耐高溫聚合物

非金屬礦物和固廢資源材料化利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所高技術(shù)材料實(shí)驗(yàn)室的研究人員劉金剛、張秀敏、田付強(qiáng)、楊士勇，在2017年第16期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，耐高溫聚合物電介質(zhì)材料以其優(yōu)良的耐高溫穩(wěn)定性、優(yōu)異的介電性能以及良好的耐環(huán)境穩(wěn)定性等在電工絕緣領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

系統(tǒng)綜述了國(guó)內(nèi)外近年來在耐高溫聚合物電介質(zhì)材料基礎(chǔ)與應(yīng)用領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。從耐高溫聚合物電介質(zhì)材料的發(fā)展歷史、結(jié)構(gòu)特性以及應(yīng)用研究等方面進(jìn)行了綜述。重點(diǎn)介紹了耐高溫聚合物電介質(zhì)材料在軌道交通牽引電機(jī)、新能源電力設(shè)備以及航空航天電氣設(shè)備等電工絕緣領(lǐng)域中的應(yīng)用狀況。最后對(duì)耐高溫聚合物電介質(zhì)材料的未來發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

電介質(zhì)（dielectrics）為電工元器件提供絕緣保護(hù)[1,2]，是電工絕緣領(lǐng)域中最為重要的基礎(chǔ)性材料品種之一。按照化學(xué)組成結(jié)構(gòu)的不同，電介質(zhì)材料一般可分為無機(jī)電介質(zhì)、有機(jī)電介質(zhì)以及有機(jī)-無機(jī)雜化電介質(zhì)等三類。而按照存在狀態(tài)的不同可以分為流體、氣體以及固體電介質(zhì)等幾類。在所有電介質(zhì)材料中，固體有機(jī)聚合物電介質(zhì)材料以其介電性能優(yōu)良、成本相對(duì)低廉、加工工藝多樣等特性而得到了廣泛的重視以及快速的發(fā)展[3]。

聚合物電介質(zhì)材料按照其耐溫等級(jí)的不同可以劃分為多個(gè)級(jí)別。例如，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）及美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）按照電介質(zhì)絕緣材料（ElectricalInsulating Material, EIM）以及電氣絕緣系統(tǒng)（Electrical InsulatingSystem, EIS）的相對(duì)耐熱指數(shù)（Relative Thermal Endurance Index, RTE或RTI）的差異明確劃分了其級(jí)別，每個(gè)級(jí)別對(duì)應(yīng)的典型聚合物電介質(zhì)材料如圖1所示。

圖1 常見聚合物電介質(zhì)材料及其耐溫等級(jí)

近年來，隨著電氣絕緣技術(shù)向著高溫方向的不斷發(fā)展，對(duì)于耐高溫聚合物電介質(zhì)（High-Temperature ResistantPolymer Dielectrics, HTPDs）的需求日益迫切[4]。耐高溫電介質(zhì)材料對(duì)于實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備小型化、輕量化、大容量化等具有重要意義，是現(xiàn)代絕緣材料產(chǎn)品的重點(diǎn)發(fā)展方向之一[5]。因此，圖1中耐溫等級(jí)超過H級(jí)（180℃）的聚合物電介質(zhì)材料近年來得到了快速的發(fā)展。

從結(jié)構(gòu)特征上而言，HTPDs材料往往分子結(jié)構(gòu)間存在較強(qiáng)的共軛作用或者分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部易形成氫鍵等化學(xué)鍵，導(dǎo)致分子鏈內(nèi)部以及分子鏈間存在較強(qiáng)的相互作用力，直接表現(xiàn)為具有優(yōu)良的耐高溫性能（高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、高熱分解溫度、優(yōu)良的高溫尺寸穩(wěn)定性等）、優(yōu)異的介電性能（高絕緣強(qiáng)度、高體積及表面電阻率等）、優(yōu)異的耐環(huán)境穩(wěn)定性（耐化學(xué)環(huán)境、大氣環(huán)境、太空環(huán)境等）以及良好的力學(xué)性能等。但這種結(jié)構(gòu)特征也往往同時(shí)會(huì)造成HTPDs材料相對(duì)于普通電介質(zhì)材料較差的加工和工藝性能。

此外，這類材料往往具有較高的成本，應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在高溫、高壓、高輻照、高真空等極端環(huán)境中。也正是因?yàn)镠TPDs材料在國(guó)防以及民用高科技領(lǐng)域中的重要性，國(guó)內(nèi)外均十分重視這類材料的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究[6-10]。

