摘要：环氧树脂浸纸式绝缘体系的电气、机械和热性能是套管至关重要的参数。因此应对环氧树脂以及固化物开展性能测试和研究，为产品环氧材料的选取、浇注和固化过程的工艺参数提供理论和数据支撑，确保最终的套管能够成功研制。
在开展环氧材料性能研究的过程中，通过加速热氧老化的方式对环氧树脂浸纸的复合材料的老化规律与老化机理进行了研究，可以为环氧树脂绝缘材料的寿命评估和产品设计提供重要依据。研究采用了红外色谱（FT-IR），扫描电子显微镜（SEM）和热重分析仪（TGA）等分析表征手段对老化前后处理的样品进行分析，通过分析绝缘材料的化学结构，断裂面的微观形貌结构，热稳定性等性能进一步对环氧材料的热氧老化机制进行研究，研究结果说明如下。
1.红外光谱表征分析（FT-IR）
采用FT-IR表征手段对样品的老化前后进行了分析，下图给出了环氧树脂浸纸式复合材料分别在新鲜样品、180℃、200℃、220℃、240℃下处理不同时长的红外谱图，见图1。
图1 环氧树脂复合材料不同温度下老化处理的FT-IR分析
2.扫描电镜表征分析（SEM）
为了研究环氧树脂复合材料的热氧老化机理，本次还采用扫描电子显微镜分析该复合材料在老化前后断裂面的微观形貌结构。新鲜样品的SEM图，见图2。
图2新鲜样品断裂面形貌
上述为新鲜样品断裂面的SEM图。由图可知，断裂后的复合材料表面粘有很多树脂，断裂后材料上断裂处内壁呈现出大量皱纹纸的条状纤维结构，显得较为粗糙，同时有较多的突起，这是皱纹纸与环氧树脂界面浸润复合性能较好的表现，同时也表明环氧树脂浸润皱纹纸后固化交联的程度较高并且与皱纹纸复合兼容充分。180℃/2days老化处理后SEM图，见图3。
图3 180℃/2days老化处理后样品的断裂形貌表征-1
上图给出了环氧树脂复合材料在180℃下处理后的情况。由图可知，样品的断裂面呈现出匀称的断裂层面，层面上可以看出清晰的皱纹纸纤维结构，同新鲜样品对比，该条件下处理的样品没有发生明显的变化，即复合材料没有发生化学结构变化，仅是物理方面的断裂，这从前面的红外谱图可以看出，在较低温度下处理，材料的红外谱图没有明显的变化，也没有发生化学老化。200℃/50h老化处理后SEM图，见图4。
图4 200℃/50h老化处理后样品的断裂形貌表征-1
上图是样品在较高温度下处理的情况，研究结果表明，在高温条件下的老化，环氧树脂复合的皱纹纸表面纤维结构明显减少，与新鲜的样品相比可见，断裂面的粗糙度也有所降低，老化一定时间后，断裂面的表面显得较为光滑。由此可知，表面皱纹纸与环氧树脂复合表面经高温老化后出现了碳化光洁的现象，并在冲击断裂时表现为脆性断裂。
3.老化对复合材料玻璃化温度（Tg）的影响
热氧老化会对复合材料的交联结构和交联程度进行破坏，此次对老化过程中不同温度和时间处理后的样品的玻璃化温度进行了测试，分析了老化对样品玻璃化温度（Tg）造成的影响，研究复合材料在老化前后交联程度的变化，同时也对比了红外光谱分析表征的结果，发现玻璃化温度和红外光谱都说明了老化对样品交联的化学结构的影响。
图5 200℃老化样品Tg情况
图5中给出了材料在200℃下不同老化时间的Tg数值变化情况。由此图可知：随着老化时间的延长，材料的Tg先是略有提升。物理老化（基体收缩）和后固化是引起材料Tg升高的主要原因，加强了复合材料中环氧树脂材料的交联强度。而随着时间延长，Tg值随后开始下降，主要是因为分子的化学链在长时间高温下发生断裂而造成的环氧树脂材料交联强度的下降造成的。
研究进一步说明，在老化前期，分子链间的作用力有了一定的提升，分子链运动能力下降导致Tg略有升高，随着老化程度的加深，发生了化学结构上的裂解，交联程度有一定下降，同时复合材料由于老化处理也出现了基体碳化的现象。
4.老化对绝缘材料电气性能的影响
此次还研究了材料老化对复合材料电气性能的影响，给出了240℃条件下的老化情况，具体情况见图6。
图6 不同老化时间电气性能情况（240℃）
上述结果表明，样品在240℃下不同的老化时间，样品的电气性能有明显的变化，其中老化60小时后样品的击穿强度达到最大，同时介质损耗达到最低，这是由于在前期的老化处理中，样品中水分或低分子物（多为极性低分子物）的挥发所致，材料的体积电阻率明显增大；同时由于物理老化造成的基体收缩，复合材料结构强度有了一定的提升，因此击穿强度和介质损耗有明显改善；处理60小时后，随着时间的延长击穿强度逐渐下降，同时样品的介质损耗逐渐增大；究其原因，主要是老化使材料交联程度降低，使得击穿强度降低和介质损耗增大。
5.结论
对于未老化试样的断裂面情况，在裂纹初始区，由于裂纹扩展速度较慢，裂断银纹的断裂发生在银纹微纤中部，断裂面纤维结构较为粗糙；随着老化程度的加深，断面上呈现了许多不规则的“鱼鳞状”特征花样。对比不同试样的断裂面扫描电镜图有较深的韧窝，且断面花样也更复杂，表明材料经热氧老化后，整体表现变为脆性材料，同时老化对其玻璃化温度（Tg）、材料击穿强度和介质损耗角的正切值均有不同程度的影响。
论文作者:洪波,王慧民
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/9
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