李　福

（上海電纜研究所，上海200093）

無機(jī)材料在耐高溫繞組線制備中的應(yīng)用

李福

（上海電纜研究所，上海200093）

近年來國內(nèi)外繞組線的應(yīng)用已呈現(xiàn)出逐步淘汰低耐熱等級(jí)的產(chǎn)品，轉(zhuǎn)而使用200級(jí)及以上耐熱等級(jí)產(chǎn)品的趨勢。隨著電機(jī)、航空、機(jī)車用發(fā)電機(jī)等裝備的大功率、小型化的發(fā)展，對其所配套的繞組線圈提出了越來越高的耐熱性能和小型化的要求。介紹不同絕緣方式的耐高溫繞組線的研究和性能分析，從無機(jī)納米改性漆包線絕緣漆、復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)、純無機(jī)絕緣繞組線等三個(gè)方面說明無機(jī)材料在耐高溫繞組線制備中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：無機(jī)材料；耐高溫；繞組線

0 引 言

當(dāng)前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平的提高，電機(jī)、電器、變壓器及電子元器件對電器絕緣系統(tǒng)的耐熱性要求越來越高。對于所使用的繞組線，除了要求有良好的電性能、機(jī)械性能、化學(xué)性能以及耐加工性能外，還必須有優(yōu)良的耐熱性。

近年來國內(nèi)相繼研制出H級(jí)、C級(jí)的各類繞組線，但240級(jí)以上的耐高溫繞組線的開發(fā)卻并不多。國外對耐高溫繞組線的相關(guān)產(chǎn)品介紹較多，如日本企業(yè)推出的300級(jí)復(fù)合絕緣漆包線，美國的無機(jī)陶瓷絕緣繞組線等，但在我國并不銷售，對這些產(chǎn)品的性能也知之甚少。國內(nèi)航空航天及核電領(lǐng)域裝備對耐高溫繞組線的需求較大，這也促進(jìn)了我國C級(jí)以上繞組線的發(fā)展，但因可用于繞組線加工的耐高溫絕緣材料品種有限，以及對這些材料加工方式的研究不多，導(dǎo)致我國C級(jí)以上繞組線的開發(fā)較少。

通過采用新的絕緣材料及對已有絕緣材料的改性來提高繞組線的耐溫等級(jí)已成為必然的趨勢，同時(shí)新的制備技術(shù)可以在降低絕緣厚度、提高繞組散熱效率方面取得突破。通過與絕緣層導(dǎo)熱率的提高相配合，提高繞組在使用過程中自身的散熱效率，這也從另一個(gè)方面使得繞組線可以在更高的環(huán)境溫度下使用。

1 無機(jī)納米改性漆包線絕緣漆的應(yīng)用

采用無機(jī)納米材料改性絕緣漆在繞組線領(lǐng)域較為成功的是耐電暈漆包線絕緣漆。這里介紹的是一種納米改性技術(shù)在提高絕緣漆溫度等級(jí)方面的應(yīng)用。通過無機(jī)納米材料改性絕緣漆來提高絕緣漆的耐熱等級(jí)，從而達(dá)到繞組線高耐熱等級(jí)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

初步研究表明，在聚酰亞胺漆中添加納米二氧化硅可顯著提高漆膜的耐高溫性能，特別是短期耐高溫性能，如圖2所示。

當(dāng)二氧化硅顆粒含量達(dá)到0.2％（占漆膜重量比）時(shí)，漆膜分解起始溫度點(diǎn)由540.6℃提高到547.5℃；當(dāng)二氧化硅顆粒含量達(dá)到1.0％（占漆膜重量比）時(shí)，漆膜分解起始溫度點(diǎn)由540.6℃提高到55S.9℃。從漆膜失重百分比可更為明顯地發(fā)現(xiàn)，在540℃左右，通過二氧化硅（顆粒含量達(dá)到0.2％）改性的聚酰亞胺漆膜，失重為10.1％，而沒有改性前單純聚酰亞胺漆膜失重達(dá)到了27.1％。

圖1　無機(jī)納米改性絕緣漆包線結(jié)構(gòu)