本文將系統(tǒng)綜述國(guó)內(nèi)外近年來在HTPDs材料基礎(chǔ)與應(yīng)用領(lǐng)域的研究進(jìn)展。重點(diǎn)闡述聚酰亞胺（Polyimide, PI）、聚醚酰亞胺（Polyetherimide,PEI）、聚酰胺酰亞胺（Polyamideimide, PAI）、聚苯并咪唑（Polybenzimidazole,PBI）、聚醚醚酮（PEEK）以及聚苯基喹噁啉（Polyphenylquinoxaline,PPQ）等具有H級(jí)以上耐溫等級(jí)的聚合物電介質(zhì)材料的發(fā)展?fàn)顩r以及在電工絕緣領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展。

1 耐高溫聚合物電介質(zhì)材料

1.1 耐高溫聚合物簡(jiǎn)介

人類早在20世紀(jì)初，世界上首個(gè)合成聚合物材料——酚醛樹脂（電木粉）實(shí)現(xiàn)商業(yè)化后就開始將聚合物材料應(yīng)用于絕緣領(lǐng)域中。圖2給出了各種聚合物材料在絕緣領(lǐng)域中的應(yīng)用歷史及其最高使用溫度。20世紀(jì)60年代以前實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的聚合物電介質(zhì)材料對(duì)于耐溫性能的要求并不十分顯著。

但之后在航天以及武器應(yīng)用需求推動(dòng)下，對(duì)于聚合物材料的耐溫等級(jí)要求日益增加。這期間一大批耐高溫聚合物材料紛紛問世，并且實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)。但其中的眾多材料由于單純追求耐熱性而忽略了其加工工藝性能以及成本，因此逐漸被市場(chǎng)淘汰。

僅有數(shù)種耐高溫聚合物材料，如聚芳酰胺（PA）、PI、PAI、PBI、PPQ等材料一直商業(yè)化至今。其后，在20世紀(jì)80年代以后又有數(shù)種耐高溫聚合物，如聚醚醚酮（PEEK）、液晶聚合物（LCP）、PEI等實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。

圖2 常見聚合物電介質(zhì)材料的發(fā)展歷史與最高使用溫度

由圖1可以看出，耐熱等級(jí)超過H級(jí)（180℃）的耐高溫聚合物電介質(zhì)材料主要包括PI、PAI、PEI、PBI、PPQ、PEEK、氟樹脂、硅樹脂、聚芳酰胺等幾類。上述材料由于兼具優(yōu)良的耐高溫性能、優(yōu)異的介電性能以及較好的加工工藝性能，因此在特種電工絕緣領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

鑒于文獻(xiàn)中對(duì)于氟樹脂、硅樹脂、聚芳酰胺（Kevlar?&Nomex?）等電介質(zhì)材料已經(jīng)多有論述[11-15]。因此本文將主要介紹PI、PAI、PEI、PBI、PPQ、PEEK等幾類耐高溫聚合物電介質(zhì)材料的發(fā)展概況。

1.2 耐高溫聚合物電介質(zhì)材料

表1[16]總結(jié)了幾類常見HTPDs材料的典型性能?？梢钥闯觯@類電介質(zhì)材料的共同特征在于均具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、高介電強(qiáng)度以及相對(duì)較低的介電常數(shù)與介質(zhì)損耗。HTPDs材料按照應(yīng)用形式的不同可分為清漆、薄膜、塑料、泡沫、氣凝膠等多種類型。

清漆主要用于浸漬銅線等導(dǎo)線，制造漆包線漆；薄膜材料主要用于銅線等繞組；塑料則主要用于制造電氣、電子接插件、連接器等部件；泡沫與氣凝膠則主要應(yīng)用于低壓開關(guān)設(shè)備的絕緣。圖3總結(jié)了目前常見典型商業(yè)化HTPDs的種類，圖4給出了其典型化學(xué)結(jié)構(gòu)。

表1 常見耐高溫聚合物電介質(zhì)材料的典型性能

1.2.1 聚酰亞胺（PI）、聚酰胺酰亞胺（PAI）與聚醚酰亞胺（PEI）

從化學(xué)結(jié)構(gòu)上講，PI、PAI、PEI以及聚酯酰亞胺（PEsI）同屬一類聚合物材料，其共同特征在于分子結(jié)構(gòu)中均含有酰亞胺環(huán)，不同之處在于每一類材料均含有其特征基團(tuán)。如PI是標(biāo)準(zhǔn)型酰亞胺類材料，而PAI則含有酰胺鍵、PEI含有醚鍵、聚酯酰亞胺含有酯鍵等。這些不同類型的化學(xué)鍵賦予了上述電介質(zhì)材料不同的特性。

