何晉豐，楊威，喬健，王琨，陳赟，張翀，林俊，尹立，張進(jìn)

（1.華北電力大學(xué)，北京 100096；2.國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司 先進(jìn)輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102211；3.國(guó)家電網(wǎng)有限公司，北京 100031）

0 引言

環(huán)氧樹脂具有良好的力學(xué)性能和絕緣性能，并且使用方法簡(jiǎn)單、產(chǎn)量大，廣泛用于電氣裝備的絕緣封裝，如干式變壓器、電抗器、氣體絕緣輸電線路等。隨著特高壓輸電技術(shù)不斷發(fā)展，其熱管理已經(jīng)成為重要問題。如果產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)有效散失，將會(huì)加速絕緣材料的老化，導(dǎo)致整個(gè)器件的使用壽命和安全性能下降[1]。

環(huán)氧樹脂的本征導(dǎo)熱系數(shù)低，約為0.2 W/(m·K)，不能滿足高電壓、大功率電力電子設(shè)備日益增長(zhǎng)的散熱需求。因此，研究和開發(fā)高導(dǎo)熱絕緣環(huán)氧樹脂封裝材料具有重要的科研和工程價(jià)值。

提高聚合物的本征導(dǎo)熱系數(shù)難度較大，且不易商業(yè)化。現(xiàn)階段常用的方法是向環(huán)氧樹脂中引入導(dǎo)熱系數(shù)高的填料，制備填充型環(huán)氧復(fù)合材料[2-3]。常用的填料有碳類填料、金屬類填料、無機(jī)非金屬填料等。碳類填料與金屬類填料具有很高的導(dǎo)熱能力[4]，但這兩類填料對(duì)環(huán)氧樹脂的絕緣性能影響較大，且價(jià)格昂貴、分散性差，不適用于對(duì)絕緣性能要求高的高電壓領(lǐng)域。無機(jī)非金屬填料導(dǎo)熱能力雖低于碳類填料和金屬類填料[5-6]，但仍遠(yuǎn)高于聚合物基體，并且具有電絕緣性能好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用。常用的無機(jī)非金屬導(dǎo)熱填料主要包括金屬氧化物、氮化物和碳化物等，如氮化鋁、氮化硼[7]、碳化硅、氧化鋁[8]等。研究發(fā)現(xiàn)填料的添加量、形狀及其與環(huán)氧樹脂間界面結(jié)合的作用都會(huì)影響復(fù)合材料的導(dǎo)熱能力[9-10]。對(duì)于無機(jī)非金屬填料而言，在共混澆注工藝中，因其與環(huán)氧樹脂界面結(jié)合較弱且填料之間難以形成連續(xù)有效的導(dǎo)熱通路，所以在實(shí)際應(yīng)用中為確保較高的導(dǎo)熱性能，通常需增大填料的填充量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于70%）[11-12]。然而，無機(jī)非金屬填料的密度（氮化鋁約為3.3 g/cm3，氮化硼約為2.3 g/cm3，碳化硅約為3.2 g/cm3，氧化鋁約為3.9 g/cm3）遠(yuǎn)大于環(huán)氧樹脂基體的密度（約為1.2 g/cm3），使得填充型高導(dǎo)熱環(huán)氧材料在電氣裝備絕緣封裝澆注和成型過程中填料發(fā)生明顯的沉降現(xiàn)象，導(dǎo)致電氣裝備的結(jié)構(gòu)和熱、電氣等性能分布不均，對(duì)產(chǎn)品的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來潛在危害。龔瑾等[13]制備的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的微米環(huán)氧/Al2O3復(fù)合材料表現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象，填料沉降導(dǎo)致復(fù)合材料上、下氧化鋁含量存在明顯差異，下層氧化鋁富集區(qū)空間電荷密度更高。LIANG H C等[14]研究了Al2O3沉降對(duì)110 kV GIS絕緣子的密度分布和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，Al2O3沉降導(dǎo)致絕緣子的密度變化較大，從2.13 g/cm3增大到2.32 g/cm3，并且力學(xué)性能隨密度變化存在明顯差異，影響了絕緣子的運(yùn)行可靠性。