圖2　無機(jī)納米改性前后絕緣漆膜失重（TG）圖

通過溫度指數(shù)和熱沖擊試驗(yàn)也驗(yàn)證了，無機(jī)納米材料改性聚酰亞胺漆可明顯提高漆包線的熱級(jí)。初步試驗(yàn)表明，僅用0.2％的二氧化硅顆粒改性聚酰亞胺漆，其制備的漆包線熱級(jí)可達(dá)到250級(jí)以上。隨著研究的深入，熱級(jí)還有望進(jìn)一步提高。

據(jù)報(bào)道，日本制備出耐熱等級(jí)高達(dá)2S0的無機(jī)納米改性絕緣漆漆包線。該產(chǎn)品除了耐熱等級(jí)遠(yuǎn)高于通常的聚酰亞胺漆包線，而且耐摩擦性能非常優(yōu)異。此外國內(nèi)也有漆包線生產(chǎn)廠家采用無機(jī)納米材料改性絕緣漆制備高導(dǎo)熱型漆包線、耐磨型漆包線等。

2 高導(dǎo)熱薄漆膜無針孔漆包線

無針孔漆包線最早由日本漆包線企業(yè)提出，具有優(yōu)良的電氣絕緣性能，如完全無“針孔”。IEC已提出了相關(guān)產(chǎn)品和試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)草案，但國內(nèi)鮮有生產(chǎn)企業(yè)對此進(jìn)行研究開發(fā)。一般來說，無針孔漆包線的漆膜厚度較大（FIW3以上），這里要介紹的是一種無機(jī)納米材料改性聚酰亞胺薄漆膜無針孔漆包線。它在保證電氣性能、機(jī)械性能、化學(xué)性能等要求的前提下，通過降低絕緣厚度、提高繞組散熱面積，從而提高繞組在使用過程中自身的散熱效率，這也從另一個(gè)方面使得繞組線可以在更高的環(huán)境溫度下使用。

以一種無機(jī)納米材料改性聚酰亞胺薄漆膜無針孔漆包線為例，導(dǎo)體直徑為0.09 mm，絕緣厚度0.009 mm，通過與同規(guī)格普通雙零線比較（表1所示），可以看出在相同絕緣厚度下，薄漆膜無針孔漆包線具有更好的耐電壓性能和更高的漆膜均勻性。通過在直徑10 mm、寬5 mm、高5 mm的模具內(nèi)繞制300圈后制得的線圈上進(jìn)行通電流試驗(yàn)，可以看出薄漆膜無針孔漆包線繞制的線圈可以承受更大的電流載荷，并可以在更高的溫度環(huán)境下使用（表1所示）。這主要得益于涂漆均勻性的提高，使得繞制的線圈更緊密、更易于熱傳導(dǎo)，通常線圈燒毀發(fā)生在線圈自身發(fā)熱超過散熱速率的一瞬間。

表1　薄漆膜無針孔漆包線與同類絕緣同規(guī)格漆包線的主要性能對比

無機(jī)納米材料改性聚酰亞胺薄漆膜無針孔漆包線的生產(chǎn)技術(shù)目前還不成熟，主要難度在于合適的絕緣漆粘度、合適的涂漆方式、多道的涂漆張力控制和在線監(jiān)測技術(shù)，這些仍需要進(jìn)一步的改進(jìn)。在目前更高耐熱等級(jí)的漆包線尚未開發(fā)使用的情況下，通過工藝技術(shù)的改進(jìn)來提高散熱效率，間接提高漆包線的使用環(huán)境溫度也不失為一種較好的方式。值得一提的是，在漆包扁線方面，超薄厚度、大寬窄比的產(chǎn)品開發(fā)可以使相同截面下繞組線的散熱面積增加50％以上，這點(diǎn)也引起了很多電機(jī)、小型變壓器設(shè)計(jì)單位的注意。

3 復(fù)合絕緣材料的應(yīng)用

傳統(tǒng)繞組線的耐溫等級(jí)通常在240級(jí)以下，隨著國內(nèi)航空航天及核電領(lǐng)域裝備對繞組線的熱級(jí)要求越來越高，相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)也做了大量的研發(fā)工作。采用云母、玻璃絲等耐熱材料所制備的耐高溫繞組線也大量出現(xiàn)。雖然這類繞組線的溫度等級(jí)無法采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)檢測，但行業(yè)的通用方法是以云母、玻璃絲繞包后涂覆的絕緣浸漬漆的耐熱性能來間接評價(jià)。