PI是最早應(yīng)用于電機(jī)絕緣的聚合物材料之一。PI電介質(zhì)材料的主要性能特征包括[17]：

（1）耐高低溫性能優(yōu)異。起始熱分解溫度一般超過500℃，在?269℃液態(tài)氦中仍不會(huì)脆裂。

（2）力學(xué)性能優(yōu)良。PI薄膜的拉伸強(qiáng)度一般超過100MPa。

（3）介電性能優(yōu)異。一般而言，PI的相對(duì)介電常數(shù)為3.4左右，介質(zhì)損耗為10?3左右，介電強(qiáng)度可達(dá)300kV/mm，體積電阻率可達(dá)1017W·cm。這些性能在寬廣的溫度區(qū)間和頻率范圍內(nèi)仍然保持在較高的水平。

圖3 典型商業(yè)化耐高溫聚合物電介質(zhì)材料

圖4 耐高溫聚合物電介質(zhì)材料典型化學(xué)結(jié)構(gòu)

（4）阻燃性能優(yōu)異。PI為自熄性聚合物，發(fā)煙率極低。

（5）耐輻照性能優(yōu)異。107Gy劑量g-射線輻照后，PI的強(qiáng)度仍可保持初始值的80%以上。

優(yōu)良的綜合性能使得PI在特種電工及電子領(lǐng)域中均得到了廣泛的應(yīng)用。例如，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，線圈發(fā)熱，并且絕緣漆還會(huì)受到瞬時(shí)電流、電壓以及電暈的沖擊，容易老化和破壞。而PI絕緣漆優(yōu)良的綜合性能使其在電機(jī)絕緣領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

PI絕緣漆可用作電機(jī)繞組的絕緣浸漬漆和電機(jī)內(nèi)導(dǎo)線的絕緣面漆，還可用于高壓大型電機(jī)的槽部、端部的抗電暈漆，在250℃時(shí)，PI漆包線的使用時(shí)間可達(dá)到10000h以上。

我國(guó)早在1994年就頒布了機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“漆包繞組線絕緣漆第8部分 220級(jí)聚酰亞胺漆包線漆”（JB/T 7599.8—1994），對(duì)采用均苯四甲酸二酐與4,4-二氨基二苯醚合成的PI漆包線漆的型號(hào)以及技術(shù)要求進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。

隨著我國(guó)絕緣行業(yè)的發(fā)展，PI介質(zhì)材料在風(fēng)電、高速軌道交通等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。例如，我國(guó)在2011年頒布了能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“風(fēng)力發(fā)電機(jī)線圈絕緣用耐電暈聚酰亞胺薄膜補(bǔ)強(qiáng)玻璃布粉云母帶”（NB/T 31010—2011）；2014年頒布了“風(fēng)力發(fā)電機(jī)用繞組線第2部分：240級(jí)芳族聚酰亞胺薄膜繞包燒結(jié)銅扁線（NB/T31048.2—2014）和“風(fēng)力發(fā)電機(jī)用繞組線第6部分：聚酰亞胺薄膜補(bǔ)強(qiáng)云母帶繞包銅扁線（NB/T31048.6—2014）等標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)的頒布顯示了PI電介質(zhì)材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展。

PAI電介質(zhì)材料兼具PI材料的耐高溫以及聚芳酰胺材料的高強(qiáng)度等特性，因此具有良好的綜合性能[18,19]。在電工領(lǐng)域中，PAI主要以漆和塑料兩種形式使用。例如PAI漆很早就被用作銅導(dǎo)線的絕緣材料。由于PAI涂層較PI等其他類型涂層更耐磨，因此主要用作漆包線的面漆。

與PI電介質(zhì)材料類似，我國(guó)在1994年也頒布了PAI漆包線漆的機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（“漆包繞組線絕緣漆第7部分 200級(jí)聚酰亞胺漆包線漆”，JB/T 7599.7—1994）。PAI塑料的典型代表是比利時(shí)Solvay公司的Torlon?系列材料。

PEI電介質(zhì)材料分子結(jié)構(gòu)中除了酰亞胺環(huán)外，還含有醚鍵、異丙基等取代基。這些柔性基團(tuán)的存在雖然在一定程度上犧牲了PEI的耐熱穩(wěn)定性，但同時(shí)賦予了其優(yōu)良的加工工藝性能。例如PEI可以無需借助粘合劑層實(shí)現(xiàn)熱繞組[20]。沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司（Sabic）在收購(gòu)了美國(guó)GE公司PEI（Ultem?）業(yè)務(wù)后，又針對(duì)高溫應(yīng)用領(lǐng)域的需求推出了Extem? XH、UH與UP塑料。