目前針對(duì)填充型環(huán)氧復(fù)合材料中無機(jī)非金屬填料沉降抑制措施的相關(guān)研究較少，應(yīng)對(duì)方法大多為偶聯(lián)劑改性或引入氧化鈉加速固化反應(yīng)。YAN R等[15]在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的環(huán)氧/Al2O3復(fù)合物中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的觸變劑氣相SiO2以增加復(fù)合體系的黏度來緩解氧化鋁顆粒的沉降。BIAN W C等[16]采用多巴胺改性微米BN顆粒，增強(qiáng)BN與環(huán)氧樹脂的界面結(jié)合，提高BN在樹脂基體中的分散性和均勻性。DAI S T等[17]采用硅烷偶聯(lián)劑KH560改性AlN顆粒以增強(qiáng)其與樹脂基體的結(jié)合，從而緩解填料在成型過程中的沉降問題。王學(xué)培[18]通過向環(huán)氧/Al2O3復(fù)合物中加入NaOH抑制Al2O3的沉降，當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，樣品中Al2O3沉降最小。然而，偶聯(lián)劑對(duì)填料顆粒的改性受限于顆粒表面活性基團(tuán)數(shù)，通常改性程度不高，工藝操作繁瑣，對(duì)沉降抑制作用有限，并且對(duì)環(huán)氧材料的綜合性能有一定影響。氧化鈉、氫氧化鈉處理會(huì)破壞環(huán)氧樹脂中的芳醚鍵，影響復(fù)合材料的力學(xué)性能、電性能，從而加速?gòu)?fù)合材料的老化。因此，研究新的填料防沉降技術(shù)對(duì)高均勻性、低沉降率的高導(dǎo)熱填充型環(huán)氧復(fù)合材料的制備及其在電氣裝備上的絕緣封裝具有重要意義。

本文通過增加預(yù)交聯(lián)過程并調(diào)控優(yōu)化預(yù)交聯(lián)度和固化工藝，提高澆注及成型時(shí)樹脂基體的黏度，增加顆粒沉降的粘滯阻力，在不改變填充型環(huán)氧復(fù)合物成分的基礎(chǔ)上有效地抑制了填料顆粒的沉降。研究預(yù)交聯(lián)溫度選取原則、預(yù)交聯(lián)溫度及固化工藝對(duì)無機(jī)非金屬填料在環(huán)氧基體中沉降的抑制效果，并進(jìn)一步測(cè)試制備的填充型環(huán)氧復(fù)合材料導(dǎo)熱性能和電氣性能的均勻性。以Al2O3為代表，制備出沉降率僅為0.5%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的環(huán)氧/Al2O3樹脂復(fù)合材料。為高均勻性、低沉降率的高導(dǎo)熱填充型環(huán)氧復(fù)合材料的制備及其在高壓電工裝備上的絕緣封裝提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料與儀器

環(huán)氧樹脂和固化劑購(gòu)自賽思邁（上海）新材料科技有限公司，環(huán)氧樹脂牌號(hào)為S-213A，固化劑牌號(hào)為S-213B；Al2O3顆粒購(gòu)自日本新日鐵公司，牌號(hào)為AW40-75。

