系中加入芳香族二酐，連續(xù)攪拌適當(dāng)時間，待樹脂黏度達(dá)到要求值時終止反應(yīng)，得到氧化鋁 / 聚酰胺酸復(fù)合樹脂溶液。

 

③氧化鋁 / 聚酰亞胺復(fù)合薄膜的亞胺化制備：

       氧化鋁 / 聚酰胺酸復(fù)合樹脂溶液經(jīng)真空消泡處理后，在玻璃板上用制膜器成膜，按一定的升溫程序加熱亞胺化得到氧化鋁 / 聚酰亞胺復(fù)合薄膜。

 

三、性能研究

 

①導(dǎo)熱性能提升：

     通過摻雜不同粒徑氧化鋁顆粒復(fù)配填料獲得的聚酰亞胺復(fù)合薄膜，當(dāng)3種粒徑（30 nm, 0.2 μm, 1 μm）的級配比為 1:2:7 時，3種顆粒之間相互構(gòu)建了骨架密實(shí)結(jié)構(gòu) ，形成了較為有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò) 。

 

圖為不同粒徑氧化鋁復(fù)配填料摻雜聚酰亞胺 / 氧化鋁復(fù)合薄膜導(dǎo)熱模型

 

②其他性能提升：

     薄膜的拉伸強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)分別達(dá)到 110 MPa 和 0.62 W/(m·K)。在合適的亞胺化終止溫度下制備的聚酰亞胺復(fù)合薄膜具有良好的電氣性能與熱穩(wěn)定性。

 

圖為不同粒徑 Al2O3 復(fù)配填料對聚酰亞胺 / 氧化鋁復(fù)合薄膜力學(xué)性能的影響

 

       具備優(yōu)良導(dǎo)熱性能、電氣性能和力學(xué)性能的聚酰亞胺 / 氧化鋁復(fù)合材料可以應(yīng)用于高速列車變頻牽引電機(jī)。