這些塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度由Ultem?1000的219℃升高到267℃以上，極大提升了PEI介質(zhì)材料的熱級(jí)。近期，Sabic還推出了適用于3D打印技術(shù)生產(chǎn)的Ultem? 9085樹脂。利用這種樹脂，采用3D打印技術(shù)可直接生產(chǎn)電氣、電子接插件等絕緣制品。

1.2.2 聚苯并咪唑（PBI）

PBI材料是所有熱塑性聚合物材料中耐熱等級(jí)最高的一類，其結(jié)構(gòu)特征在于分子結(jié)構(gòu)中含有剛性苯并咪唑環(huán)。商業(yè)化PBI材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)427℃，可長(zhǎng)期工作于300℃以上環(huán)境中[21]。PBI樹脂可以溶解于N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）等極性溶劑中，配制成一定固含量的溶液，然后可作為清漆應(yīng)用于銅導(dǎo)線的絕緣防護(hù)。

高溫固化后PBI漆膜可以耐受超過300℃以上的高溫。此外，PBI還可以纖維或模塑料的形式應(yīng)用于高壓電氣絕緣部件的制造中。PBI作為電介質(zhì)材料的主要問題在于其制造成本較高，因此主要應(yīng)用于極端環(huán)境電氣絕緣中。

1.2.3 聚苯基喹噁啉（PPQ）

PPQ是一類分子結(jié)構(gòu)中含有苯基取代喹噁啉環(huán)的聚合物材料。與PI等極性材料不同，PPQ分子結(jié)構(gòu)中極性基團(tuán)的含量很低，因此作為電介質(zhì)材料來使用往往表現(xiàn)出優(yōu)異的耐水解特性以及較低的介電常數(shù)（k＜3.0與介質(zhì)損耗[22]。PPQ作為電介質(zhì)材料主要應(yīng)用于高溫潮濕環(huán)境中的電氣絕緣。

例如，美國(guó)早在20世紀(jì)80年代就開始評(píng)估商業(yè)化PPQ薄膜（IP200?）作為高溫電介質(zhì)材料應(yīng)用于漆包線絕緣等方面的性能。通過對(duì)比PPQ薄膜、Kapton?薄膜、Upilex? S薄膜等材料的綜合特性發(fā)現(xiàn)，PPQ薄膜在90℃/100%相對(duì)濕度環(huán)境中老化1222h后重量減少0.6%，而相同條件下Kapton?薄膜在不到500h時(shí)表面即變得十分粘稠，進(jìn)而完全水解。這表明PPQ薄膜在高溫高濕環(huán)境中具有十分優(yōu)異的穩(wěn)定性，可應(yīng)用于類似環(huán)境中的電氣或電子絕緣[23]。

目前制約PPQ介質(zhì)材料廣泛應(yīng)用的主要問題是其高成本。近年來，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所采用低成本路線成功實(shí)現(xiàn)了PPQ關(guān)鍵原材料—雙（?-二酮）單體的批量化制備。這為拓展PPQ電介質(zhì)材料的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)[24-26]。

1.2.4 聚醚醚酮（PEEK）

PEEK是一類分子結(jié)構(gòu)中含有醚鍵與酮羰基的半結(jié)晶性聚合物材料。傳統(tǒng)的PI電介質(zhì)材料由于不溶不熔的特性，需要使用額外的粘合劑層（如含氟涂層、丙烯酸酯、環(huán)氧等）才能夠?qū)崿F(xiàn)部件的熱繞組絕緣。額外的粘合劑層往往會(huì)使高溫絕緣效果劣化。而PEEK半結(jié)晶性的結(jié)構(gòu)特征使其具有熱熔特性，可在高溫下直接與銅線進(jìn)行高溫?zé)崂@組，進(jìn)而制得絕緣制品[27]。

直接繞組一方面使得絕緣可靠性更高，此外免除了粘合劑層可使絕緣體變得更薄，有利于提高散熱性。由于具有優(yōu)良的電絕緣性能、耐化學(xué)與濕熱穩(wěn)定性以及優(yōu)良的抗高應(yīng)變彎曲性能，因此在扁線電機(jī)線圈制造過程中常用PEEK電介質(zhì)材料來替代傳統(tǒng)的PI電介質(zhì)[28]。