Al2O3顆粒的晶型由丹陽通達(dá)儀器有限公司生產(chǎn)的TD-3500型X射線衍射儀（XRD）表征；顆粒形貌采用日立公司生產(chǎn)的SU8010型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）表征；環(huán)氧/Al2O3復(fù)合物的流變特性采用賽默飛公司生產(chǎn)的Mars60型流變儀測(cè)試；環(huán)氧/Al2O3復(fù)合物的澆注采用自行設(shè)計(jì)組裝的真空澆注機(jī)進(jìn)行，成型后復(fù)合材料的密度均勻性由閩測(cè)儀器公司生產(chǎn)的MH-300A型密度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試表征；導(dǎo)熱性能由加拿大C-Thermal公司生產(chǎn)的平面熱源法熱導(dǎo)率測(cè)試儀表征；體積電阻率、介電常數(shù)與介質(zhì)損耗、工頻電氣強(qiáng)度等電氣性能分別由吉時(shí)利公司生產(chǎn)的KEITHLEY 8009型高阻計(jì)、100 kV交流擊穿測(cè)試儀和瑞士TETTE公司生產(chǎn)的Tettex 2830型電容與損耗測(cè)量?jī)x測(cè)試。

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 復(fù)合材料澆注

本試驗(yàn)需要制備不同預(yù)交聯(lián)時(shí)間與不同固化工藝的環(huán)氧復(fù)合材料。首先計(jì)算出環(huán)氧樹脂、固化劑和Al2O3的質(zhì)量比（15∶15∶70），然后根據(jù)具體工藝用真空澆注機(jī)進(jìn)行澆注，具體制備流程如下：

（1）將稱好的環(huán)氧樹脂、固化劑和Al2O3顆粒分別在80℃下預(yù)熱30 min備用。

（2）將預(yù)熱后的原料加入真空（＜200 Pa）混料罐中，在一定溫度下真空混合一段時(shí)間使原料混合均勻，制得環(huán)氧復(fù)合物。

（3）將混合均勻的環(huán)氧復(fù)合物真空澆注至不銹鋼模具中，然后將澆注完成的模具轉(zhuǎn)移至鼓風(fēng)干燥箱中在一定的固化工藝下固化成型。成型后冷卻脫模，得到環(huán)氧/Al2O3復(fù)合材料。

1.2.2 流變?cè)囼?yàn)

取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的環(huán)氧/Al2O3復(fù)合物置于旋轉(zhuǎn)流變儀平板轉(zhuǎn)子上，采用旋轉(zhuǎn)模式，在10 r/min的剪切速率下測(cè)試環(huán)氧復(fù)合物在25～140℃溫度范圍內(nèi)的黏度隨溫度變化的曲線（黏溫曲線），在100 r/min的剪切速率下測(cè)試環(huán)氧復(fù)合物在不同溫度下的黏度隨時(shí)間變化的曲線（恒溫黏度時(shí)間曲線）。

1.2.3 樣品密度測(cè)試

Al2O3密度約為3.5 g/cm3，遠(yuǎn)大于環(huán)氧樹脂，在澆注成型的過程會(huì)在環(huán)氧樹脂中發(fā)生沉降。傳統(tǒng)表征沉降的方法主要為灼燒灰分法[19]，即將固化成型后的樣條等分為若干段，在馬弗爐中高溫煅燒，得到填料灰分，對(duì)每一段灰分進(jìn)行稱量，分析填料沉降的程度。這種方法比較復(fù)雜且灼燒過程中會(huì)產(chǎn)生污染。趙玉順等[20]通過在樣品上、下兩端各取一塊樣片，采用比較兩塊樣片密度差的方法表征Al2O3填料在樹脂基體中的沉降程度。本文采用一種更加合理表征填料沉降的方法，將澆注成型的長(zhǎng)條樣片平均分成3段，如圖1所示，由于Al2O3的沉降，每段的密度會(huì)有差異，且沉降越嚴(yán)重密度差異越大。用密度測(cè)試儀分別測(cè)試3段的密度，記為ρ1、ρ2、ρ3，并根據(jù)式（1）～（2）計(jì)算沉降率來表征填料沉降的程度。

