基于3d打印的電導(dǎo)率梯度聚合物絕緣子制造方法
【專利說(shuō)明】基于3D打印的電導(dǎo)率梯度聚合物絕緣子制造方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高電壓設(shè)備制造領(lǐng)域，具體設(shè)及基于3D打印的電導(dǎo)率梯度聚合物絕 緣子制造方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 我國(guó)長(zhǎng)期存在著能源資源和負(fù)荷中屯、不均衡的情況，能源資源總體分布呈現(xiàn)"西 多東少，北多南少"的特點(diǎn)，而負(fù)荷中屯、主要集中在東中部地區(qū)。隨著電力需求的快速增長(zhǎng) 及環(huán)境壓力的加大，國(guó)家及社會(huì)對(duì)遠(yuǎn)距離、大容量、高效率輸電方式的要求日益迫切。超/ 特高壓直流輸電由于其線路投資少、線路損耗低，無(wú)功角穩(wěn)定問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于遠(yuǎn)距 離及超遠(yuǎn)距離的電能輸送。經(jīng)過(guò)多年的自主研究和建設(shè)，目前我國(guó)已經(jīng)掌握了 ±800kV特 高壓輸電的技術(shù)，正在向± 1IOOkV特高壓直流輸電邁進(jìn)。在超/特高壓直流輸電的實(shí)踐中， 固體絕緣系統(tǒng)的放電破壞時(shí)有發(fā)生，此類破壞事故往往由電場(chǎng)不均勻帶來(lái)的絕緣耐電性能 薄弱造成，給設(shè)計(jì)、制造帶來(lái)很高的技術(shù)難度和成本，嚴(yán)重危及系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。此外， 在脈沖功率系統(tǒng)中也存在著大量的高壓直流設(shè)備，如加速器、高壓直流電源等，其絕緣問(wèn)題 也制約著相關(guān)設(shè)備的安全穩(wěn)定，并限制了設(shè)備向"小型化"、"集成化"方向進(jìn)一步發(fā)展。
[0003] 一般認(rèn)為，電場(chǎng)分布不均勻是導(dǎo)致絕緣擊穿破壞、耐電特性差的重要原因。對(duì)于絕 大多數(shù)的超/特高壓直流設(shè)備，其絕緣所承受的電場(chǎng)分布往往極不均勻，例如各種絕緣子 的高壓端部分，尤其是不同材料之間的結(jié)合處（如金屬導(dǎo)體、固體絕緣與氣、液、真空等構(gòu) 成的復(fù)合絕緣系統(tǒng)的界面和表面），由于材料介電特性的急劇變化，往往承受數(shù)倍于平均場(chǎng) 強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。過(guò)于集中的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)帶來(lái)絕緣子的局部放電，加劇絕緣材料的老化，進(jìn)而 發(fā)展為擊穿破壞。傳統(tǒng)的解決方法主要是通過(guò)增大絕緣尺寸、優(yōu)化電極-介質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)改善 電場(chǎng)分布，但效果往往有限。過(guò)于復(fù)雜的絕緣結(jié)構(gòu)不僅給生產(chǎn)制造帶來(lái)很大的難度和成本， 同時(shí)也會(huì)帶來(lái)很多附生問(wèn)題。"功能梯度材料"（化nctionallyGradedMateriaLFGM)的 出現(xiàn)為解決運(yùn)一問(wèn)題提供了可能的思路。通過(guò)使用不同性能的材料及先進(jìn)的復(fù)合工藝，使 材料特性在材料內(nèi)部不同空間位置上呈現(xiàn)連續(xù)梯度變化，運(yùn)樣可主動(dòng)"地克服局部應(yīng)力 集中問(wèn)題。
[0004] 根據(jù)電磁場(chǎng)理論，對(duì)于交流絕緣系統(tǒng)，其電場(chǎng)分布與介電常數(shù)呈反比分布，而對(duì)于 超/特高壓直流絕緣系統(tǒng)，其電場(chǎng)分布則與體積電阻率呈正比分布（即與電導(dǎo)率呈反比分 布），因此，若能夠制作材料電導(dǎo)率呈現(xiàn)空間梯度變化的FGM絕緣子，降低/提高局部電場(chǎng)集 中區(qū)域的材料電阻率/電導(dǎo)率，就能夠主動(dòng)而有效地均勻電場(chǎng)分布、削弱局部集中，進(jìn)而達(dá) 到大幅度提高超/特高壓直流絕緣子耐電強(qiáng)度的目的。