一種采用環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅中間體反應(yīng)合成環(huán)氧改性有機(jī)硅樹脂，通過添加復(fù)合無機(jī)粉體、分散劑、固化劑和其他有機(jī)助劑等制備出耐高溫絕緣漆，突破了傳統(tǒng)絕緣漆的限制。在高溫下（400℃以上）有機(jī)硅分解，通過“丘島效應(yīng)”形成堅(jiān)固的外殼［1］，配合云母、玻璃絲等耐高溫材料可以在較高的溫度下長期使用，絕緣結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　復(fù)合絕緣繞組線結(jié)構(gòu)

對采用耐高溫絕緣漆和常用的C級(jí)纖維繞包繞組線粘結(jié)絕緣漆涂覆的繞組線進(jìn)行500℃、1 000 h的老化試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4　老化趨勢分析

由圖4可以看出，采用耐高溫絕緣漆涂覆的復(fù)合絕緣繞組線在500℃高溫下老化150 h之前擊穿電壓逐步下降，在150 h后排除各個(gè)試樣的電壓差別，基本上保持在3 300～3 400 V之間，無機(jī)燒結(jié)層比較堅(jiān)固。采用C級(jí)纖維繞包線粘結(jié)絕緣漆涂覆的線，在500℃高溫下老化10 h內(nèi)涂覆層就已經(jīng)分解揮發(fā)，因此擊穿電壓下降明顯。

圖5是耐高溫絕緣漆在500℃高溫下老化150 h后的絕緣層和純無機(jī)粉體的紅外光譜對比。

圖5　無機(jī)粉體與絕緣漆層老化前后的紅外光譜圖

從圖5樣品老化前后與無機(jī)粉體的紅外光譜圖可以看出，在老化0～150 h之間試樣的絕緣漆層正逐步無機(jī)化，在150 h后有機(jī)成分已基本分解揮發(fā)完，無機(jī)燒結(jié)層比較堅(jiān)固。

通過復(fù)合絕緣材料來制備耐高溫繞組線是一種可行的方式，但需要在耐高溫絕緣浸漬漆的開發(fā)以及如何降低絕緣厚度方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

4 無機(jī)絕緣繞組線

國外很早就出現(xiàn)了無機(jī)絕緣線（即陶瓷絕緣線）［2］，用于導(dǎo)彈、變壓器和特種電機(jī)。自1973年和1979年的石油危機(jī)以來，為了在汽車領(lǐng)域和機(jī)器領(lǐng)域中節(jié)約能源，國內(nèi)外開始積極地開展使器件和設(shè)備小型輕便或改進(jìn)其性能的工作，于是需要耐熱性更好的絕緣線。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，美國軍工廠普通規(guī)格陶瓷線耐溫從-267℃到600℃，短期使用溫度可達(dá)1 000℃，使用壽命2 500 h（長期工作于537℃），溫度降低壽命明顯延長。但陶瓷絕緣電磁線缺點(diǎn)在于吸潮，不適合在潮濕環(huán)境使用，而且成本很高。與此同時(shí)，國內(nèi)開始研制適用于核反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)電機(jī)以及空間研究火箭的無機(jī)絕緣線。

比較典型的制備方法如下：

（1）導(dǎo)體采用鍍鎳圓銅線，鍍鎳圓銅線采用的連續(xù)電鍍工藝可分為兩種：一種是先鍍胚料，再拉絲至所需規(guī)格；另一種是對所需規(guī)格的銅線直接鍍鎳。

（2）陶瓷絕緣材料的選取。需選擇具有良好的電氣絕緣性能、與導(dǎo)體附著力強(qiáng)、彈性好、抗冷熱沖擊、較大的膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)低等特征的陶瓷材料。