圖1 沉降率測(cè)試示意圖Fig.1 The schematic of the settling rate measurement

式（1）～（2）中：P為沉降率，%；ρˉ為3段樣條的平均密度，g/cm3。

2 結(jié)果與分析

2.1 填料及基體性能表征

首先對(duì)Al2O3顆粒進(jìn)行XRD、SEM測(cè)試和粒徑分布測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。圖2(a)為Al2O3填料顆粒的XRD譜圖，在2θ為43°、35°、58°、26°、38°和53°處的特征峰分別對(duì)應(yīng)α-Al2O3的（113）、（104）、（116）、（012）、（110）和（024）晶面（JCPDS No.10-0173），表 明采用的Al2O3填料為α相。圖2(b)的SEM形貌測(cè)試表明，采用的Al2O3填料為球形，粒徑為20～50 μm，表面干凈整潔，但具有一定的粗糙度。圖2(c)的粒徑分布測(cè)試結(jié)果顯示，采用的Al2O3填料粒徑分布較寬，主要分布范圍為20～75 μm，中值粒徑D50約為48 μm。

圖2 原材料表征Fig.2 Characterization of raw material

其次采用S-213環(huán)氧樹脂制備固化物并對(duì)固化物的各項(xiàng)基礎(chǔ)性能進(jìn)行測(cè)試表征，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，S-213環(huán)氧樹脂的絕緣性能良好，體積電阻率高達(dá)3.09×1019Ω·m，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗低，導(dǎo)熱性能較差，導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.20 W/(m·K)，不能滿足高性能電氣絕緣材料的散熱要求。

表1 S-213環(huán)氧樹脂基礎(chǔ)性能Tab.1 Basic properties of S-213 epoxy resin

采用以上規(guī)格的Al2O3顆粒和環(huán)氧樹脂，根據(jù)廠家指導(dǎo)成型工藝（將Al2O3顆粒與環(huán)氧樹脂及固化劑在70℃下攪拌10 min后澆注模具，真空脫泡30 min后置于鼓風(fēng)干燥箱中按照80℃/4 h+140℃/12 h工藝固化成型）制備顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的樣品，計(jì)算得出樣品的沉降率為6.0%。在樣品的上部選一點(diǎn)，放置在熱導(dǎo)率測(cè)試儀的測(cè)試探頭上測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)，測(cè)得上部導(dǎo)熱系數(shù)為1.22 W/(m·K)，再在同一樣品的下部選一點(diǎn)，放置在測(cè)試探頭上測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)，測(cè)得下部導(dǎo)熱系數(shù)為1.39 W/(m·K)，同一樣品的不同位置導(dǎo)熱系數(shù)存在明顯差異。

填料在樹脂基體中的沉降與二者的密度差異大、界面結(jié)合弱及樹脂體系的黏度低有關(guān)，在不改變填充型環(huán)氧復(fù)合材料組成成分的前提下抑制填料沉降問題，可通過調(diào)控樹脂體系的黏度，增加填料顆粒在樹脂基體中運(yùn)動(dòng)的粘滯阻力來實(shí)現(xiàn)。基于此，本文從優(yōu)化工藝的角度出發(fā)，增加預(yù)交聯(lián)階段，提高填充型環(huán)氧復(fù)合物澆注時(shí)的黏度，降低填料顆粒在澆注過程中的沉降。此外，配合預(yù)交聯(lián)工藝制度，優(yōu)化成型固化工藝，降低填料在成型過程中的沉降程度。

2.2 預(yù)交聯(lián)溫度分析

針對(duì)70%環(huán)氧/Al2O3復(fù)合材料體系，通過環(huán)氧復(fù)合物的流變測(cè)試選擇合適的預(yù)交聯(lián)及澆注溫度。圖3為70%環(huán)氧/Al2O3復(fù)合物的黏溫曲線。從圖3可以看出，環(huán)氧復(fù)合物室溫黏度大于100 Pa·s，其在25～140℃黏度隨溫度的升高而逐漸降低。當(dāng)溫度升高至65℃時(shí)，環(huán)氧復(fù)合物黏度迅速下降至2.05 Pa·s，隨后隨著溫度的進(jìn)一步升高，體系黏度緩慢降低，110℃時(shí)黏度降至約0.12 Pa·s，然后趨于穩(wěn)定。在工業(yè)化生產(chǎn)中，為了保證澆注效率和成型質(zhì)量，通常要求絕緣環(huán)氧封裝材料的黏度低于2 Pa·s，并且從節(jié)能和安全的角度考慮，澆注溫度一般不高于90℃。綜合生產(chǎn)中對(duì)于黏度和澆注溫度的要求，從圖3的黏溫曲線可知70%環(huán)氧/Al2O3復(fù)合物的預(yù)交聯(lián)及澆注溫度范圍在65～90℃為宜。

