一种绝缘复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种绝缘复合材料及其制备方法，更具体的涉及一种超高电流装置绝缘领域用绝缘复合材料及该绝缘复合材料的制备方法。
背景技术：
：随着技术进步及设备的不断更新升级，为安全起见，可产生高电流的设备与外界之间进行须隔离保护，尤其是一些超高电流设备。其中，超高电流设备的典型代表为托卡马克(tokamak)装置(可控磁约束热核聚变)，其运行过程中超导磁体可瞬时产生具有万a量级的超高电流。为了防止超导磁体发生的放电、打火等危险事故，超导磁体必须由绝缘性能优异和力学性能高的绝缘层保护。为提高装置运行过程中的安全裕度，防止发生绝缘层击穿现象，绝缘层中的绝缘膜不允许进行打孔处理，这使得绝缘层的成型难度加大。当前，传统的绝缘复合材料的成型一般是采用真空袋压或热压罐工艺，由于这些成型工艺自身的限制，在形成过程中极易引入气泡，导致装置在运行过程中时常造成电压击穿和力学性能不一致的现象，对设备和人员安全造成了极大的隐患。真空导流成型工艺能够在较低的成本及设备要求下制备低空隙率和力学性能优良一致的复合材料制品，但是传统真空导流复合材料制备过程中，为实现树脂上下的流动，绝缘膜均需要进行打孔，但打孔的绝缘膜易发生电压击穿现象，为避免这种电压击穿现象的发生，目前采用多层打孔绝缘膜铺设的方式来生产绝缘层，但这种方式不但提高了制备成本，长时间使用后依然会存在电压击穿现象。2017年3月22日中国专利cn201610967555公开了阻燃绝缘复合材料及制备工艺，专利通过1313芳纶短切纤维、1313芳纶沉析纤维和芳纶浆粕分散后，经过两段高温压榨、烘干塑化后得到芳纶纸，采用聚酰亚胺膜或pet膜表面涂胶后与芳纶纸高温复合压制而成。该方法得到了具有一定纤维增强的无孔pi(或pet膜)绝缘复合材料，但是由于该方法工艺复杂且能耗高，无连续纤维对材料进行力学性能增强，并且高温压制过程中仍会在层间引入气泡，存在能耗高、力学性能较低和空隙率高的弊端。技术实现要素：针对上述应用过程中存在的隐患和技术缺陷，本发明首先提供了一种绝缘复合材料，该绝缘复合材料具有较佳的力学性能且性能稳定可靠，具体的技术方案为：一种绝缘复合材料，其至少包括一个绝缘单元，每个绝缘单元包括依次叠加的第一引流织物层、第一纤维织物层、一绝缘膜、第二纤维织物层和第二引流织物层，以环氧树脂为增强基体，采用真空导流成型工艺制备而成；所述的绝缘膜未打孔；该绝缘复合材料包括两个以上的绝缘单元时，相邻的绝缘单元相叠合，并经环氧树脂一次性整体复合在一起。优选的，所述第一引流织物层包括1-4层引流织物，第一纤维织物层包括至少一层连续纤维织物，第二纤维织物层包括至少一层连续纤维织物，第二引流织物层包括1-4层引流织物。在本发明中，采用了未打孔的绝缘膜来制造绝缘复合材料，30kv下其绝缘电阻可达到1060gω，可大大的提升材料在绝缘领域应用过程中的抗电压击穿性能，避免传统材料在高电压使用环境下出现的电压击穿现象，保证了设备和操作人员的安全。具体地，所述绝缘膜为聚酰亚胺膜或聚酯薄膜，绝缘膜的厚度为5-1000μm。相比于打孔的绝缘膜，未打孔的绝缘膜可以为绝缘材料形成完全覆盖与可靠的电绝缘性能，可以防止设备产生的瞬时高压对打孔处进行击穿。上述两种膜材料具有优异的抗导电能力，能够有效地保证绝缘复合材料的抗电压性能。优选地，为保证复合材料的力学性能，所述连续纤维织物由无碱玻纤、高强玻纤和凯芙拉纤维中的一种或两种以上的纤维混编而成。其中的高强玻纤采用的标准为《jc/t953-2005缠绕用高强玻璃纤维无捻粗纱》。上述各材料可以赋予绝缘材料优异的力学性能，在绝缘材料使用过程中可满足外界的拉、压及撞击等复杂环境下的力学性能要求。优选地，所述引流织物由纤度为400～2400tex的玻璃纤维绞织而成，经向密度为2～6根/cm，纬向密度为2～6根/cm。