跌落式智能開關用熔斷材料特性分析及應用效果

中圖分類號：TQ323.5 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）05-0108-04

Abstract：Inorder to further improve theinsulationperformanceof theswitch fuse material，amodifiedcomposite insulation material was prepared by introducing nano-aluminaand nano-boron nitride，and its insulation performance，mechanical properties and application effect were verified.The results show that the modified composite insulation material prepared byintroducing nano-alumina and nano-boron nitride has stronger insulation performance. The volume resistivity，partial discharge onset voltage and breakdown field strength are increased by 32. 12% ， 12.12% and 7.05% ，respectively ，compared with the unmodified composite insulation material. The composite insulationmaterial has better tensile debonding strength and tensile shear strength.When thecomposite insulation material isusedasthe fusing material of the drop switch，it shows better insulation performance.The modifiedcomposite insulation material prepared by has good insulation and mechanical properties，andcan be used as afusing material for drop switches.

Keywords：switch fuse material；nanoparticles；material modification；insulation performance；coupling treatmen

當前，引入納米粒子對材料進行改性是增強復合材料絕緣性的常用方式之一，隨著當前生產(chǎn)生活中用電需求的不斷增加以及用電場景十分復雜，對熔斷式開關的性能提出了更高要求。跌落式智能開關具有良好的穩(wěn)定性、安全性和便捷性，使其能夠應用于各種工作場景。在跌落式開關中，熔斷材料是關鍵部分，其質(zhì)量和性能的好壞直接關系到用電安全。劉云鵬為提高絕緣子復合泡沫材料的強度，將聚對苯撐苯并二噁唑（PBO）纖維加入到復合泡沫材料中，能夠有效提升復合泡沫材料抗沖擊的能力和熱穩(wěn)定性，同時不會對復合泡沫材料的絕緣性能產(chǎn)生影響\"；楊寶金為進一步提升電纜的絕緣性能，制備了一種低密度聚乙烯絕緣復合材料，驗證了該材料具有良好的絕緣性能[2]。樊林稹為進一步提升聚丙烯電纜絕緣材料的性能，將接枝苯乙烯加入聚丙烯絕緣材料中，當接枝率為 3.38% 時，材料的特征擊穿強度較純凈聚丙烯絕緣材料提升了 30.9% 左右[3]。為進一步提升跌落式熔斷開關絕緣材料的綜合性能，制備一種納米粒子協(xié)同改性的環(huán)氧樹脂與硅橡膠基的復合絕緣材料，并對其綜合性能以及在跌落式熔斷器開關中的應用效果進行研究。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

試驗主要材料：納米氧化鋁（工業(yè)純，東福金屬材料）；納米氮化硼（工業(yè)純，騰雙金屬材料）；偶聯(lián)劑（工業(yè)純，聚成兆業(yè)有機硅材料）；無水乙醇（工業(yè)純，中淳化工）；去離子水（工業(yè)純，仟旭環(huán)保）；T-31593型固化劑（工業(yè)純，泓淳化工）；LP-1302II型脫模劑（工業(yè)純，金誠富陽）；6101E44型環(huán)氧樹脂（工業(yè)純，舜暢新材料）；107型硅橡膠（鼎弘新材料）。

主要設備：JZC350型機械攪拌機（啟誠重工機械）；LJ28K-72型超聲波清洗機（潔盟超聲波設備）；202-0鼓風干燥箱（博緯儀器設備）；2BV5121型真空泵（季誠泵業(yè)）；DLZ-220V-1040S等離子發(fā)生器（潔魚生物科技）。

1.2 試驗方法

1.2.1 偶聯(lián)處理過程

試驗使用KH550硅烷偶聯(lián)劑對納米氧化鋁和納米氮化硼進行偶聯(lián)處理[46]，步驟如下：

（1）使用酒精擦拭實驗儀器，并將燒杯使用酒精擦拭后放入干燥箱中烘干備用；

（2）將稱取的納米氧化鋁與去離子水按照 的質(zhì)量比加入燒杯中，再加入適量酒精，并同時輔以超聲波處理，并進行 20min 的機械攪拌，攪拌環(huán)境穩(wěn)定為 、轉(zhuǎn)速為 4500r/min ：

（3）稱取納米氧化鋁質(zhì)量比 10% 的KH550偶聯(lián)劑，加入完成攪拌的 znO 混合溶液中，同時加入適量酒精，再以步驟（2）相同的條件進行機械攪拌 40min

