秦盼亮 ，吉永紅 ，劉 嬿 ，宋瑋倩 ，任靖屹 ，劉冠芳

（1.中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西 永濟(jì) 044502；2.軌道交通牽引電機(jī)山西省重點實驗室，山西 永濟(jì) 044502）

0 引言

芳綸纖維（aramid fiber）作為一種高性能化學(xué)纖維，最早由美國杜邦公司于20世紀(jì)60年代開發(fā)，廣泛用于軌道交通、國防科技及民生等領(lǐng)域[1]。芳綸纖維分為對位芳綸纖維和間位芳綸纖維兩種。對位芳綸纖維因質(zhì)輕以及具備優(yōu)良的力學(xué)性能，可作為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于復(fù)合裝甲、軍用防彈衣、防割手套等領(lǐng)域[2-3]；間位芳綸纖維則憑借其優(yōu)異的電絕緣性能作為絕緣材料廣泛應(yīng)用于電氣絕緣領(lǐng)域[4-5]。

間位芳綸纖維由間苯二甲酰氯與間苯二胺縮合，經(jīng)強(qiáng)酸溶解生成紡絲溶液、再經(jīng)紡絲、拉伸水洗等工藝制得[6]。間位芳綸纖維分子鏈中存在鍵能較強(qiáng)的酰胺鍵，使其相對其他絕緣材料具有良好的力學(xué)性能，例如拉伸強(qiáng)度和耐磨性能[7-8]。采用間位芳綸纖維通過濕法造紙的方法可抄造成間位芳綸紙，間位芳綸紙具有良好的尺寸穩(wěn)定性、阻燃性、熱穩(wěn)定性以及強(qiáng)韌的力學(xué)性能，可用于變壓器的主絕緣、電機(jī)定轉(zhuǎn)子槽體絕緣、槽口絕緣及槽內(nèi)各類墊條等[9]。

一直以來，軌道交通車輛電機(jī)用間位芳綸紙大部分由美國杜邦公司提供，因而，間位芳綸紙的國產(chǎn)化引起了許多國內(nèi)學(xué)者的重視[10-11]。隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)的擴(kuò)大化及受到全球新冠肺炎疫情的影響，采購國外原材料的經(jīng)濟(jì)成本和時間成本上升，給國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展帶來巨大壓力，亟需進(jìn)行間位芳綸紙及相關(guān)材料的國產(chǎn)化替代。本研究通過對國產(chǎn)間位芳綸紙與進(jìn)口間位芳綸紙進(jìn)行性能對比以及定子模型驗證，尋找能夠替代進(jìn)口間位芳綸紙的國產(chǎn)間位芳綸紙。

1 試驗

1.1 主要原材料

進(jìn)口間位芳綸紙，厚度為0.13 mm，美國杜邦公司；國產(chǎn)A紙，厚度為0.13 mm，A公司；國產(chǎn)B紙，厚度為0.13 mm，B公司；有機(jī)硅浸漬樹脂，德國瓦克化學(xué)有限公司。

1.2 試驗方法

間位芳綸紙的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率及邊緣抗撕裂依據(jù)GB/T 5591.2—2002進(jìn)行測試；間位芳綸紙的介電強(qiáng)度依據(jù)GB/T 1408.1—2016進(jìn)行測試，上、下電極直徑分別為（25.0±0.1）mm、（75.0±0.1）mm；線圈的介質(zhì)損耗及電容依據(jù)GB/T 34665—2017進(jìn)行測試；線圈的絕緣電阻依據(jù)GB/T 20160—2006進(jìn)行測試。

參照GB/T 17948.3—2006[12]中規(guī)定的試樣制作要求，設(shè)計并制作了3組試驗用定子局部模型，模擬繞組帶鐵心結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行相應(yīng)的絕緣處理，如圖1所示，每個定子局部模型有5支可供測試的線圈，對其進(jìn)行電阻、電容及5 kV下1 min的耐壓測試。絕緣結(jié)構(gòu)的參數(shù)見表1，其中定子模型1、2、3分別使用進(jìn)口紙、A紙、B紙。

表1 絕緣結(jié)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)Tab.1 Parameters of insulation structure

圖1 定子局部模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of stator partial model