在上述条件的限定下，引流织物能够使环氧树脂胶液沿着引流织物的纤维顺利地导入到各物料层，为绝缘膜上下表面提供树脂流动的路径，从而将连续纤维层、引流层和绝缘层采用经环氧树脂结合为一个整体，起到了降低绝缘材料的空隙率，提高绝缘材料层间剪切强度，从而保证整个绝缘复合材料的力学性能和抗击穿性能。本发明的另一目的在于提供一种上述绝缘复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)在基底上从下向上依次铺设每个绝缘单元，每个绝缘单元从下向上依照第一引流织物层、第一纤维织物层、绝缘膜、第二纤维织物层和第二引流织物层的次序进行铺设，形成增强层，所述基底为工件或模具；(2)采用真空袋对增强层进行密封及抽真空处理，设置进胶口和抽胶口；进胶口和抽胶口位于增强层的相对的两端；所述真空袋包括覆盖在增强层上的内层真空袋和覆盖在内层真空袋外侧的外层真空袋，在进行抽真空处理时，对内层真空袋以及外层真空袋均进行抽真空处理；对环氧树脂胶液进行消泡处理；(3)将完成消泡处理的环氧树脂胶液由进胶口导入到内层真空袋内，并从抽胶口持续进行抽真空，直到抽胶口有环氧树脂胶液溢出，完成环氧树脂胶液的导入，待环氧树脂胶液固化后，拆除真空袋，得到毛坯产品，然后对该毛坯产品进行修整即可得绝缘复合材料。在修整过程中，需要将毛坯产品含有透气毡的部分全部切去。在本制备方法中，采用了双层真空袋，同时对两层真空袋之间也进行了抽真空处理，有效地避免了空气进入到环氧树脂胶液中，形成缺陷。同时为减少由物料自身所携带的气体对绝缘材料的影响，在本制备方法中，还对环氧树脂胶液进行了消泡处理，将在制作环氧树脂胶液过程中混入的空气进行脱除，进一步减少绝缘材料中的气体量，并由此减少由气体所形成的缺陷。该制备方法可根据具体的产品需求，进行不同力学性能要求的增强纤维的选择，由此可适用于多种复杂型面绝缘领域制品的应用，不仅提高了绝缘复合材料应用技术，也进一步拓宽了其在超导绝缘、高电压、大功率等绝缘领域的应用。进一步，在进胶口和抽胶口处的绝缘膜与第一纤维织物层之间铺设有透气毡；所述绝缘复合材料沿正交的第一方向与第二方向所构成的平面延伸，且第一方向与第二方向均正交于该绝缘复合材料的厚度方向；透气毡具有沿第一方向延伸的第一尺寸，以及沿第二方向延伸的第二尺寸；进胶口和抽胶口位于增强层的第一方向的两端；透气毡的第一尺寸为30-100mm；在第二方向上，透气毡的第二尺寸不小于绝缘膜的尺寸。优选地，透气毡采用单位面积质量为150～340g/㎡的聚酯毡。设置透气毡，尤其是采用上述条件下的聚酯毡作为透气毡，由于其具有疏松多孔的结构，可以为空气提供排出通道，进而将环氧树脂胶液引入至引流织物，使环氧树脂胶液充分的浸润纤维基体和绝缘膜的表面，形成低空隙率、力学性能优异和无孔绝缘膜的高性能绝缘复合材料。由于绝缘膜为一个整体结构的薄膜，相对于其它各物料层，环氧树脂胶液沿绝缘膜的流动速度会相对较慢，在设置透气毡后，在第一方向上的两端，在绝缘膜与第一纤维织物层之间会形成一个较小的楔形通道。在进胶口一侧，能够使环氧树脂胶液能够顺利地进入到绝缘膜与第一纤维织物层之间，然后沿绝缘膜的表面向另一端流动。在抽胶口一侧，楔形通道的形成，有利于环氧树脂胶液能够在绝缘膜的表面形成一个完成的胶层，使第一纤维织物层能够完整地、紧密地粘结在绝缘膜上。进一步，为保证真空袋的密封性，避免外部空气进入到完成抽真空的内层真空袋内，在将环氧树脂胶液导入到内层真空袋内前，还包括保压检测步骤，具体为：分别将内层真空袋和外层真空袋的真空度抽至-0.93bar后，15min内掉压不超过15mbar为合格。真空度越高，环氧树脂胶液在引流织物中的流动性越好，环氧树脂胶液对纤维和绝缘膜的浸润性越高，制得的绝缘复合材料空隙率就会低，绝缘复合材料的抗击穿性能越优异。优选地，为保证环氧树脂胶液具有良好的流动性，所述环氧树脂胶液由环氧树脂和固化剂调和而成，环氧树脂胶液在25℃时粘度为200-2000mpa·s。环氧树脂胶液粘度越低，其更容易导入至复合材料中并在引流织物中流动，并且其对纤维和绝缘膜浸润越充分，材料成型性越好，制得的绝缘复合能够分发挥纤维的力学性能，进而提高绝缘复合材料的力学性能。