聚酰亞胺 / 氧化鋁納微米復合材料

——高速列車變頻牽引電機絕緣系統(tǒng)

引言：

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

 

圖為變頻調速牽引電機

 

一、原料選擇

 

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

 

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：

     具有獨特的納米效應，在材料內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，顆粒間可相互構建骨架密實結構，形成有效的導熱通路，從而提高材料的導熱性能。

 

 

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、表面改性劑和有機極性溶劑混合，經(jīng)砂磨機研磨得到復合填料漿料。

 

②氧化鋁 / 聚酰胺酸復合樹脂的原位聚合制備：

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

 

③氧化鋁 / 聚酰亞胺復合薄膜的亞胺化制備：

       氧化鋁 / 聚酰胺酸復合樹脂溶液經(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 / 聚酰亞胺復合薄膜。

 

三、性能研究

 

①導熱性能提升：

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

 

圖為不同粒徑氧化鋁復配填料摻雜聚酰亞胺 / 氧化鋁復合薄膜導熱模型

 

②其他性能提升：

     薄膜的拉伸強度和導熱系數(shù)分別達到 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 復配填料對聚酰亞胺 / 氧化鋁復合薄膜力學性能的影響

 

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