流變測(cè)量學(xué)在絕緣材料檢驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用

張大鵬，倪苗苗

（哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

前言

隨著我國(guó)電機(jī)制造技術(shù)的不斷提高，絕緣材料日益繁多，對(duì)于絕緣材料絕緣性能的要求逐步提高，檢測(cè)手段也隨之不斷地提升。目前，流變測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成為絕緣材料性能檢測(cè)的重要手段之一。

流變學(xué)是在20世紀(jì)后半頁(yè)發(fā)展起來(lái)的，它是力學(xué)、化學(xué)與材料和工程科學(xué)之間的新興邊緣科學(xué)。流變學(xué)是研究材料流動(dòng)與變形的科學(xué)。非牛頓流體的流變性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律是非牛頓流動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容，它又稱流體的流變學(xué)，同時(shí)也是現(xiàn)代流體力學(xué)的一個(gè)重要分支。非牛頓流體力學(xué)的研究已應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域及自然現(xiàn)象分析，是化學(xué)、生物學(xué)、食品工程、石油工程、冶金工程、化學(xué)工程等當(dāng)代科學(xué)發(fā)展中的前沿方向之一[1]。流變測(cè)量學(xué)主要是描述在外力作用下物體形變的性能技術(shù)。流變測(cè)量學(xué)可以表征材料的分子量、分子量分布、配方、微觀聚集等狀態(tài)；指導(dǎo)預(yù)測(cè)加工擠出、吹膜、輸送、流平等工藝，從而了解絕緣材料的模量、使用溫度、尺寸穩(wěn)定性、儲(chǔ)存穩(wěn)定性等性能。

1 流變測(cè)量學(xué)的測(cè)試流體

要想良好地反映材料性能,首先要了解需要測(cè)量的流體 ? 流體通常按照粘度的變化特性分成牛頓流體和非牛頓流體 ? 而非牛頓流體又可以分為假塑性流體?有屈服值的假塑性流體和脹流性流體(又稱震凝性流體)?

1.1 牛頓流體

粘度不受剪切速率變化的影響，符合該規(guī)律的所有液體，稱作“牛頓流體”。牛頓流體是理想情況下的流體，現(xiàn)實(shí)中不具備這種“理想”流動(dòng)特性的液體。但是根據(jù)Deborah數(shù)[2]的概念，在特定的剪切應(yīng)力或剪切速率下，液體可以表現(xiàn)出“牛頓流動(dòng)”特性。該理論常用來(lái)進(jìn)行絕緣材料性能檢測(cè)中的近似測(cè)試和粗略測(cè)量試驗(yàn)。

牛頓流體的動(dòng)力粘度公式為:

其中η為動(dòng)力粘度值，τ為剪切應(yīng)力，D為剪切速率，ν為流速，y為間隙高度。

圖1通過(guò)流動(dòng)曲線和粘度曲線的不同，表示了牛頓流體和非牛頓流體不同的流動(dòng)行為。

1.2 非牛頓流體

非牛頓流體是指不具備“牛頓流體”特性的流體。根據(jù)剪切應(yīng)力和粘度的變化情況，可以分為假塑性流體和脹流性流體（又稱震凝性流體）。

假塑性流體是隨剪切應(yīng)力增大而剪切速率變稀的流體。造成流體出現(xiàn)假塑性的原因，是因?yàn)樵S多看起來(lái)均勻的流體，都是由幾種組分構(gòu)成的。例如，形狀不規(guī)則的顆粒或某種液體的液滴分散在另一種液體中；另一方面，聚合物溶液中的聚合物分子具有纏繞或環(huán)狀的長(zhǎng)分子鏈。靜止時(shí)，所有這些物質(zhì)將維持內(nèi)部的不規(guī)則次序，因此具有相當(dāng)高的內(nèi)部阻力（即較高的粘度）阻礙流動(dòng)，如圖2所示。隨著剪切速率的增大，懸浮在液體中的棒狀顆粒將順著流動(dòng)方向沿縱長(zhǎng)軸取向。熔體或溶液中的鏈狀分子沿驅(qū)動(dòng)方向解纏繞、拉伸和取向。排列后的顆粒或分子線團(tuán)可以更容易地彼此相互滑過(guò)。球形顆粒變形為橄欖狀，即直徑更小的橢圓體，能夠產(chǎn)生彈性形變的血球細(xì)胞。又如懸浮在血漿中的硬幣狀的紅血球細(xì)胞，可變形成小直徑的橢圓體，使其易于以更高流速通過(guò)細(xì)血管。剪切還能使原流體中的顆粒聚集形成的不規(guī)則團(tuán)塊破碎，使這類流體在給定的剪切應(yīng)力下流的更快，如圖2所示。對(duì)于大部分流體而言，剪切變稀作用是可逆的，但常滯后一些時(shí)間[3]。