但粘度太低时，需要加入稀释剂，导致环氧树脂胶液的总量增加，更易于增加气泡的携带量。在上述粘度范围内，在保证环氧树脂胶液携带较少气泡的情况下，能够使环氧树脂胶液较为顺利地均匀地分布到内层真空袋内，使绝缘复合材料的各部分具有较为一致的力学性能和抗电击穿性。本发明首次使用无孔绝缘膜，克服了传统材料在高电压使用环境下出现的击穿现象，同时对真空导流成型工艺进行改进，不仅节省传统制造成本的同时降低了传统工艺条件下绝缘复合材料的空隙率，并提高了其层间剪切强度，也极大地提高了绝缘复合材料的绝缘电阻，进而提高了材料的抗电压基础性能。采用本申请中的制备方法所生产的绝缘复合材料的空隙率可降低76％，层间剪切强度可提高67％，绝缘电阻提高35％。附图说明图1为绝缘复合材料的结构示意图；具体实施方式下面通过附图和实施例对本发明做详细介绍。在本申请中，绝缘复合材料沿由正交的第一方向与第二方向所构成的平面延伸，该第一方向与第二方向均正交于该绝缘复合材料的厚度方向。在附图1中，标记h1表示第一方向，标记h2表示第二方向，h3表示绝缘材料的厚度方向。实施例1一种绝缘复合材料，请参阅图1，该实施例中，绝缘复合材料只有一个绝缘单元，该绝缘单元包括依次叠加的第一引流织物层11、第一纤维织物层21、一绝缘膜30、第二纤维织物层22和第二引流织物层12，以环氧树脂为增强基体，采用真空导流成型工艺制备而成；其中的绝缘膜30未打孔。在本实施例中，第一引流织物层11和第二引流织物层12均包括1层引流织物，第一纤维织物层21和第二纤维织物层22均包括5层连续纤维织物。本实施例中的引流织物采用纤度为1200tex的无碱玻璃纤维纱所绞织而成的玻纤布，该玻纤布的经向密度为3根/cm，纬向密度为3.5根/cm。在其它实施例中，玻纤布的经向密度和纬向密度可以相同或不同，例如可以为经向密度2根/cm和纬向密度4根/cm，或均为3根/cm。当然，无碱斜纹玻纤布的经向密度和纬向密度均可以在2～6根/cm之间任意选择。可以理解，在其它实施例中，第一引流织物层11和第二引流织物层12的层数可以不同，两者具体的层数可以在1-4层中间任意选择，例如，第一引流织物层11具体的层数为2层，第二引流织物层12具体的层数为4层，当然两者的层数还可以为其它层数。同样，在其它实施例中，第一纤维织物层21和第二纤维织物层22的层数也可以不同，例如，第一纤维织物层21为3层，第二纤维织物层22为6层。在本实施例中，连续纤维织物采用200g/㎡无碱斜纹玻纤布，可以理解，在其它实施例中，连续纤维织物还可以采用凯芙拉纤维布，或玻纤与凯芙拉纤维的混纺布，当然也可以采用高强玻纤布，或高强玻纤布与无碱玻纤以及凯夫拉纤维的混纺布。绝缘膜采用未打孔的聚酰亚胺膜，绝缘膜的厚度为75μm，在其它实施例中，绝缘膜的厚度还可以为5μm、200μm、500μm或1000μm，当然也可以为5μm-200μm之间的其它的具体数值。可以理解，绝缘膜还可以采用未打孔的聚酯薄膜。以下对上述的绝缘复合材料的具体制备方法进行说明，本实施例中的绝缘复合材料的设计尺寸为800mm*1000mm，其长度方向沿第一方向h1延伸。为便于进一步加工以及保证质量，毛坯产品尺寸为900mm*1100mm，且使连续纤维织物的经线沿绝缘复合材料的长度方向延伸，连续纤维织物的纬线沿绝缘复合材料的宽度方向延伸。上述绝缘复合材料的具体制备步骤如下：(1)在基底上，沿水平方向，从下向上依次铺设第一引流织物层11、第一纤维织物层21、绝缘膜30、第二纤维织物层22和第二引流织物层12，形成增强层。并在第二引流织物层12的上侧铺设一层脱模布。本实施例中，基底为模具a，各物料层铺设在模具a的上表面100上。在其它实施例中，还可以直接在相应的工件的上侧表面上直接铺设各物料层。(2)采用真空袋对增强层进行密封及抽真空处理，在拟制作的绝缘复合材料的长度方向的两端分别设置进胶口和抽胶口，在进胶口和抽胶口处的绝缘膜与第一纤维织物层之间铺设透气毡41。