圖3 70%環(huán)氧/Al2O3復(fù)合物黏溫曲線Fig.3 Viscosity temperature curve of 70%epoxy/Al2O3 composite

進(jìn)一步選取65、75、85℃為試驗(yàn)溫度，對(duì)環(huán)氧復(fù)合材料分別在此3個(gè)溫度下的恒溫黏度隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，環(huán)氧復(fù)合物的初始黏度隨溫度的升高而減小，同時(shí)復(fù)合物的黏度均因環(huán)氧樹脂發(fā)生緩慢交聯(lián)而隨時(shí)間變化逐漸增大，并且溫度越高環(huán)氧樹脂的交聯(lián)速度越快，復(fù)合物黏度增長(zhǎng)速度越快。在65℃下環(huán)氧復(fù)合物的初始黏度最大，超過2 Pa·s，并且隨著時(shí)間的增加黏度繼續(xù)增大。75℃下環(huán)氧復(fù)合物的初始黏度為1.02 Pa·s，隨著時(shí)間的增加復(fù)合物的黏度有所上升，7 000 s后黏度僅為2 Pa·s左右。85℃下環(huán)氧復(fù)合物的初始黏度小于1 Pa·s，但環(huán)氧樹脂的交聯(lián)速度快，復(fù)合物黏度增加速率快，4 000 s后便超過2 Pa·s。綜合考慮澆注過程對(duì)黏度（小于2 Pa·s）和操作窗口（30～60 min）的要求，環(huán)氧復(fù)合物在65℃下初始黏度過大（大于2 Pa·s），可加工性差；在85℃下黏度增加過快，較短時(shí)間內(nèi)超過2 Pa·s，加工操作窗口短；而在75℃下黏度較低且有較長(zhǎng)的加工窗口，因此選擇75℃為預(yù)交聯(lián)及澆注溫度。

圖4 70%環(huán)氧/Al2O3復(fù)合物在不同溫度下黏度隨時(shí)間變化Fig.4 The viscosity of 70%epoxy/Al2O3 composite at different temperatures changes with time

2.3 預(yù)交聯(lián)時(shí)間對(duì)環(huán)氧復(fù)合材料沉降率的影響

在確定75℃的混料溫度后，為確定最佳的預(yù)交聯(lián)時(shí)間，根據(jù)復(fù)合物在75℃下黏度隨時(shí)間的變化規(guī)律，選取30、45、60、90、120 min的預(yù)交聯(lián)時(shí)間，其對(duì)應(yīng)的黏度分別為1.12、1.29、1.40、1.80、2.35 Pa·s，研究預(yù)交聯(lián)時(shí)間及黏度與填料沉降率之間的關(guān)系，并確定最佳的預(yù)交聯(lián)時(shí)間及黏度。對(duì)在不同預(yù)交聯(lián)時(shí)間下制備的樣品不同部分的密度進(jìn)行測(cè)試，并計(jì)算沉降率，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，隨著預(yù)交聯(lián)時(shí)間的增加，樣品的沉降率減小。這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂在固化劑的作用下逐漸開始交聯(lián)，體系黏度增大，流動(dòng)性變差，增加了顆粒沉降的阻力，大幅降低了顆粒的沉降速率，有效提高了環(huán)氧復(fù)合材料的均勻性。當(dāng)預(yù)交聯(lián)時(shí)間大于60 min時(shí)，澆注黏度大于1.40 Pa·s后，Al2O3在 環(huán) 氧 樹 脂 中 的 沉 降 率 在1%以下。