PEEK電介質(zhì)材料的主要性能特性包括：（1）高耐熱穩(wěn)定性。PEEK薄膜具有220℃的RTI指數(shù)，200℃時(shí)的體積電阻率可達(dá)1011W·cm以上。（2）低吸濕率。在電工與電子絕緣中可保持穩(wěn)定的絕緣特性以及尺寸穩(wěn)定性。（3）優(yōu)異的耐環(huán)境穩(wěn)定性和耐水解特性。對(duì)酸、堿、氧化劑、烴類溶劑以及水蒸氣等均具有良好的耐受性，經(jīng)200℃高壓水蒸汽老化2000h，性能未見顯著變化。（4）高阻燃性以及耐g-射線輻照特性。

總之，PEEK絕緣電線突出的耐高溫性、阻燃性、耐輻射性以及良好的機(jī)械性能，使其在航空工業(yè)中可作為超高溫導(dǎo)線，在石油工業(yè)中可作為潛油泵電機(jī)繞組線及連接線，在原子能發(fā)電站中可作為核島驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的繞組線圈長(zhǎng)期在輻照條件下使用；PEEK絕緣電線的耐海水性、重量輕、體積小、阻燃性優(yōu)異等性能使其可在艦船中使用。

鑒于PEEK材料優(yōu)良的介電性能，我國(guó)于近期制定了機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“電氣用聚醚醚酮模塑料”（JB/T 12420—2015），該標(biāo)準(zhǔn)已于2015年10月發(fā)布，于2016年3月開始實(shí)施。

2 耐高溫聚合物電介質(zhì)材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用

鑒于耐高溫聚合物電介質(zhì)材料優(yōu)良的綜合性能，國(guó)內(nèi)外十分重視其設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。近年來，針對(duì)耐高溫聚合物電介質(zhì)材料的理論模擬、模型構(gòu)建以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作均取得了重要進(jìn)展。Wang C. C.等提出了聚合物電介質(zhì)材料的計(jì)算策略[29]，對(duì)現(xiàn)代計(jì)算方法在聚合物電介質(zhì)材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

各種現(xiàn)在計(jì)算方法，如密度泛函理論（Density Function Theory, DFT）、定量結(jié)構(gòu)性能分析（QuantitativeStructure Property Relationship, QSPR）等在改進(jìn)現(xiàn)有聚合物電介質(zhì)材料的性能以及新型聚合物電介質(zhì)材料的設(shè)計(jì)開發(fā)方面均具有良好的指導(dǎo)作用。

例如，采用上述方法可設(shè)計(jì)出含Si、Ge、Sn等元素的新型電介質(zhì)材料，其介電常數(shù)可在2.5～47之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于可以在化學(xué)鍵等分子水平上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這對(duì)于耐高溫聚合物電介質(zhì)材料的研發(fā)也具有重要的指導(dǎo)作用。

Sili E.等人評(píng)判了航空環(huán)境中，在放電情況下，對(duì)聚合物電介質(zhì)材料（PI薄膜）壽命預(yù)測(cè)模型的有效性[30]。通過對(duì)逆冪律模型、阿倫尼斯模型以及Ramu模型對(duì)PI絕緣薄膜壽命預(yù)測(cè)的有效性進(jìn)行分析，作者發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境壓力下，溫度對(duì)于PI薄膜壽命的影響要較在航空低壓環(huán)境中大得多。此時(shí)，采用阿倫尼斯模型可綜合考慮溫度與壓力的影響，更適合預(yù)測(cè)航空環(huán)境中PI薄膜的壽命。該分析結(jié)果對(duì)于“全電飛機(jī)”絕緣系統(tǒng)的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)作用。

應(yīng)用方面，隨著近年來全球范圍內(nèi)大容量高電壓電力設(shè)備的不斷增多，對(duì)耐高溫電介質(zhì)材料的需求也日益增加。具有高介電強(qiáng)度、低介質(zhì)損耗以及良好耐電暈?zāi)芰Φ母邷仉娊橘|(zhì)材料得到了越來越廣泛的應(yīng)用。一般而言，這些材料具有足夠的力學(xué)性能和可塑性，可承受設(shè)備在高速旋轉(zhuǎn)、起動(dòng)停止以及突然短路造成的機(jī)械應(yīng)力，在長(zhǎng)時(shí)間作用下仍可保持所需的介電性能和力學(xué)性能。