（4）將完成攪拌的納米氧化鋁溶液進行烘干處理，直至完全干燥，進行研磨操作再放置到密封袋中密封備用；納米氮化硼的偶聯(lián)處理過程與納米氧化鋁一致。

1.2.2 試驗樣品制備

（1）將盛有適量環(huán)氧樹脂的燒杯放入鼓風干燥箱中進行 的加熱，將內(nèi)部的水分蒸發(fā)以降低黏度；

（2）稱取一定量的納米氧化鋁和納米氮化硼，并放置到干燥箱中以 50% 的條件進行干燥處理，時長為 20min

（3）將完成干燥的納米氧化鋁、納米氮化硼以及質(zhì)量比例1：1的納米氧化鋁混合納米氮化硼，按照1%～9% 的質(zhì)量比加入環(huán)氧樹脂中，同時進行超聲波處理，以轉(zhuǎn)速 4000r/min 、水域 的條件進行機械攪拌，攪拌時長 35min ：

（4）根據(jù)質(zhì)量比例稱取固化劑，將其加入完成攪拌的改性混合溶液中進行攪拌，時長 12min 5

（5）將攪拌完成的環(huán)氧溶液放置真空反應釜中，進行 15min 的抽真空處理，直至溶液中無氣泡為止；

（6）使用酒精擦拭澆筑模具，并放人干燥箱中進行烘干，使用完成真空處理的環(huán)氧溶液進行澆筑，并進行 5min 的真空處理，等待1d直至完全固化；

（7）將經(jīng)過干燥處理的納米氧化鋁、納米氮化硼以及質(zhì)量比例1：1的納米氧化鋁混合納米氮化硼按照比例加入到硅橡膠基體中，進行與步驟（3）同樣條件的超聲和攪拌處理；

（8）對硅橡膠溶液進行 15min 的真空處理，保證溶液中的氣泡完全消失；

（9）將完成真空處理的硅橡膠溶液澆筑到模具表面已固化的環(huán)氧樣片上，待其固化。

1.2.3 性能測試

（1）體積電阻率。試驗進行電阻率測試時使用UC2678型阻抗儀進行改性樣品的體積電阻率測試。

進行測試時，電極選擇XL30002型（ D=50mm ））電極，環(huán)境溫度和濕度分別為 26degreeC 、小于等于60%，施加電壓為2kV[7]

（2）局部放電特性。局部放電特性主要包括局部放電起始電壓和短時交流擊穿場強2個部分。

局部放電是在高電場下絕緣體系中出現(xiàn)的非貫穿放電，會導致材料內(nèi)部出現(xiàn)不易被發(fā)現(xiàn)的缺陷，外部電場的長期作用會導致絕緣缺陷的程度加重，最終便會出現(xiàn)擊穿的情況。試驗測試使用的材料為不銹鋼，以及球-球電極（ ），LDS800型局部放電測試儀，環(huán)境溫度和濕度分別為 、小于等于 60% ，樣品固定于電極兩球之間，并保證全部浸入絕緣油中，以1kV/s 的升壓速率進行升壓[8-9]

短時交流擊穿場強是材料絕緣性能的關鍵指標，提升擊穿場強即是提升絕緣材料絕緣性能的關鍵。

（3）橫向拉伸。使用電子萬能試驗機為實驗儀器，在室溫 。濕度小于等于 50% 的環(huán)境下進行改性樣本基體粘接面的拉伸脫粘試驗。測試前使用酒精擦拭拉伸樣品，并夾于萬能試驗機的扁樣拉伸淺口，以1 mm/min 的速度進行勻速拉伸，直至脫膠[0-1]

（4）剪切強度。為保證粘接測試試驗的數(shù)據(jù)準確性，進行材料的拉伸剪切強度測試，測試環(huán)境溫度為26degreeC ，濕度小于等于 50% ，使用厚度為 3mm 的金屬片對拉伸剪切面進行壓片粘接，樣品粘接面長為 15mm 、寬為 10mm 。

測試前先進行試驗機的預熱，同時進行樣品邊角料的清理，再將試片垂直均衡地夾在加具上進行拉伸，速度為 15mm/min ，拉伸過程不中斷，直至試片斷裂[1-13]。統(tǒng)計試片斷裂時的破壞載荷，測試數(shù)據(jù)為10次測試的平均值。

