一种变频电机用耐电晕N级绝缘纸及其制备方法

本发明涉及材料，尤其涉及一种变频电机用耐电晕n级绝缘纸及其制备方法。

背景技术：

1、变频电机广泛应用于新能源汽车、高速铁路和机械制造等各个领域，是国民经济中的重要一环。由于变频电机的供电电源具有频率高、上升沿陡峭且极性呈周期性正负交变等特性，使变频电机持续承受着高频率电压的冲击，造成严重的局部放电以及空间电荷效应，导致变频电机内部电场剧烈畸变，绝缘被过早破坏，寿命严重缩短。为延长变频电机的使用寿命，亟需开发具有优异耐电晕腐蚀特性的绝缘材料。

2、绝缘纸作为一种常用的电气绝缘材料，具有良好的电绝缘性能和耐高温性能。其中，芳纶绝缘纸凭借突出的耐高温、绝缘性能以及力学性能被广泛应用于电机槽间绝缘。然而，芳纶绝缘纸耐电晕性能较差，当电机高频、高电压工作时，由此产生的脉冲电压易引起绝缘纸电晕腐蚀。此外，芳纶绝缘纸中空间电荷难以消散，导致绝缘纸的电晕老化时间受限。目前，研究人员通过将云母掺杂到芳纶绝缘纸中以期抵抗电晕放电，但由于云母与芳纶纤维之间界面结合强度低，复合绝缘纸耐电晕性能提升十分有限。

3、综上，针对芳纶绝缘纸耐电晕性能无法满足当前电机绝缘材料发展需求的问题，亟需开发一种耐电晕性优越的绝缘纸。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种变频电机用耐电晕n级绝缘纸及其制备方法。

2、一种变频电机用耐电晕n级绝缘纸，该绝缘纸为三明治夹层结构；

3、所述三明治夹层结构以芳纶纳米纤维和云母纳米片作为夹层材料、以芳纶纳米纤维和碳化硅纳米线分别作为所述夹层材料的上表层材料和下表层材料。

4、进一步地，如上所述的变频电机用耐电晕n级绝缘纸，所述芳纶纳米纤维直径为10~50 nm，长度大于3 μm；所述云母纳米片粒径为2~10 μm，厚度小于10 nm；所述碳化硅纳米线的直径为80~500 nm，长度大于5 μm；

5、所述芳纶纳米纤维为对位芳纶纳米纤维；

6、所述云母纳米片为合成云母纳米片。

7、进一步地，如上所述的变频电机用耐电晕n级绝缘纸，所述芳纶纳米纤维与云母纳米片的质量比为（9~5）：（1~5）。

8、进一步地，如上所述的变频电机用耐电晕n级绝缘纸，所述芳纶纳米纤维与碳化硅纳米线的质量比为9：1。

9、一种如上所述的变频电机用耐电晕n级绝缘纸的制备方法，包括以下步骤：

10、1）以芳纶纳米纤维与碳化硅纳米线为原料，制备得到表层复合浆料；

11、2）以芳纶纳米纤维与云母纳米片为原料，制备得到夹层复合浆料；

12、3）将所述表层复合浆料通过静电喷涂在基板上，以形成下表层凝胶；

13、4）将所述夹层复合浆料通过静电喷涂在所述下表层凝胶的上表面，以形成夹层凝胶；

14、5）将所述表层复合浆料再次通过静电喷涂在所述夹层凝胶的上表面，以形成上表层凝胶；

15、6）将所制备的三层凝胶在真空50~73 ℃干燥36~48小时，得到三明治绝缘纸糙纸；

16、7）将所述绝缘纸糙纸在20 mpa，175~195 ℃的条件下热压成型，最终得到具有三明治结构的所述变频电机用耐电晕n级绝缘纸。

17、进一步地，如上所述的制备方法，所述下表层凝胶、上表层凝胶的厚度均为200 μm~500 μm；所述夹层凝胶的厚度为500 μm~1000 μm。

18、进一步地，如上所述的制备方法，所述表层复合浆料的制备包括：

19、将芳纶纳米纤维与碳化硅纳米线按9：1的质量比加入400 ml去离子水中，通过10000~15000 rpm高速剪切15 min混匀制浆，最终得到所述表层复合浆料。

20、进一步地，如上所述的制备方法，所述夹层复合浆料的制备包括：

21、将芳纶纳米纤维与云母纳米片按（9~5）：（1~5）的质量比加入400 ml去离子水中，通过10000~25000 rpm高速剪切15 min混匀制浆，最终得到所述夹层复合浆料。

22、进一步地，如上所述的制备方法，所述芳纶纳米纤维的制备包括：

23、将芳纶纤维经丙酮清洗烘干后置于低温等离子体处理仪器中，功率200 w，真空度100 pa，通入氩气处理6 min，流量为30 ml/min；

24、将等离子处理过的芳纶纤维与氢氧化钾、二甲基亚砜以1 g：1.5 g：500 ml的比例置于密封容器中，在室温下以1000 rpm的转速持续机械搅拌7天，得到在氢氧化钾/二甲基亚砜体系中稳定分散的芳纶纳米纤维。

