成型工藝對高壓斷路器用噴口性能的影響研究

羅軍 袁端鵬 韓麗娟

（平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001）

成型工藝對高壓斷路器用噴口性能的影響研究

羅軍 袁端鵬 韓麗娟

（平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001）

為了提高高壓斷路器用滅弧噴口性能，試驗對噴口模壓成型工藝進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，隨著壓力的增大，噴口材料綜合性能先上升后下降；在相同壓力下，隨著保壓時間的延長，噴口材料性能先上升后趨于不變；噴口材料微觀結(jié)構(gòu)分析為其性能變化提供了合理的解釋。

滅弧噴口；成型工藝；拉伸強(qiáng)度；電氣強(qiáng)度

1 引言

滅弧噴口是高壓斷路器核心絕緣部件，在斷路器開斷過程中起著關(guān)鍵作用，嚴(yán)格的使用環(huán)境要求噴口具有優(yōu)良的電氣性能、力學(xué)性能和耐化學(xué)腐蝕性能。目前高壓斷路器用滅弧噴口主要由聚四氟乙烯（PTFE）和無機(jī)填料組成，PTFE作為噴口基體材料，不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能和電氣絕緣性能，還具有高的光反射性能、穩(wěn)定的化學(xué)性能；三氧化二鋁（Al2O3）具有良好的理化性能，作為填料可以有效提高PTFE的耐高溫、耐電弧性能［1-2］。

PTFE樹脂熔體粘度極高，且在剪切力作用下熔體易碎，因此PTFE的成型過程是先將樹脂冷卻壓成預(yù)成型體，燒結(jié)并冷卻成有一定強(qiáng)度的制品，再經(jīng)二次加工成最終產(chǎn)品。PTFE常用的成型方法有模壓成型、液壓成型、柱塞擠壓成型等，其中模壓成型是一種最簡單、最直觀的成型方法，是復(fù)合聚四氟乙烯噴口制備中采用最廣泛的方法之一。

模壓成型復(fù)合PTFE的制備與性能研究目前已有較多報導(dǎo)，但主要集中于力學(xué)性能和摩擦磨損性能等方面［3-5］。本文通過研究模壓成型加載壓力大小及保壓時間對噴口密度、拉伸性能以及電性能的影響，優(yōu)化了噴口壓制成型工藝。

2 試驗部分

2.1 試樣制備

試驗原料為PTFE（模塑料一級粉，中昊晨光化工研究院），Al2O3粉末（鄭州正大鋁業(yè)有限公司）。主要成型設(shè)備為電子壓力試驗機(jī)（WDW-Y1000，濟(jì)南鑫光試驗機(jī)制造有限公司）。

噴口材料試樣制備流程為混料、模壓、燒結(jié)、機(jī)加工成型。原材料PTFE和Al2O3預(yù)處理后，按照適當(dāng)比例稱取原材料，采用高速混合機(jī)（SHR-50A，張家港市宏基機(jī)械有限公司）充分混合。圖1為粉體模壓成型原理圖，將經(jīng)過混合、粉碎、過篩的Al2O3填充PTFE復(fù)合粉體裝入鋼模內(nèi)，借助于壓頭和墊塊，通過壓力機(jī)將粉體在模具內(nèi)壓制成坯體，坯體尺寸為φ60×60mm。壓制毛坯的燒結(jié)采用箱式電阻爐（SXII-8-10，天津?qū)嶒炿姞t廠），燒結(jié)溫度375℃。燒結(jié)后機(jī)加工成規(guī)定尺寸的試樣，加工設(shè)備為數(shù)控車床（NEXUS200-ⅡL，日本Mazak）。

圖1 粉體模壓成型原理圖

首先在其他工藝參數(shù)一定的條件下，模壓成型制備不同壓力的噴口試樣，然后按照測試標(biāo)準(zhǔn)加工成不同形狀尺寸的試樣，壓力大小分別為10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa。通過測試噴口材料性能確定最優(yōu)的壓力值后，設(shè)置1min、2min、3min、4min、5min等不同的保壓時間壓制噴口制備試樣，確定最佳壓制時間。

2.2 性能測試

噴口材料性能檢測項目、測試設(shè)備及型號、采用的測試標(biāo)準(zhǔn)等如表1所示。

表1 噴口性能測試

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 加載壓力的影響

本文采用前面所述測試方法對壓力大小分別為10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa的模壓成型噴口材料試樣進(jìn)行性能檢測。

3.1.1 密度

圖2為不同壓力下噴口試樣密度隨加載壓力變化情況，測試結(jié)果表明，在壓力較低時，隨著成型壓力的增大，噴口密度逐漸增大，且?guī)缀蹙€性增大；當(dāng)壓力提高到30MPa后噴口密度先緩慢增大后開始呈下降趨勢。密度測試采用浸漬法，其表達(dá)式為：

（1）

其中ρS為試樣密度，mS.A為試樣在空氣中的質(zhì)量，mS. IL為試樣在浸漬液中的表觀質(zhì)量，ρIL為浸漬液密度。當(dāng)壓力增大到50MPa時，坯體局部區(qū)域應(yīng)力集中處開始產(chǎn)生微裂紋，采用浸漬法測試試樣密度時，在微裂紋附近會吸附微小的氣泡，使測得的mS.IL值變小，導(dǎo)致測試的密度值變小。