2 結果與分析

2.1 絕緣特性測試

2.1.1體積電阻率測試改性前后材料的體積電阻率變化情況見圖1。

由圖1可知，改性前后的復合絕緣材料在未引入納米粒子時電阻率相同，隨著加入粒子濃度的不斷增加，體積電阻率的變化情況明顯不同。未改性的復合材料體積電阻率在粒子質(zhì)量分數(shù)較低時并不存在明顯變化，但隨著粒子濃度的繼續(xù)增加，體積電阻率開始逐漸減小；經(jīng)過KH550偶聯(lián)劑改性后的材料體積電阻率隨著納米氧化鋁和納米氮化硼濃度的增加呈現(xiàn)先增后減的變化情況，在質(zhì)量分數(shù)為 5% 時達到最大值，此時相較于未改性材料的體積電阻率增大了 32.12% ，隨后逐漸下降。分析圖1的測試結果可知，對于未改性的復合絕緣材料，在引入納米氧化鋁的同時引入分子質(zhì)量更小的納米氮化硼，在較低粒子濃度時能夠彌補納米氧化鋁帶來的界面缺陷，有效減緩材料的載流子遷移速度，因此電阻率未發(fā)生明顯變化。粒子濃度不斷增長使得納米氮化硼的團聚現(xiàn)象愈加明顯，材料內(nèi)部缺陷也愈加嚴重，此種情況下載流子的遷移速度會明顯提升，導致體積電阻率大大降低；經(jīng)過KH550改性后的粒子出現(xiàn)的團聚現(xiàn)象有所緩解，造成的內(nèi)部缺陷明顯小于未改性的復合材料，同時由于引入的深陷阱密度相比于未改性材料更大，使得材料電阻率在低粒子濃度時有所提升，但由于深陷阱降低能級的不可避免，隨著粒子濃度的不斷增加，電荷能夠快速脫陷，載流子難以捕捉，使得電阻率降低[14-15]。

2.1.2 局部放電起始電壓

改性前后的復合絕緣材料的局部放電起始電壓隨納米粒子含量的變化情況如圖2所示。

由圖2得知，隨著納米粒子質(zhì)量分數(shù)的不斷增加，局部放電起始電壓先增大后減小，在粒子質(zhì)量分數(shù)為 5% 時達到最大值，而經(jīng)過改性的復合材料在各個粒子濃度的局部放電起始電壓值均大于未改性復合絕緣材料，在質(zhì)量分數(shù)為 5% 時增大了 12.12% 。

改性前后的復合絕緣材料出現(xiàn)上述變化情況的原因可能在于：在粒子含量較低時，納米氮化硼能夠起到彌補納米氧化鋁與基體界面間的內(nèi)部缺陷作用，通過限制材料內(nèi)部的載流子移動方式，提升局部放電電壓。隨著粒子引入量的逐漸增加，由于納米氧化鋁的分子質(zhì)量較大，使得能夠引入的粒子數(shù)目降低，進而使得基體間的界面重疊和缺陷密度降低，同時還能降低材料中氟元素的含量，使得改性局部放電電壓降低的趨勢更加平緩[16]

2.1.3 擊穿場強

改性前后的復合絕緣材料的擊穿場強隨納米粒子濃度的變化情況如圖3所示。

由圖3可知，改性前后的復合絕緣材料的擊穿場強隨引入納米粒子含量增加的變化趨勢相同，在粒子質(zhì)量分數(shù)為 5% 時達到最大值，改性后的擊穿場強增大了 7.05% 。

改性前后的復合絕緣材料出現(xiàn)上述變化情況的原因與局部放電起始電壓的原因類似，均是由于粒子之間的彌補作用和粒子大小對粒子數(shù)目的影響。

2.2 機械性能分析

試驗測試的復合絕緣材料的機械性能為拉伸脫 粘強度和拉伸剪切強度，改性前后的復合絕緣材料 的拉伸脫粘強度和拉伸剪切強度隨納米粒子濃度的 變化情況如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，改性前后的復合絕緣材料的拉伸脫粘強度和拉伸剪切強度的變化趨勢相似，均在引入粒子質(zhì)量分數(shù)為 0%～5% 的區(qū)間保持強度相對平穩(wěn)，在引人粒子質(zhì)量分數(shù)大于 5% 時，隨著含量的逐漸增加，2個強度均出現(xiàn)明顯的下降趨勢。與未改性的復合絕緣材料相比，經(jīng)過改性后的材料強度的下降趨勢更加平緩，即驗證了改性后材料具有更好的拉伸脫粘強度和拉伸剪切強度。

2.3 應用效果分析

將引入納米粒子改性后的復合絕緣材料制備跌落式開關的熔斷材料，并對改性前后以及不同粒子濃度值材料的絕緣性能進行對比，得到如圖6所示對比測試結果。

由圖6可知，與普通的環(huán)氧樹脂與硅橡膠基制得的絕緣材料以及未改性的納米粒子復合絕緣材料相比，最終制得的改性復合絕緣材料具有更高的電阻率、更好的絕緣性能，能夠作為跌落式開關的熔斷材料。

3結語

（1）引入改性的納米氧化鋁和納米氮化硼制得的復合絕緣材料的體積電阻率、局部放電起始電壓以及擊穿場強相比于未改性分別增大了 32.12% 、12.12% （20 ，7.05% ：

（2）引入改性的納米氧化鋁和納米氮化硼制得的復合絕緣材料的拉伸脫粘強度和拉升剪切強度變化更加平緩；

（3）引入改性的納米氧化鋁和納米氮化硼制得的復合絕緣材料制得的跌落式開關熔斷材料具有更強的絕緣性能。

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（責任編輯：蘇慢）