2.1 在耐熱絕緣制品中的應(yīng)用

HTPDs在各種耐高溫絕緣制品，包括漆包線漆、電容器、電線電纜等方面均得到了廣泛應(yīng)用。耐高溫漆包線方面，電磁線高溫絕緣目前采用了多種酰亞胺類介質(zhì)材料，包括聚酯酰亞胺底漆外涂厚度為0.001～0.003mm PAI面漆，主要用作密封電機(jī)絕緣；第二種是PAI底漆外涂超級(jí)潤(rùn)滑層，主要用作汽車組件絕緣中；此外還包括直接采用PI作為浸漬絕緣漆，應(yīng)用于航空、航天特種電機(jī)絕緣等。

Petitgas等人考察了聚酯酰亞胺（PEsI）、PAI以及PI電介質(zhì)材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)與其在銅線絕緣性能方面的關(guān)系[31]。PEsI在漆包線領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛，但其熱級(jí)為155～170℃，經(jīng)過THEIC[3(2-羥乙基)異氰酸酯]交聯(lián)改性后，熱級(jí)可提高到180～200℃，而PAI與PI電介質(zhì)的熱級(jí)分別為220℃與240℃。

熱重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）、熱機(jī)械分析（ThermomechanicalAnalysis, TMA）以及介電松弛譜（Dielectric Relaxation Spectrum, DRS）測(cè)試結(jié)果顯示，200～400℃老化后，PEsI漆包線絕緣性能顯著劣化，而PAI與PI漆包線性能保持良好。

Schadler等人研究了納米粒子填充的PAI介質(zhì)材料的高溫?fù)舸?qiáng)度以及耐電壓特性[32]。研究目的是通過在PAI中加入納米SiO2以及Al2O3填料來制備耐高溫漆包線。研究結(jié)果顯示，雖然加入納米SiO2以及Al2O3都可以提高PAI復(fù)合材料的直流（DC）介電強(qiáng)度，但只有加入Al2O3才能提高PAI復(fù)合材料的交流（AC）介電強(qiáng)度。室溫下施加25kV/mm電場(chǎng)2h后，PAI納米復(fù)合電介質(zhì)中未出現(xiàn)空間電荷積累現(xiàn)象。作者認(rèn)為造成上述現(xiàn)象的機(jī)理主要是歸于納米Al2O3的電子散射以及抗電暈特性。

除了應(yīng)用于漆包線外，HTPDs還可用于高溫電機(jī)的局部放電防護(hù)[33]。對(duì)于低壓電機(jī)而言，常采用無規(guī)繞組漆包線進(jìn)行絕緣。使用的絕緣材料包括PAI或者表面涂有PAI的聚酯材料。在上述材料中往往加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的無機(jī)TiO2納米粒子來顯著提高絕緣層的抗局部放電能力。

對(duì)于中高壓電機(jī)而言，常采用環(huán)繞型矩形電磁線進(jìn)行絕緣，其典型結(jié)構(gòu)如圖5所示。該絕緣結(jié)構(gòu)符合NEMA MW—1000標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)部采用PI（Pyre?ML?）絕緣材料，外部則采用PI納米電介質(zhì)進(jìn)行局部放電防護(hù)。

圖5 中高壓電機(jī)用絕緣材料

耐高溫電容器方面，Zou C.等人研究了ZrO2納米粒子對(duì)Upilex??S型PI薄膜（基于聯(lián)苯四甲酸二酐與對(duì)苯二胺）電介質(zhì)性能的影響[34]。首先，他們將ZrO2納米粒子（粒徑50nm）超聲分散在N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶劑中，然后與Upilex-S? PAA溶液混合均勻，最后通過高溫亞胺化工藝制備了PI納米電介質(zhì)薄膜。

研究顯示，300℃以下的溫度范圍內(nèi)，ZrO2/PI納米電介質(zhì)具有穩(wěn)定的介電性能、高儲(chǔ)能密度以及高充放電效率。耐電暈性能測(cè)試表明，少量ZrO2納米粒子即可顯著提高PI薄膜的耐電暈性能，該材料有望在高儲(chǔ)能密度電容器中得到應(yīng)用。

Tan D.等人對(duì)比了幾類高溫聚合物薄膜，包括PEI、PI以及PEEK在高溫電容器中的應(yīng)用情況[35]。結(jié)果顯示，PEI具有最優(yōu)的綜合性能，在直流與交流電容器中均表現(xiàn)出了良好的耐熱性能與介電性能。