25、进一步地，如上所述的制备方法，所述云母纳米片的制备包括：

26、首先，将合成云母、十六烷基三甲基溴化铵加入去离子水中获得云母分散液；其中合成云母、十六烷基三甲基溴化铵、去离子水的比例为10g：10g：500 ml；

27、然后，将所述分散液在80 ℃水浴中搅拌2 h使十六烷基三甲基溴化铵充分溶解；

28、随后，将充分溶解后的分散液在水浴中超声6 h，通过超声空化效应以及十六烷基三甲基溴化铵的插层辅助作用实现云母剥离获得云母纳米片；其中超声功率为300~350 w；

29、然后，将超声后的云母纳米片分散溶液通过离心，并用去离子水反复清洗，除去云母纳米片表面残留的十六烷基三甲基溴化铵，其中离心转速为4500~5000 rpm；

30、最后，将所得固体在80 ℃下真空干燥12 h，得到合成云母纳米片。

31、有益效果：本发明提供的变频电机用耐电晕n级绝缘纸，以芳纶纳米纤维为骨架网络，以云母纳米片为耐电晕功能基元，以碳化硅纳米线为电荷消散功能基元，以芳纶纳米纤维和云母纳米片作为夹层材料、以芳纶纳米纤维和碳化硅纳米线分别作为所述夹层材料的上表层材料和下表层材料，通过微结构有序组装，构筑了具有三明治结构的复合绝缘纸，构建了表面电荷快速消散通道，并在夹层中构建了微观有序的仿“砖泥结构”，形成了抑制体电荷传输的致密屏障，从而调控了电荷在绝缘纸中的输运，并最终能实现了绝缘纸耐电晕性能的提升。

32、本发明提供的方法，采用静电喷涂工艺，实现了复合绝缘纸层内有序微结构的可靠构筑。通过在表层结构实现碳化硅纳米线的定向排列，从而形成了高效稳健的电荷消散路径；通过在夹层结构中构建致密有序的芳纶纳米纤维/云母纳米片拓扑屏障，从而有效抑制了体电荷的传输和电树枝的生长，进一步调控了电荷在绝缘纸中的输运，实现了复合绝缘纸耐电晕特性的大幅提升。

33、本发明提供的方法，采用高速剪切共混，将云母纳米片引入芳纶纳米纤维基体中，构建了有序的仿“砖泥结构”，同时通过引入具有典型非线性特性的碳化硅纳米线，快速实现表面电荷消散，赋予了复合绝缘纸优异的电场调控能力。通过静电喷涂工艺，实现浆料间的层级组装，制备得到三明治结构的耐电晕复合绝缘纸。

34、本发明提供的芳纶纳米纤维为对位芳纶纳米纤维，通过将对位芳纶纤维经等离子体处理后，使得在其表面引入了一定数量的极性官能团羰基和羧基，纤维表面化学组成的改变为其提供了更多的活性位点，从而克服了其化学惰性；而等离子体的刻蚀作用增加了纤维表面粗糙度，从而增大了其表面积和握紧力，改善了其粘合性能，为灵活设计功能化芳纶绝缘纸提供了基础。

35、本发明提供的方法，采用云母纳米片作为耐电晕构筑基元，由于云母纳米片表面具有丰富的羟基基团，将其与芳纶纳米纤维混合形成有序致密的结构，不仅能够大幅提升复合材料的耐电晕性能，还可以赋予复合材料优良的力学强度和击穿强度。

36、本发明提供的方法，采用碳化硅纳米线作为电荷消散功能基元，由于其具有典型的非线性特性，能够赋予复合绝缘纸优异的电场调控能力，因此将其作为电荷消散功能基元，通过高速剪切以及静电喷涂技术，能够在绝缘纸表面构建电荷快速消散通道，从而提升复合绝缘纸的耐电晕特性。

37、本发明提供的变频电机用耐电晕n级绝缘纸，当芳纶纳米纤维与云母片的质量比较低时，由于芳纶纳米纤维占主要成分，能够更好地发挥自身优异的力学性能，充足的纤维含量有利于对云母片起到更好的包覆作用，因此，选择芳纶纳米纤维与云母纳米片的质量比为（9~5）：（1~5）。

38、本发明提供的变频电机用耐电晕n级绝缘纸，由于碳化硅纳米线易聚集，难分散，因此控制芳纶纳米纤维与碳化硅纳米线的质量比为9：1，从而能够有效保证芳纶纳米纤维与碳化硅纳米线之间的分子尺度混合。

39、本发明提供的方法，采用静电喷涂工艺，有利于云母纳米片和碳化硅纳米线的高度有序排列，进而在三明治结构复合绝缘纸种形成高效稳健的电荷快速消散路径，从而实现复合绝缘纸耐电晕特性的提升。

40、综上，本发明具有以下优势：

41、1.本发明提供的耐电晕n级绝缘纸，与现有的复合绝缘纸相比，耐电晕特性显著提高，同时兼具良好的机械强度和击穿强度。

42、2.本发明中制备复合绝缘纸的方法简单易操作、成本低、质量高，适用于工业化大规模生产。