（3）絕緣涂覆。將陶瓷絕緣材料在高溫下熱熔，再涂覆于導(dǎo)體表面，冷卻后收線。

采用高溫熔融陶瓷粉末涂覆于導(dǎo)體表面的工藝來制備的陶瓷線，其陶瓷在導(dǎo)體表面很難涂覆燒結(jié)均勻，并難以避免缺陷的存在，同時(shí)耐電壓能力不強(qiáng)，一般在500 V以內(nèi)。同時(shí)陶瓷材料很硬，難以彎曲（如表2所示），這些都極大地限制了陶瓷線的使用。

表2　陶瓷絕緣電磁線彎曲半徑［3］

目前機(jī)電行業(yè)中常用的氧化鋁膜絕緣線繞組線在生產(chǎn)過程中，還是大量使用濃硫酸處理金屬鋁線得到氧化膜絕緣層的生產(chǎn)工藝，不僅產(chǎn)生廢水、廢氣污染環(huán)境，而且制得的涂膜柔韌性差，在繞線或彎曲時(shí)容易損傷氧化膜。

因此，無機(jī)絕緣繞組線不僅需要具有良好的耐熱性和可靠性，而且在繞線成形時(shí)，需要具有類似于普通有機(jī)漆包線具備的可卷繞性。為了滿足這些要求，一種絕緣可無機(jī)化的繞組線的制備方法應(yīng)運(yùn)而生。在制備過程中，這種絕緣線呈現(xiàn)出如同漆包線一樣優(yōu)良的柔軟性。該絕緣線繞成線圈再燒結(jié)，之后就轉(zhuǎn)變成了陶瓷絕緣繞組線，且在使用中顯示出無機(jī)絕緣線所具有的一些特性。雖然無機(jī)化成膜后存在絕緣膜較脆、易出現(xiàn)針孔等缺陷，但這種無機(jī)絕緣線的制備方式仍值得關(guān)注。

5 結(jié)束語

目前我國繞組線工業(yè)發(fā)展迅速，同時(shí)也面臨著更為激烈的競爭環(huán)境。如果不能改變技術(shù)創(chuàng)新能力和研發(fā)能力較差的現(xiàn)狀，就一定會(huì)貽誤發(fā)展的機(jī)遇，對于企業(yè)而言是否有創(chuàng)新能力是決定企業(yè)可持續(xù)競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵。200級(jí)及以上耐熱等級(jí)的繞組線的使用量不斷擴(kuò)大，其代替較低耐熱等級(jí)產(chǎn)品的趨勢也十分明顯。對耐高溫繞組線新材料、新產(chǎn)品的研究與開發(fā)，新的絕緣設(shè)計(jì)和制備技術(shù)以及高精密度繞組線制造設(shè)備（漆包機(jī)、繞包機(jī)、擠出機(jī)等）一方面可以通過自主創(chuàng)新，另一方面可以通過對國外先進(jìn)新產(chǎn)品和新技術(shù)的學(xué)習(xí)和引進(jìn)，消化和吸收轉(zhuǎn)化為自身的發(fā)展動(dòng)力，不斷縮小與發(fā)達(dá)國家先進(jìn)技術(shù)水平之間的差距。

［1］ 王海風(fēng)，韓文爵，王依民，等.超細(xì)玻璃粉增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的研究［J］.化工新型材料，2007（1）：19-22.

［2］ 曹維敏.陶瓷絕緣線［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，1992 （1）：12-17.

［3］ 張志昌，劉公超.耐高溫陶瓷絕緣電磁線［J］.電線電纜，19S0（2）：1S-21.

The Application of Inorganic Materials in Preparation of High Temperature Resistant Winding Line

LIFu
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

In recent years，with the development of the generator used in the motor，aviation and motorcycles，the supporting winding wires require higher heat-resistance and miniaturization.The development of the winding wires are increasingly showing out of low heat level，extensive use of the situation of the heat levels of 200 and above.In this Paper，through the introduction of the high temperature of different insulation winding line research and performance analysis，from the inorganic nanometer modified enameled wire insulation paint，composite insulation structure to the pure inorganic insulation winding line three aspects that the application of inorganic materials in preparation of high temperature resistant winding line.

inorganic materials；high heat-resistance；winding wire

TM245.3

A

1672-6901（2015）02-0030-04

2014-10-30

李 福（19S0-），男，工程師，碩士.

作者地址：上海市軍工路1000號(hào)［200093］.