复合材料电气强度测试仪—复合材料工频电气强度试验研究

1实验部分

1．1原材料

乙烯基酯树脂；无碱玻璃纤维双轴向(0°／90°)缝编织物，面密度约为730g／m²；无碱玻璃纤维斜纹布；面密度约为200 g／m²；固化剂110，促进剂，白色浆(钛白粉)，自制。

1.2   试样制作

1. 2. 1     树脂浇注体制备

在两块方形平板玻璃之间放置密封胶条，在密封胶条外侧设限位块，用夹具将两块玻璃夹紧，形成一个闭合的模腔，按树脂固化剂：促进剂＝100:1.5:0.15的比例搅拌均匀后倒人玻璃板模具中，常温固化后放入烘箱中，80℃保待2h进行后固化。

1．2．2 GF／VE复合材料板制备

在专用RTM平板注射模具中，铺设相应层数的 无碱玻璃纤维双轴向缝编织物及无碱玻璃纤维斜纹 布，纤维重量含量为55％一60％，合模后以VARTM 方式注射乙烯基酯树脂，常温固化后放入烘箱中， 80℃保持2h进行后固化。

1．2．3试样尺寸

试样规格1：树脂浇注体尺寸为：100mmx 100 mmx2mm;

试样规格2：复合材料板垂直纤维布层向：100 mmX100mmX2mm、150mm X 150mm X 5mm、150mmx 150mmx7mm、150mmx I50mmx10mm;

试样规格3：复合材料板平行纤维布层向：100 mmX25mmx 10mm。

1．3试验设备

    试验设备：ZJC-150E型击穿耐压测试仪，量程为150kV。

1．4测试依据及方法

测试标准：GB／T 1408．1—2006绝缘材料电气 强度试验方法。

(1)逐级升压法

在常温变压器油中，以2kV／s的速度升压至保压起压(不同试体板保压起压不同)，达到起压后保压20s；然后以2kV为一档，以2kV／s的速度升压， 每档保压停留20s直至50kV；50kV以上以5kV为 一档，以5kV／s的速度升压，每档保压停留20s。

(2)快速升压法

在常温变压器油中，以2kV／s的速度升压直至 试样击穿。

2结果与讨论

2．1 乙烯基酯树脂浇注体电气强度

表1为乙烯基酯树脂浇注体以不同升压方式进 行的电气强度测试结果。

表1 乙烯基酯树脂浇注体电气强度

从表1可以看出，采用不同升压方式，乙烯基酯 树脂浇注体的电气强度明显不同。采用逐级升压 法，其电气强度平均值为14.2kV／mm；采用连续升 压法，其电气强度平均值为19.2kV／mm。2mm树脂 浇注体连续升压法的电气强度比逐级升压法高约35％。

击穿电压是指物质能抗耐击穿及放电的最高电压梯度，当超过击穿电压时，物质全部结构变成不稳 定甚至破坏；固体物体的电击穿现象极为复杂，直到现在还没有一个wan全的理论。从表1测试结果可以看出，逐级升压法试样击穿时承受电压的时间为 99—137s，而快速升压法测试时直至击穿总用时约为20s，快速升压法试样耐受电压时间远远短于逐级 升压法，我们认为试样绝缘性能损失及材料击穿破 坏需要一定的时间，快速升压法材料受电荷作用的 时间短，所以它的电气强度明显高于逐级升压法。

2．2  2mm GF／VE复合材料板垂直层向电气强度

将3层双轴向缝编织物放入专用RTM平板模具中，合模，然后以VARTM方式注射。按要求固化 处理后得到复合材料板，并按试样规格2加工试样。为评价色浆对电气强度的影响，在4号板、5号板树脂胶液中加入质量比为4％的白色浆。测试结果见 表2和表3。

表2  VARTM成型2mm GF／VE复合材料板电气强度

表3 VARTM成型2mm GF／VE复合材料板

(加色浆)电气强度

从表1、表2的测试结果可以发现，2mm GF／VE 复合材料薄板的电气强度与相同厚度树脂浇注薄板 的电气强度基本一致甚至略高，与复合材料电气强 度一般较相同厚度的纯树脂低的通常认识不尽一致。这可能是由于采用VARTM成型时，树脂wan全 浸透玻璃纤维，复合材料的孔隙率低于1％，没有明 显缺陷，而无碱玻纤的电气性能与VE树脂浇注体 基本相当或略高，而树脂浇注体本身微观上存在较 多缺陷所致。

从表2、表3的测试结果可以看出，2mm复合材料板采用快速升压法，其电气强度均值为20.2kV／ mm，当加入4％白色浆时，其电气强度均值为18.8kV／mm，表明涂加色浆量在4％以下时，对复合 材料电气强度影响很小，测试结果也符合聚酯型FRP垂直纤维布层方向击穿电压(13—40)kV／mm 的文献结果.