透气毡41具有沿第一方向延伸h1的第一尺寸，以及沿第二方向h2延伸的第二尺寸。透气毡的第一尺寸为30-100mm；在第二方向上，透气毡的第二尺寸不小于绝缘膜的尺寸。具体在本实施例中，所有透气毡的第一尺寸均为40mm，第二尺寸均为900mm。即透气毡的第二尺寸等于绝缘膜在第二方向上的尺寸。可以理解，在其它实施例中，透气毡的第二尺寸可以略大于绝缘膜在第二方向上的尺寸，一般不要超过50mm，以避免造成其它不利影响。本实施例中的透气毡具体采用单位面积质量为260g/㎡的聚酯毡，在其它实施例中，还可以选用单位面积质量为150g/㎡、200g/㎡、300g/㎡或340g/㎡的聚酯毡作为透气毡。真空袋采用双层结构，包括直接覆盖在增强层表面的内层真空袋和覆盖在内层真空袋外侧的外层真空袋，在进行抽真空处理时，对于内层真空袋以及外层真空袋均进行抽真空处理。同步对环氧树脂胶液进行消泡处理。在将环氧树脂胶液导入到内层真空袋内前，进行保压检测：将内层真空袋以及外层真空袋的真空度抽至-0.93bar后，15min内掉压不超过15mbar为合格。在真空度达到要求后，进行下述的步骤(3)。(3)将完成消泡处理的环氧树脂胶液由进胶口导入到内层真空袋内，并从抽胶口持续进行抽真空，直到抽胶口有环氧树脂胶液溢出，完成环氧树脂胶液的导入，待环氧树脂胶液固化后，拆除真空袋和模具，得到产品的毛坯，然后对该毛坯进行修整得到上述的绝缘复合材料。具体在本实施例中，采用惠柏新材料科技有限公司生产gt807a环氧树脂，添加30wt％固化剂后搅拌均匀，形成环氧树脂胶液，该环氧树脂胶液在25℃时粘度为1000mpa·s。本实施例中，采用真空消泡箱对环氧树脂胶液进行消泡，在真空消泡箱内，在真空度为-0.95bar的情况下，对环氧树脂胶液进行真空消泡30min。环氧树脂胶液消泡完成后，进行真空导流，将环氧树脂胶液导入到内层真空袋内，真空导流完成后采用50℃1h、80℃3h的固化工艺加热，自然冷却后得到毛坯产品，然后撕去脱模布，对该毛坯产品进行修整，得到800*1000mm的绝缘复合材料。在进行修整时，需要将带有透气毡的部分完全切去。本实施例中，绝缘复合材料只有一个绝缘单元，可以理解在其它实施例中，根据不同的要求，还可以有两个以上的绝缘单元。当绝缘复合材料具有两个以上的绝缘单元时，在制备过程中，只需要将各绝缘单元的增强基体沿绝缘复合材料的厚度方向依次铺设完成，并在完成抽真空后，将环氧树脂胶液导入到真空袋内并固化、修正后即可。对比例本对比例以800mm*1000mm制品尺寸的聚酰亚胺膜绝缘复合材料为例，产品毛坯件的尺寸为900*1100mm，长度方向为径向，宽度方向为纬向。(1)在模具表面，由下而上依次铺设5层200g/㎡无碱斜纹布、一层经打孔的75um聚酰亚胺膜、5层200g/㎡无碱斜纹布、一层脱模布。(2)设置进胶口和抽胶口。(3)采用单层真空袋压的方式进行密封，并进行真空度检验，将真空袋的真空度抽至-0.95bar，15min内掉压不超过15mbar。(4)采用惠柏新材料科技有限公司生产gt807a环氧树脂，添加30wt％固化剂后搅拌均匀(粘度1000mpa·s)，采用真空消泡箱在真空度-0.95bar下，对添加固化剂后的环氧树脂真空消泡30min。(5)消泡完成后，进行真空导流，真空导流完成后采用50℃1h，80℃3h的固化工艺加热，自然冷却后撕去脱模布，切割为800*1000mm，即可得到打孔后的绝缘膜复合材料。对实施例1和对比例中的绝缘复合材料进行检测，部分数据列入表1。表1绝缘复合材料的性能数据表项目对比例实施例1空隙率2.1％0.5％层间剪切强度21.736.3mpa30kv下的绝缘电阻780gω1060gω由表1可以看出，采用本申请的方法所制备的绝缘复合材料具有较低的孔隙率，层间剪切强度和绝缘电阻均较对比例具有较大比例的提高，使绝缘复合材料具有较强的抗电压击穿能力。其中，空隙率降低76％，层间剪切强度可提高67％，绝缘电阻提高35％。当前第1页12