圖5 沉降率與預(yù)交聯(lián)時(shí)間關(guān)系Fig.5 Relationship between settling rate and pre-crosslinking time

對(duì)不同預(yù)交聯(lián)時(shí)間下5種樣品的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)如圖6(a)中A、B、C、D 4個(gè)點(diǎn)，結(jié)果如圖6(b)所示。由圖6(b)可見（從下到上分別為A、B、C、D），預(yù)交聯(lián)30 min的樣品不同點(diǎn)的導(dǎo)熱系數(shù)差距很大。這是因?yàn)樘盍铣两祰?yán)重，樣品的下部Al2O3含量大于70%，導(dǎo)致C、D兩點(diǎn)的導(dǎo)熱系數(shù)大于A、B兩點(diǎn)的導(dǎo)熱系數(shù)。在延長(zhǎng)預(yù)交聯(lián)時(shí)間后，復(fù)合材料上、下端導(dǎo)熱系數(shù)差異逐漸降低，材料結(jié)構(gòu)均勻性提高，并且預(yù)交聯(lián)時(shí)間越長(zhǎng)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)分布差異越小，結(jié)構(gòu)均勻性越高。

圖6 樣品導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果Fig.6 Sample thermal conductivity test results

2.4 固化工藝優(yōu)化及其對(duì)填料沉降率的影響

為進(jìn)一步降低沉降率，研究不同固化工藝對(duì)環(huán)氧復(fù)合材料在成型過程中沉降的影響。在指導(dǎo)固化工藝80℃/4 h+140℃/10 h基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)100℃/4 h+140℃/10 h高溫快速固化工藝和75℃/3 h+85℃/3 h+95℃/3 h+130℃/12 h多段固化工藝兩種固化工藝，對(duì)比3種工藝，研究不同固化工藝對(duì)Al2O3沉降的影響。用流變儀對(duì)復(fù)合材料在不同預(yù)固化溫度下的黏度隨時(shí)間變化進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，75℃預(yù)交聯(lián)結(jié)束以后進(jìn)行固化的前1 h過程中，80℃與100℃下環(huán)氧復(fù)合物的黏度都出現(xiàn)下降，溫度越高復(fù)合物黏度降低越明顯，且在一段時(shí)間內(nèi)保持在較低的水平，黏度降低，Al2O3便會(huì)在復(fù)合材料中發(fā)生沉降。而在75℃下固化，環(huán)氧復(fù)合材料的黏度在預(yù)交聯(lián)基礎(chǔ)上持續(xù)增大，無下降過程。由此推測(cè)采用75℃/3 h+85℃/3 h+95℃/3 h+130℃/12 h固化工藝制備的樣品沉降最小。

圖7 不同溫度下黏度隨時(shí)間變化Fig.7 Viscosity changes with time at different temperatures

在保持混料時(shí)間相同的前提下澆注樣品，驗(yàn)證不同固化工藝對(duì)Al2O3沉降的影響,對(duì)得到的樣品進(jìn)行密度測(cè)試，并計(jì)算沉降率，結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，采用多段固化工藝制備的樣品沉降率最小僅為0.5%，快速固化工藝制備的樣品沉降最大為2.2%。表明固化溫度與預(yù)交聯(lián)溫度差異越大，環(huán)氧體系中填料沉降越嚴(yán)重。進(jìn)一步采用圖6(a)所示測(cè)試方法對(duì)3種不同固化工藝制得樣品的導(dǎo)熱性能均勻性進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果如圖9所示。

圖8 不同固化工藝沉降率Fig.8 Setting rate under different curing processes

圖9 不同固化工藝樣品導(dǎo)熱系數(shù)Fig.9 Thermal conductivity of samples under different curing processes

從圖9可以看出，隨著預(yù)固化溫度與預(yù)交聯(lián)溫度差異增大，制備的復(fù)合材料不同部位的導(dǎo)熱系數(shù)差異越大，樣品的結(jié)構(gòu)和性能均勻性越差。