圖1 各種常見的流動(dòng)行為

圖2 處于靜止與流經(jīng)管道時(shí)的分散體系

由于絕緣工藝的要求，基本上現(xiàn)在使用的三聚氰胺醇酸浸漬漆、環(huán)氧酯浸漬漆、有機(jī)硅浸漬漆、F級(jí)環(huán)氧無(wú)溶劑浸漬樹脂、聚酯亞胺無(wú)溶劑浸漬樹脂、H級(jí)聚酯亞胺浸漬漆、H級(jí)不飽和聚酯亞胺浸漬樹脂、醇酸晾干覆蓋漆、醇酸灰瓷漆、環(huán)氧酯灰瓷漆、環(huán)氧酯晾干紅瓷漆、硅鋼片膠粘劑等絕緣材料都是假塑形流體。

脹流性流體是隨剪切應(yīng)力增大而剪切速率變稠的流體。脹流性液體很少見，因?yàn)檫@種流體會(huì)使生產(chǎn)條件復(fù)雜化，所以在工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)制定配方以減少脹流性的發(fā)生。

2 流變測(cè)量學(xué)的測(cè)試參數(shù)

在流變測(cè)試中，試驗(yàn)參數(shù)往往起到重要的作用，不同的測(cè)試參數(shù)直接影響著流變測(cè)試的準(zhǔn)確和誤差。流變測(cè)量學(xué)的測(cè)試參數(shù)與六個(gè)獨(dú)立的參數(shù)有關(guān)，即：

“S”表征為流體的物理化學(xué)性質(zhì)。這種性質(zhì)是影響流變測(cè)量的主要因素，即該流體是懸浮液、乳濁液、聚合物等。“T”表征為測(cè)試流體的溫度。溫度變化對(duì)于流變測(cè)量影響很大。“p”表征為測(cè)試流體受到壓力。壓力壓縮流體使其減小分子之間的距離，增大分子間阻力。“γ”表征為測(cè)試流體受到剪切速率。該參數(shù)是影響許多流體粘度變化的決定性因素。“t”表征為時(shí)間。主要是指某些流體隨時(shí)間的變化，其粘度值也會(huì)根據(jù)剪切歷史及剪切現(xiàn)象而有所變化。“E”表征為電場(chǎng)。涉及一系列懸浮液，電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)于這類流體的流動(dòng)行為具有強(qiáng)烈的影響。這類懸浮液可稱為“電-粘流體（EVF）”，也可稱為“電流變液（ERF）”，含有微細(xì)的分散電介質(zhì)顆粒，在電場(chǎng)中易極化。這類EVF的粘度是電場(chǎng)變化的函數(shù)，隨著電壓變化[4]。以上六種參數(shù)相互之間不存在任何聯(lián)系，但在流變測(cè)試中都會(huì)影響最后的測(cè)量結(jié)果。

3 流變測(cè)量學(xué)在絕緣材料檢驗(yàn)領(lǐng)域的主要測(cè)試方法

3.1 福特杯測(cè)量方法

福特杯（又稱 4號(hào)杯）測(cè)量方法是現(xiàn)階段主要應(yīng)用在工廠企業(yè)的流變測(cè)量測(cè)試方法。其優(yōu)點(diǎn)為操作簡(jiǎn)單、試驗(yàn)快捷、成本便宜，針對(duì)于粘度值要求不嚴(yán)苛的絕緣材料。

在絕緣領(lǐng)域中，三聚氰胺醇酸浸漬漆、環(huán)氧酯浸漬漆、有機(jī)硅浸漬漆、F級(jí)環(huán)氧無(wú)溶劑浸漬樹脂、聚酯亞胺無(wú)溶劑浸漬樹脂、H級(jí)聚酯亞胺浸漬漆、H級(jí)不飽和聚酯亞胺浸漬樹脂、醇酸晾干覆蓋漆、醇酸灰瓷漆、環(huán)氧酯灰瓷漆、環(huán)氧酯晾干紅瓷漆、硅鋼片膠粘劑等絕緣材料都是使用福特杯法來(lái)測(cè)量絕緣材料的粘度值。

福特杯法測(cè)量方法缺點(diǎn)為：測(cè)量的數(shù)據(jù)不夠精確，測(cè)量過(guò)程受環(huán)境影響因素多，測(cè)量數(shù)據(jù)只是相對(duì)值。

3.2 相對(duì)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量方法

相對(duì)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)是利用任何可讀的標(biāo)量，例如時(shí)間、距離、角度等，與標(biāo)準(zhǔn)粘度樣品的比率。因此，相對(duì)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的計(jì)算公式為：