電線電纜絕緣制品方面，PEEK作為一種線性芳香族半結(jié)晶態(tài)熱塑性材料，具有包覆加工性好（可熔融擠出，而不用溶劑）、燃燒時(shí)發(fā)煙量低且產(chǎn)生腐蝕性氣體少、耐剝離性好、耐磨耗性好、耐輻照性強(qiáng)、易著色等特點(diǎn)，在電線電纜絕緣制品中得到了廣泛應(yīng)用[36]。

2.2 軌道交通牽引電機(jī)絕緣

隨著我國(guó)軌道交通領(lǐng)域的快速發(fā)展，變頻調(diào)速電機(jī)越來越廣泛地應(yīng)用于高速機(jī)車等交通裝備中。變頻調(diào)速電機(jī)具有高效、節(jié)能、保養(yǎng)容易、便于自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，在交通、能源、市政建設(shè)等很多領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展。使用變頻技術(shù)初期，傳統(tǒng)的電機(jī)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)壽命急劇下降和大規(guī)模燒損等問題。

經(jīng)失效分析，推測(cè)是由于電機(jī)定子電磁線絕緣層在局部放電、空間電荷積累和高溫下發(fā)生快速老化損壞所致。因此變頻技術(shù)所用電介質(zhì)材料要求具有高耐熱、低損耗、高導(dǎo)熱系數(shù)、高介電強(qiáng)度、耐電暈性、耐局部放電以及耐老化性能。電介質(zhì)材料性能的不過關(guān)往往會(huì)造成變頻電機(jī)匝間絕緣結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)而影響變頻電機(jī)的使用壽命。

據(jù)研究，造成電機(jī)匝間絕緣過早失效的一個(gè)主要原因在于絕緣材料在高頻振蕩下會(huì)發(fā)生電暈老化。解決這個(gè)問題的有效途徑是采用耐電暈的絕緣膜[37]。PI薄膜是耐電暈薄膜最好的電介質(zhì)絕緣材料之一。

提高PI薄膜耐電暈性的主要手段是將納米級(jí)耐電暈填料均勻分散在PI前軀體溶液（聚酰胺酸）中，然后高溫亞胺化制備成耐電暈PI薄膜。美國(guó)杜邦公司于1994年推出了耐電暈PI薄膜——Kapton?CR。該材料中含有多種無機(jī)納米粒子，其在50Hz以及20kV/mm測(cè)試條件下的耐電暈穩(wěn)定性超過100000h。

國(guó)內(nèi)近年來在耐電暈PI薄膜基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。哈爾濱理工大學(xué)的雷清泉院士近年來系統(tǒng)研究了耐電暈PI薄膜的合成以及結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系[38-40]。例如，他們首先采用納米粒子直接分散法將納米級(jí)SiO2直接超聲分散于PAA中，然后熱固化后得到了PI薄膜。

研究薄膜，納米粒子的均勻分散對(duì)于提高PI薄膜耐電暈性能至關(guān)重要。納米粒子表面經(jīng)偶聯(lián)劑處理后有利于其分散到PAA溶液中。他們還對(duì)雜化PI薄膜的耐電暈性能進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。通過利用溶膠-凝膠法經(jīng)納米級(jí)SiO2粒子原位復(fù)合在PI膜中。

通過對(duì)制備的雜化復(fù)合膜的性能研究發(fā)現(xiàn)，無機(jī)填料的引入顯著地增加了PI膜的耐電暈性能，同時(shí)為了提高無機(jī)- 有機(jī)兩相的相容性，在體系中加入適量偶聯(lián)劑是有必要的。采用該方法制備的PI薄膜的耐電暈壽命較純PI薄膜可提高8.57倍左右。黨智敏等將TiO2等無機(jī)納米粒子引入PI結(jié)構(gòu)中，制備了耐電暈PI雜化薄膜[41]。

研究發(fā)現(xiàn)，PI雜化薄膜的耐電暈性能與其介電常數(shù)密切相關(guān)。隨著TiO2填料含量從0增加到25%，PI薄膜的介電常數(shù)從3.2增加到5.1（100Hz），PI雜化薄膜的耐電暈特性也隨之增加。他們認(rèn)為高介電常數(shù)介質(zhì)在電暈老化過程中會(huì)產(chǎn)生反向電場(chǎng)，從而在一定程度上弱化施加在材料上的電場(chǎng)，從而增加了材料的耐電暈特性。

2.3 新能源電力設(shè)備絕緣

目前，全球范圍內(nèi)新能源，包括風(fēng)能、水能、太陽能得到了越來越廣泛的應(yīng)用。這些新能源與傳統(tǒng)的火電、核電等組成了全球能源供給網(wǎng)絡(luò)。新能源的快速發(fā)展對(duì)絕緣材料的綜合性能也提出了越來越高的要求。