因此，設(shè)計(jì)環(huán)氧復(fù)合物固化工藝制度時(shí)，應(yīng)使預(yù)固化溫度與預(yù)交聯(lián)溫度相同或接近，引入多溫段緩慢升溫固化，防止體系黏度驟降，抑制填料在成型固化過程中發(fā)生沉降，提高復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能均勻性。

2.5 優(yōu)化工藝復(fù)合材料導(dǎo)熱、電氣及力學(xué)性能

采用改善后的工藝制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的環(huán)氧/Al2O3復(fù)合材料，并測(cè)試其導(dǎo)熱性能、電氣性能與力學(xué)性能，結(jié)果如表2所示。

表2 復(fù)合材料性能Tab.2 Properties of composites

從表2可以看出，制備的復(fù)合材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，并且導(dǎo)熱系數(shù)分布均勻，導(dǎo)熱系數(shù)平均值為1.312 W/(m·K)，比純樹脂提高了約6倍。復(fù)合材料的介電常數(shù)為4.94，介質(zhì)損耗因數(shù)為0.002，體積電阻率為1.64×1019Ω·m。與純樹脂相比，制備的復(fù)合材料介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)略有增大，體積電阻率無明顯下降。如圖10(a)所示，將直徑為100 mm、厚度為1 mm的擊穿樣品分為上、下兩半，在上、下兩塊樣品上各做8次擊穿試驗(yàn)，并進(jìn)行威布爾電氣強(qiáng)度擬合，結(jié)果如圖10(b)～(c)所示。從圖10(b)可以看出，優(yōu)化工藝前，復(fù)合材料沉降嚴(yán)重，上部與下部電氣強(qiáng)度存在明顯差異，上半部電氣強(qiáng)度為34.52 kV/mm，下半部分電氣強(qiáng)度為30.99 kV/m。從圖10(c)可以看出，優(yōu)化工藝后，復(fù)合材料上半部分電氣強(qiáng)度為33.59 kV/mm，下半部分電氣強(qiáng)度為33.16 kV/mm，二者差異小，樣品均勻性好。此外，從表2還可以看出，復(fù)合材料的力學(xué)性能良好，拉伸強(qiáng)度為63.76 MPa，彎曲強(qiáng)度為107.78 MPa。

圖10 70%環(huán)氧/Al2O3復(fù)合材料電氣強(qiáng)度擬合曲線Fig.10 Weibull fitting curves of electric strength of 70%epoxy/Al2O3 resin composites

3 結(jié)論

（1）混料及預(yù)交聯(lián)溫度選取要合理，過高的預(yù)交聯(lián)溫度會(huì)使環(huán)氧復(fù)合物交聯(lián)過快，導(dǎo)致材料加工窗口變短。過低的交聯(lián)溫度使環(huán)氧復(fù)合物黏度過大，不易加工。

（2）延長(zhǎng)預(yù)交聯(lián)時(shí)間可以增加環(huán)氧樹脂交聯(lián)程度，加大澆注黏度，從而有效控制Al2O3沉降。但過長(zhǎng)的預(yù)交聯(lián)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致黏度過大，使復(fù)合物加工性能下降，甚至堵塞澆注管道。

（3）固化工藝的預(yù)固化溫度應(yīng)與澆注溫度匹配，預(yù)固化溫度不能過高，過高的預(yù)固化溫度會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料黏度減小從而導(dǎo)致Al2O3沉降增大。同時(shí)過高的預(yù)固化溫度會(huì)導(dǎo)致固化速率過快，損害材料的力學(xué)性能。

（4）預(yù)交聯(lián)及固化工藝的優(yōu)化和選取方法，對(duì)澆注制備其他填料（氮化硼、氮化鋁等）的高均勻性、低沉降率高導(dǎo)熱環(huán)氧復(fù)合材料具有一定的指導(dǎo)意義。