其中：Sη為標(biāo)準(zhǔn)粘度值，SS為標(biāo)準(zhǔn)可讀的標(biāo)量，、Uη為未知可讀的標(biāo)量。

相對(duì)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)為容易操作、測(cè)量快捷、清洗方便、性價(jià)比高。當(dāng)用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，流體本身的粘彈性對(duì)于剪切會(huì)有不同的響應(yīng)，如圖 3所示。

圖3 黏性液體和彈性液體對(duì)于剪切的不用響應(yīng)

在絕緣領(lǐng)域中，酚醛丁腈橡膠膠粘劑、53311ES-1粘接膠、無(wú)溶劑室溫固化膠、HDJ-138涂刷浸漬膠、HEC56102室溫固化涂刷膠、HEC51103水輪機(jī)發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)用高強(qiáng)度中溫固化膠等絕緣材料都是用相對(duì)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)來(lái)測(cè)量的。

相對(duì)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量的缺點(diǎn)為：非牛頓流體只是相對(duì)值，轉(zhuǎn)子和測(cè)試條件必須相同，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，粘度讀數(shù)略有誤差。

3.3 絕對(duì)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量方法

絕對(duì)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)是利用測(cè)量扭矩的絕對(duì)值來(lái)標(biāo)稱材料的絕對(duì)粘度值，同時(shí)還可以反映溫度對(duì)于粘度計(jì)的影響。絕對(duì)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)優(yōu)點(diǎn)為絕對(duì)值讀數(shù)，粘度數(shù)值可以標(biāo)定，并且可以控制多種溫度下同一材料的測(cè)量，測(cè)試方法多樣，試樣量少，可由計(jì)算機(jī)控制。

以同軸圓筒測(cè)量轉(zhuǎn)子(DIN 53108)系統(tǒng)為例，如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)的或“傳統(tǒng)的”HAAKE設(shè)計(jì)試樣的同軸圓筒測(cè)量轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

在絕緣領(lǐng)域中，VPI無(wú)溶劑浸漬工藝中利用絕對(duì)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)來(lái)測(cè)量并檢測(cè)液體酸酐粘度，以反映其在工藝生產(chǎn)及日常儲(chǔ)存時(shí)的情況。

絕對(duì)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的缺點(diǎn)為測(cè)試設(shè)備價(jià)格昂貴，測(cè)試日常保養(yǎng)不易，測(cè)量用的轉(zhuǎn)子清洗不便。

3.4 可視流變測(cè)量方法

可視流變測(cè)量方法是現(xiàn)在新興的一種流變測(cè)量方法。可視流變是將流變儀與顯微鏡相結(jié)合，利用可視流變技術(shù)可以觀察液體在震動(dòng)、剪切、旋轉(zhuǎn)等狀態(tài)下分子變化情況。它能有效地觀察到試樣在剪切應(yīng)力作用下，液體分子發(fā)生的變化[6]。圖5為可視流變儀在測(cè)試過(guò)程的效果圖。

圖5 可視流變顯微下照片

4 流變測(cè)量學(xué)在絕緣領(lǐng)域的展望

隨著新絕緣材料的研發(fā)，越來(lái)越多的絕緣材料檢測(cè)都采用了流變測(cè)量學(xué)的測(cè)量測(cè)試方法。由此可見，流變測(cè)量學(xué)已經(jīng)成為測(cè)量、測(cè)試絕緣材料性能的重要手段之一。流變測(cè)量學(xué)作為現(xiàn)代絕緣材料測(cè)試的基礎(chǔ)方法之一，應(yīng)該得到行業(yè)的大力提倡，并且完善測(cè)量規(guī)范，統(tǒng)一測(cè)試步驟，改良測(cè)試方法，以促進(jìn)流變測(cè)量學(xué)測(cè)量測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，同時(shí)促進(jìn)絕緣材料性能的全面提升。

[1]丁鵬, 閆相禎. 非牛頓流體力學(xué)簡(jiǎn)介及發(fā)展[C].第二屆全國(guó)力學(xué)史與方法論學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集,2005.

[2]朱照宣, 流變學(xué)中的 Deborah數(shù)[J]. 力學(xué)與實(shí)踐.北京: 力學(xué)與實(shí)踐雜志編輯部, 2008(04): 64-64.

[3]Gebhard Schramm. A practical approach to rheology and rheometry[M]. Thermo Fisher Scientific, 2009.

[4]Brnes H A, Hutton J F, Walters K. An introduction to rheology[M]. Elsevier Applied Science, 1989.

[5]Collyer A, Utracki L A, Gleissle W. Speed or stress-controlled rheomety[M]. Elsevier Applied Science, 1990.

[6]J G G Dobbe, M R Hardeman, G J Streekstra, C A Grimbergen. Validation and application of an automated rheoscope for measuring red blood cell deformability distributions in different species[J].Biorheology, 2004(2): 65-77.