采用掃描電子顯微鏡（VEGA 3 SBH型，捷克TESCAN公司）觀察間位芳綸紙的微觀結(jié)構(gòu)；采用傅里葉紅外光譜儀（VERTEX 70型，德國BRUKER公司）分析間位芳綸紙的化學(xué)結(jié)構(gòu)；采用烘箱（101C-1型，上海實驗儀器廠）對間位芳綸紙進(jìn)行浸漆固化，采用電腦伺服控制材料試驗機(jī)（HT-2102AP型，弘達(dá)儀器股份有限公司）對間位芳綸紙的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率以及邊緣抗撕裂進(jìn)行實驗測試；采用工頻對地耐壓試驗儀（PVT-10型，上海海鷹機(jī)電檢測設(shè)備廠）對間位芳綸紙進(jìn)行介電強(qiáng)度測試；采用介質(zhì)損耗測定儀（2816型，瑞士TETTEX公司）測試線圈的介質(zhì)損耗和電容，采用絕緣電阻測試儀（1550B型，美國FLUKER公司）測試線圈的絕緣電阻。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀結(jié)構(gòu)

圖2是3種芳綸紙的SEM圖，芳綸紙由間位芳綸短切纖維和間位芳綸沉析纖維組成，短切纖維充當(dāng)“鋼筋”的作用，承擔(dān)大部分拉伸應(yīng)力，沉析纖維則充當(dāng)“混凝土”的作用，將所有短切纖維粘合成一個整體，起到應(yīng)力傳遞的作用[13]。從圖2可以看出，A紙短切纖維和沉析纖維之間存在許多縫隙，紙張結(jié)構(gòu)疏松，而進(jìn)口紙與B紙短切纖維與沉析纖維結(jié)合緊密，紙張表面縫隙較少，紙張結(jié)構(gòu)致密。

圖2 間位芳綸纖維紙的SEM圖Fig.2 SEM imags of meta-aramid paper

2.2 紅外光譜圖

圖3是3種間位芳綸紙的紅外光譜圖，從圖3可以發(fā)現(xiàn)，3種間位芳綸紙的紅外光譜圖保持一致，其中，在3 304 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰屬于仲酰胺基中N-H的伸縮振動，1 650 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰屬于仲酰胺基中C=O的伸縮振動，1 474 cm-1處出現(xiàn)的3個吸收峰屬于苯環(huán)的骨架振動，1 232 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰屬于C-N的伸縮振動，出現(xiàn)在677 cm-1處的3組吸收峰則屬于苯環(huán)被間位取代的表現(xiàn)[14]。

圖3 間位芳綸紙的紅外光譜圖Fig.3 FTIR spectra of meta-aramid paper

2.3 拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長率

3種間位芳綸紙的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 間位芳綸紙的拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率Fig.4 Tensile strength and elongation at break of meta-aramid paper

從圖4可以看出，A紙橫/縱向的拉伸強(qiáng)度為55.33/115.26（N/10mm），低于B紙與進(jìn)口紙的67.38/135.87（N/10 mm）與 73.20/132.60（N/10 mm），但仍然高于GB/T 20629.3—2019要求的50.00/95.00（N/10 mm）；A紙、B紙和進(jìn)口紙的橫/縱向斷裂伸長率都穩(wěn)定地維持在17%～19%，遠(yuǎn)高于GB/T 20629.3—2019要求的6.0%/7.0%。A紙拉伸強(qiáng)度低于B紙與進(jìn)口紙的原因是其紙張結(jié)構(gòu)疏松多孔，芳綸短切纖維和沉析纖維之間的氫鍵結(jié)合不足。

2.4 邊緣抗撕裂

圖5是3種間位芳綸紙的邊緣抗撕裂測試結(jié)果，從圖5可以看出，A紙和B紙橫/縱向邊緣抗撕裂分別為128.17/241.53 N和141.00/248.72 N，總體高于進(jìn)口紙的105.17/228.26 N；重要的是，A紙的邊緣抗撕裂較B紙和進(jìn)口紙穩(wěn)定，在纖維本體強(qiáng)度一定的條件下，邊緣抗撕裂的穩(wěn)定性取決于纖維橫縱向排布的穩(wěn)定性。在嵌線時，使紙張的縱向與線圈嵌線方向保持一致，可以避免因線圈與槽體的相對運動而導(dǎo)致紙張破裂的情況，同時也可以延緩電機(jī)運行時絕緣結(jié)構(gòu)機(jī)械損傷的過程。