3.1.2 拉伸性能

試驗通過改變加載壓力的大小研究了壓力對噴口材料拉伸性能的影響，圖3為不同壓力下噴口材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。壓力較小時，噴口力學(xué)性能較差，這是因為壓力偏低時，粉體顆粒粘結(jié)差，各部分受力不均勻性大，粉體材料內(nèi)部氣體不能完全排除，燒結(jié)過程中粉體收縮時容易產(chǎn)生燒結(jié)應(yīng)力，形成內(nèi)部氣隙和微裂紋；在材料受拉伸時，氣隙和微裂紋的存在會造成應(yīng)力的明顯集中，最終導(dǎo)致噴口力學(xué)性能的下降。而隨著加載壓力的提高，粉體致密度隨之提高，密度分布也更加均勻，噴口材料性能逐漸提高，在加載壓力為30MPa時，噴口拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率都達(dá)到很高值。隨著加載壓力的進(jìn)一步提高，噴口力學(xué)性能提高不明顯，當(dāng)壓力從40MPa增大到50MPa時性能開始下降，這是因為壓力過高時，粉體內(nèi)部產(chǎn)生較大的彈性形變反致產(chǎn)品開裂，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率下降。

圖3 不同壓力下噴口材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率

3.1.3 電氣強(qiáng)度

噴口材料電氣強(qiáng)度隨成型壓力變化關(guān)系如圖4所示。隨著加載壓力的增大，噴口材料電氣強(qiáng)度表現(xiàn)出先緩慢上升后下降的趨勢。由前面的分析可以知道，加載壓力過小容易在噴口內(nèi)部產(chǎn)生氣隙和微裂紋，壓力過大也會產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，形成微裂紋；在工頻耐壓過程中，電子在氣隙和微裂紋附近集聚，嚴(yán)重影響電場分布，引起微裂紋區(qū)域的電場強(qiáng)度上升，導(dǎo)致微裂紋提前擊穿放電，造成噴口電氣強(qiáng)度下降。

圖4 噴口材料電氣強(qiáng)度隨加載壓力變化關(guān)系

3.1.4 微觀結(jié)構(gòu)

PTFE為高韌性材料，受力時變形很大，采用常規(guī)加工方法難以獲得能反映其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的試樣。本實驗采用特殊的制樣方法，獲得了能真實反映噴口材料內(nèi)部原始結(jié)構(gòu)的樣品，并利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)檢測，結(jié)果如圖5所示。圖中可以看出，在加載壓力為10MPa時，噴口內(nèi)部存在尺寸約為80μm的微孔缺陷；隨著壓力的增大，噴口內(nèi)部的致密度逐漸提高，壓力達(dá)到30MPa時，噴口內(nèi)部已完全致密，而當(dāng)壓力增大到50MPa時開始又出現(xiàn)明顯的微裂紋。微觀形貌的檢測結(jié)果很好的解釋了噴口材料性能隨成型壓力變化的原因。

圖5 不同壓力下噴口材料的顯微結(jié)構(gòu)

不同加載壓力對噴口材料性能影響結(jié)果表明，采用模壓成型法制備噴口時，加載壓力過高或過低都會嚴(yán)重影響噴口性能，而壓力由30MPa增大到40MPa時，噴口性能提升不明顯，且對壓制模具的損害增大，縮短模具使用壽命，綜合考慮選擇30MPa作為最佳壓制力。

3.2 保壓時間的影響

試驗采用30MPa的壓制力，進(jìn)一步研究了保壓時間對噴口各項性能的影響，結(jié)果如表2所示。噴口材料隨保壓時間的延長，試樣各項性能都增大，增幅也是先快后慢，當(dāng)保壓時間為4min時達(dá)到最大值，隨后保壓時間繼續(xù)延長時，噴口性能幾乎不變。粉體材料在受壓過程中，保壓時間較短時，粉體內(nèi)部氣體來不及完全逸出，內(nèi)部應(yīng)力來不及完全消除，最終產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致其性能下降。當(dāng)保壓時間足夠以后，粉體顆粒充分變形，致密度逐漸提高，噴口性能也隨之提升。

表2 不同保壓時間下的噴口材料性能

4 結(jié)論

（1）模壓成型法制備噴口時，隨著加載壓力的增大，噴口力學(xué)性能和電性能先上升后下降，在壓力為30MPa時達(dá)到理想值；隨著保壓時間的延長，噴口性能逐漸上升后趨于不變，保壓時間為4min時性能最佳。

（2）噴口材料的微觀形貌表明，模壓成型時加載壓力過大和過小，噴口內(nèi)部都會產(chǎn)生一定數(shù)量的氣隙或微裂紋，這為噴口性能的變化提供很好的解釋。

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［4］黃麗，楊儒，郭江江等. 微米和納米SiO2改性聚四氟乙烯的摩擦磨損性能［J］. 復(fù)合材料學(xué)報，2004，21（4）：82-86.

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國家電網(wǎng)公司科技項目（大容量高壓開關(guān)設(shè)備用耐燒蝕滅弧噴口關(guān)鍵技術(shù)研究）。

TM561.3

A

1003-5168（2015）11-055-02

羅軍（1987.12-），男，工程師，主要從事高壓開關(guān)設(shè)備用絕緣材料的研究工作。