从表3中4-1 -4-5及4-6-4-8的测试结果可以看出，同样的复合材料板以不同的升压方式进行测量，快速升压法的电气强度均值为18. 8kV/mm，逐级升压法的电气强度均值为13.6kV/mm，快速升压法的电气强度比逐级升压法高38%。

2．3  5mm GF／VE复合材料板垂直层向电气强度

将7层双轴向缝编织物放人专用RTM平板模 具中，合模，然后以VARTM方式注射；按固化要求处理后得到试体板，并按试样规格2加工试样。测试结果见表4。

表4 VARTM成型5mm GF／VE复合材料板

电气强度测试值

表4测试结果表明，5mm GF／VE复合材料板逐级升压法的电气强度均值为9.3kV／mm。

2．4  7mm GF／VE复合材料板垂直层向电气强度

将10层双轴向缝编织物放入专用RTM平板模 具中，合模，然后以VARTM方式注射；按固化要求处理后得到试体板，并按试样规格2加工试样。测试结果见表5。

表5 VARTM成型7mm GF／VE复合材料板

电气强度测试值

表5测试结果表明，7mm GF／VE复合材料板的 电气强度均值为8．6kV／mm。

2．5  10mm GF／VE复合材料板垂直层向电气强度

将14层双轴向缝编织物放入专用RTM平板模 具中，合模，然后以VARTM方式注射；按要求固化 处理后得到试体板，并按试样规格2加工试样，测试结果见表6。

表6 VARTM成型10ram GF／VE复合材料板

电气强度测试值

表6测试结果表明，10mm GF／VE复合材料板 的电气强度均值为7.1kV／mm。

将2mm、5ram、7mm、10mm GF／VE复合材料板 的垂直层向电气强度均值作为纵坐标，复合材料板 厚度值作为横坐标，得到复合材料厚度与电气强度 的关系，如图1所。

2．6  GF／VE增强材料复合材料板平行层向电气强度

将2.5中的10mm板按试样规格3加工成试样 8-1~8-3，进行平行层向电气强度测试。

为评价多种增强材料复合层板平行纤维布层方向的电气性能，我们设计制作了4层斜纹布／11层 双轴向缝编织物／4层斜纹布的10mm厚复合材料层 板，按试样规格3加工成试样9-1～9-5，对比进行平行纤维布层方向电气强度测试，测试结果见表7。

表7 VARTM成型多种增强材料复合材料厚板电气强度

表7测试结果表明，8-2试样击穿部位在试样中 部，未形成电压方向(试样高度为25mm)的贯穿性 击穿，8-1、8-3在施加电压397s、429s后仍未击穿，表 明在电压施加方向厚度为25mm的情况下，即其平行纤维布层方向的电气强度可能达到4.8kV／mm以 上，只是由于设备测试能力受限，未能测出击穿强度值。结合垂直层向复合材料厚度与电气强度的对数 关系，我们认为双轴向缝编织物在浸润良好、层间无缺陷的情况下，其平行布层方向与垂直布层方向的 电气强度可能无明显差别。

从表7测试结果可以看出，多种增强材料复合 材料板加工的试样9-1~9-5的平行层向电气强度均 值为2.92kV／mm，全部在斜纹布与双轴向缝编织物的层间击穿，明显低于只有双轴向缝编织物的8-1～8-3试样的平行纤维布层方向电气强度，分析认为应 是由于斜纹布与缝编织物贴附较紧，界面结合处树 脂含量较低、孔隙率较高所致，而缝编织物层间有较明显的富树脂层，未形成明显的电气薄弱通道。

3结论

(1)对2mm厚度的树脂浇注体及GF／VE复合 材料，其快速升压的电气强度均明显高于逐级升压 的电气强度，其中树脂浇注体高35％，GF／VE复合 材料高38％；

(2)树脂中色浆涂加量在4％以下时，对复合材 料电气强度没有明显影响；

(3)GF／VE复合材料层板垂直纤维布层方向的 击穿电压随着厚度的增加而逐渐升高，但其电气强 度却随着厚度的增加逐渐下降，其复合材料厚度x与电气强度y的对数关系为y=-4.01ln(x)+16.22;

(4)单一缝编织物复合材料层板平行层向电气 强度明显优于缝编织物与斜纹布复合层板，复合层 板击穿部位均位于两种增强材料的层间。

复合材料电气强度测试仪实验设备

电压击穿试验仪ZJC-100E    1台（北京智德创新仪器设备有限公司）

等直径电极                  1套

游标卡尺                           1条

台式计算机及控制软件        1台