圖5 間位芳綸紙的邊緣抗撕裂Fig.5 Edge tear resistance of meta-aramid paper

2.5 介電強(qiáng)度

圖6是3種間位芳綸紙浸漆前后的照片，圖7是其擊穿電壓及掛漆量。

圖6 間位芳綸紙浸漆前后的照片F(xiàn)ig.6 Photos of meta-aramid paper before and after impregnation

圖7 間位芳綸紙浸漆前后的擊穿電壓及掛漆量Fig.7 Breakdown strength and amount of covering varnish of meta-aramid paper before and after impregnating

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，浸漬前B紙在外觀上與進(jìn)口紙非常相似，呈亮白色，而A紙呈米黃色，B紙和進(jìn)口紙呈亮白色的原因是纖維生產(chǎn)中鹽分沒有被完全排出[6]。浸漆后，紙張表面形成一層薄薄的漆膜，其中，B紙和進(jìn)口紙的漆膜厚度為10～15 μm，而A紙的漆膜厚度可達(dá)20～25 μm，這主要是因為A紙表面較為粗糙，有利于絕緣漆的附著。圖7顯示，浸漆前A紙的擊穿電壓為2.56 kV，略低于B紙和進(jìn)口紙的2.80 kV和2.72 kV，但仍高于GB/T 20629.3—2019要求的1.95 kV；浸漆后，A紙的擊穿電壓大幅提高至5.76 kV，高于B紙和進(jìn)口紙的4.64 kV和4.82 kV；同時A紙的掛漆量為32.825 g/m2，高于B紙和進(jìn)口紙的23.050 g/m2和23.630 g/m2。A紙結(jié)構(gòu)較為疏松，紙張內(nèi)部氣孔多，致使其浸漆前擊穿電壓低于B紙和進(jìn)口紙，然而，紙張結(jié)構(gòu)疏松有利于絕緣漆進(jìn)入紙張內(nèi)部并填充紙張內(nèi)部空隙，因此A紙浸漆后的擊穿電壓高于其他兩種間位芳綸紙。

2.6 定子模型的電性能

圖8是定子模型的介質(zhì)損耗因數(shù)測試結(jié)果，表2是定子模型的電阻、電容及耐壓測試結(jié)果。

圖8 定子模型的介質(zhì)損耗因數(shù)Fig.8 Dielectric loss of stator model

從圖8可以看出，在電壓為3 kV以下，隨電壓升高，3個定子模型所有線圈的介質(zhì)損耗因數(shù)沒有出現(xiàn)明顯的增大，達(dá)到了增幅≤1.5%的指標(biāo)要求，表明3種間位芳綸紙均與絕緣漆有很好的相容性；從表2可以看出，3個定子模型的電阻和電容均表現(xiàn)相當(dāng)，分別達(dá)到了≥100 MΩ和≥300 pF的性能要求，15支線圈均通過了5 kV下1 min的耐壓測試，說明3種紙制作的槽絕緣及墊條均符合定子模型的電性能要求。

表2 定子模型的電阻、耐壓及電容Tab.2 Resistance,withstand voltage,and capacitance of stator models

3 結(jié)論

（1）從SEM結(jié)果來看，A紙結(jié)構(gòu)較為疏松，B紙和進(jìn)口紙比較致密，從FTIR結(jié)果來看，3種紙的化學(xué)結(jié)構(gòu)一致，均出現(xiàn)了間位芳綸的特征吸收峰。

（2）兩種國產(chǎn)芳綸紙與進(jìn)口芳綸紙的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率性均達(dá)到了國標(biāo)規(guī)定的性能指標(biāo)。

（3）在邊緣抗撕裂方面，A紙和B紙的強(qiáng)度比進(jìn)口紙略高，但A紙表現(xiàn)更為穩(wěn)定。

（4）浸漆前，A紙的擊穿電壓略低于進(jìn)口紙和B紙；浸漆后，A紙的擊穿電壓高于進(jìn)口紙和B紙，主要原因是A紙紙張結(jié)構(gòu)疏松，有利于絕緣漆進(jìn)入填充紙張內(nèi)部空隙。

（5）以A紙和B紙作為槽絕緣和墊條制作的定子局部模型，各項電性能指標(biāo)均與進(jìn)口紙相當(dāng)，表明兩種國產(chǎn)間位芳綸紙可以代替進(jìn)口間位芳綸紙作為槽絕緣和墊條使用。