HTPDs材料在具有優(yōu)良耐熱性能與介電性能的同時(shí)，還往往具有優(yōu)異的抗g-射線、紫外線輻照、耐鹽霧等特性，因此在海上風(fēng)能、核能等新能源電力設(shè)備絕緣領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。例如，計(jì)初喜初步考察了PEI電介質(zhì)材料在核電站用電纜制造中的應(yīng)用基礎(chǔ)問題[42]。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，PEI介質(zhì)材料具有優(yōu)良的耐高溫性能、抗紫外及g-射線（60Co）輻照性能和良好的本征阻燃特性，在核電級(jí)電纜絕緣防護(hù)中具有良好的應(yīng)用前景。

2.4 航空、航天、航海電氣設(shè)備絕緣

目前，隨著航空、航天工業(yè)飛行器向著輕量化、高載荷、高可靠性、長(zhǎng)壽命、低能耗方向的發(fā)展，對(duì)使用的各類特種電機(jī)的耐高溫性能提出了更高的要求。例如，民用及軍用航空電機(jī)均具有功率要求大、發(fā)電量高、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)[43]。

發(fā)電量的增大以及電流密度的升高使得航空電機(jī)的工作溫度最高可達(dá)到長(zhǎng)期250℃，短期290℃，瞬時(shí)420℃左右。這樣的工作環(huán)境對(duì)于電介質(zhì)材料和絕緣結(jié)構(gòu)的耐高溫性能、電絕緣性能等都提出了十分苛刻的要求。

目前，氟樹脂、有機(jī)硅的上限使用溫度可勉強(qiáng)達(dá)到上述性能要求，但要保證高可靠性則需要研制開發(fā)新型電介質(zhì)材料。全芳香族PI電介質(zhì)材料可以滿足大電流線纜絕緣的應(yīng)用需求，在商用飛機(jī)以及軍機(jī)線纜絕緣中均得到了應(yīng)用。

例如，Abdelhafez綜述了多電飛機(jī)（More ElectricAircraft, MEA），包括空客A380、波音787等飛機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造以及絕緣防護(hù)情況[44]。作者認(rèn)為Upilex?S型以及含氟Eymyd L?30N型PI由于在高緯度仍具有優(yōu)良的耐熱穩(wěn)定性、耐濕熱穩(wěn)定性和耐紫外輻照等性能，因此在MEA絕緣系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。耐高溫PI電介質(zhì)在多電飛機(jī)絕緣中的應(yīng)用如圖6所示。

圖6 耐高溫PI電介質(zhì)在多電飛機(jī)絕緣中的應(yīng)用

海洋環(huán)境具有濕度大、鹽霧大、溫度變化顯著等特點(diǎn)。因此海洋電氣產(chǎn)品要求使用的絕緣材料具有耐高溫、耐潮濕、耐水解等特性。PI電介質(zhì)材料在高溫潮濕環(huán)境中性能會(huì)很快劣化，因此難以滿足海洋電氣設(shè)備的絕緣需求。目前，國(guó)外在PPQ、PBI電介質(zhì)材料的海洋高濕熱環(huán)境老化研究中已經(jīng)取得了重要進(jìn)展，有望在不久的將來應(yīng)用于海上高溫電機(jī)絕緣中。

3 結(jié)論

HTPDs材料本身所蘊(yùn)藏的高技術(shù)含量以及高附加值一直吸引著絕緣領(lǐng)域?qū)W術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注。近年來，國(guó)外在耐高溫聚合物電介質(zhì)材料的理論模擬、模型構(gòu)建、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造方法、加工工藝等方面均取得了重要進(jìn)展[45-47]。

我國(guó)以西安交通大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京交通大學(xué)等單位為代表的科研機(jī)構(gòu)在HTPDs的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究領(lǐng)域也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[48-52]，尤其是在PI及其納米復(fù)合電介質(zhì)的數(shù)值計(jì)算與介電性能表征方法等方面取得了重要進(jìn)展。

應(yīng)該說，HTPDs材料作為一類在民用高技術(shù)以及特種領(lǐng)域中均具有廣泛應(yīng)用前景的新材料，其未來發(fā)展?jié)摿κ鞘志薮蟮?。新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、新型理論模擬方法的建立、新結(jié)構(gòu)-性能-機(jī)理的構(gòu)建、極端環(huán)境下的服役與失效機(jī)制探索以及如何有效降低成本將是未來HTPDs材料研究與開發(fā)領(lǐng)域內(nèi)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

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