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(duì)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(yàn)對(duì)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(shí)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(bào)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(shí)間對(duì)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(yàn)部分

2.1 試樣制備

試驗(yàn)原料為PTFE（模塑料一級(jí)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(yàn)機(jī)（WDW-Y1000，濟(jì)南鑫光試驗(yàn)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?yàn)電爐廠），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(cè)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(cè)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(shí)間壓制噴口制備試樣，確定最佳壓制時(shí)間。

2.2 性能測(cè)試

噴口材料性能檢測(cè)項(xiàng)目、測(cè)試設(shè)備及型號(hào)、采用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)等如表1所示。

表1 噴口性能測(cè)試

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 加載壓力的影響

本文采用前面所述測(cè)試方法對(duì)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(cè)。

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(cè)試結(jié)果表明，在壓力較低時(shí)，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(shì)。密度測(cè)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(shí)，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(cè)試試樣密度時(shí)，在微裂紋附近會(huì)吸附微小的氣泡，使測(cè)得的mS.IL值變小，導(dǎo)致測(cè)試的密度值變小。

3.1.2 拉伸性能

試驗(yàn)通過改變加載壓力的大小研究了壓力對(duì)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(shí)，噴口力學(xué)性能較差，這是因?yàn)閴毫ζ蜁r(shí)，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(shí)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(shí)，氣隙和微裂紋的存在會(huì)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(shí)，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(shí)性能開始下降，這是因?yàn)閴毫^高時(shí)，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(shì)。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(huì)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(chǎng)分布，引起微裂紋區(qū)域的電場(chǎng)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(shí)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(shí)驗(yàn)采用特殊的制樣方法，獲得了能真實(shí)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(cè)，結(jié)果如圖5所示。圖中可以看出，在加載壓力為10MPa時(shí)，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(shí)，噴口內(nèi)部已完全致密，而當(dāng)壓力增大到50MPa時(shí)開始又出現(xiàn)明顯的微裂紋。微觀形貌的檢測(cè)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(duì)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(shí)，加載壓力過高或過低都會(huì)嚴(yán)重影響噴口性能，而壓力由30MPa增大到40MPa時(shí)，噴口性能提升不明顯，且對(duì)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(shí)間的影響

試驗(yàn)采用30MPa的壓制力，進(jìn)一步研究了保壓時(shí)間對(duì)噴口各項(xiàng)性能的影響，結(jié)果如表2所示。噴口材料隨保壓時(shí)間的延長，試樣各項(xiàng)性能都增大，增幅也是先快后慢，當(dāng)保壓時(shí)間為4min時(shí)達(dá)到最大值，隨后保壓時(shí)間繼續(xù)延長時(shí)，噴口性能幾乎不變。粉體材料在受壓過程中，保壓時(shí)間較短時(shí)，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(shí)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(shí)間下的噴口材料性能

4 結(jié)論

（1）模壓成型法制備噴口時(shí)，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(shí)達(dá)到理想值；隨著保壓時(shí)間的延長，噴口性能逐漸上升后趨于不變，保壓時(shí)間為4min時(shí)性能最佳。

（2）噴口材料的微觀形貌表明，模壓成型時(shí)加載壓力過大和過小，噴口內(nèi)部都會(huì)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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國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)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。