長(zhǎng)期W來(lái)，F(xiàn)GM絕緣子是高電壓絕緣 領(lǐng)域很多研究者追求的目標(biāo)：日本、韓國(guó)、印度等的研究者進(jìn)行了FGM絕緣子均勻電場(chǎng)強(qiáng)度 的仿真驗(yàn)證工作；日本名古屋大學(xué)Okubo團(tuán)隊(duì)借助無(wú)機(jī)填料離屯、制造技術(shù)，構(gòu)建了外形結(jié) 構(gòu)為圓臺(tái)和盤(pán)型的聚合物-無(wú)機(jī)非金屬?gòu)?fù)合材料FGM絕緣子，發(fā)現(xiàn)其可有效地降低絕緣子 表面的最大電場(chǎng)，是國(guó)際上唯一的關(guān)于介電梯度絕緣子制造的報(bào)道。然而，該類的研究主要 W適用于交流輸電的介電常數(shù)FGM絕緣子為主，且目前使用的離屯、制造技術(shù)的材料梯度可 控性較差，難W可重復(fù)性地精確制造，并且只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)空間維度上的材料介電特性分布， 無(wú)法真正有效的進(jìn)行電場(chǎng)的分布調(diào)控。 陽(yáng)0化]近年來(lái)，W材料累積成型為3D打印技術(shù)為FGM絕緣子提供了全新的實(shí)現(xiàn)手段。3D打印是隨信息、材料與制造等多學(xué)科融合發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)制造技術(shù)，其核屯、原理是使 材料"逐點(diǎn)累積形成面、逐面累積成體"。由于3D打印逐點(diǎn)、逐層堆積的特性，其可W在成型 的過(guò)程中改變成型材料的組分，制造出具有梯度特性分布的產(chǎn)品，特別適合于FGM制件。然 而，目前3D打印技術(shù)主要還是用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造，對(duì)于電氣設(shè)備絕緣子等功能性設(shè) 備，其應(yīng)用尚不多見(jiàn)；目前也無(wú)關(guān)于電導(dǎo)率梯度絕緣子3D打印制備方法的相關(guān)報(bào)道。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006] 本發(fā)明的目的在于提供基于3D打印的電導(dǎo)率梯度聚合物絕緣子制造方法，通過(guò) 在3D打印制造過(guò)程中控制逐點(diǎn)累積時(shí)單點(diǎn)聚合物材料的電導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)有效、可控、多維度 地直流絕緣子電場(chǎng)調(diào)控。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] 基于3D打印的電導(dǎo)率梯度聚合物絕緣子制造方法，包含W下步驟：
[0009] 步驟1 :構(gòu)建絕緣子幾何形狀和電導(dǎo)率空間分布=維CAD模型，將模型分割成多個(gè) 幾何單元并生成模型的S化文件，使用切片軟件將S化文件轉(zhuǎn)換成3D打印裝置的制造數(shù) 據(jù)；
[0010] 步驟2 :利用S維有限元方法計(jì)算絕緣子內(nèi)部及表面的電場(chǎng)分布，根據(jù)實(shí)際絕緣 子的電氣特性需求，獲得絕緣子的電導(dǎo)率空間分布；
[0011] 步驟3:制備用于電導(dǎo)率梯度絕緣子3D打印的低電導(dǎo)率聚合物材料和高電導(dǎo)率聚 合物材料；
[0012] 步驟4 :根據(jù)步驟2中的電導(dǎo)率空間分布，確定絕緣子內(nèi)部不同空間位置上兩種材 料的混合比例；
[0013] 步驟5 :將步驟1中的制造數(shù)據(jù)輸送至3D打印設(shè)備，并根據(jù)步驟3中確定的混合 比例，控制3D打印設(shè)備完成電導(dǎo)率梯度絕緣子的3D打印；
[0014] 步驟6 :將步驟5制造得到的絕緣子進(jìn)行后處理，處理方法為二次固化或機(jī)械加 工。
[0015] 進(jìn)一步的，所述低電導(dǎo)率聚合物材料為電導(dǎo)率ICTie~10 -8S/m且適用于3D打印 的高分子材料。
[0016] 進(jìn)一步的，所述低電導(dǎo)率聚合物材料為光敏樹(shù)脂、聚乳酸、丙締臘-下二締-苯乙 締共聚物、聚碳酸醋、聚苯諷或尼龍。 陽(yáng)017] 進(jìn)一步的，高電導(dǎo)率聚合物材料的制備方法為：將高電導(dǎo)率填料W相對(duì)于基體聚 合物一定的質(zhì)量比例，填充于普通3D打印用聚合物材料中，得到電導(dǎo)率為1(T6~10 2S/m的 高電導(dǎo)率聚合物材料；所述高電導(dǎo)率填料為：金屬系填料、金屬氧化物系填料、無(wú)機(jī)非金屬 填料、碳系導(dǎo)電填料或?qū)щ娋酆衔锾盍稀?br>[0018] 進(jìn)一步的，所述的金屬系填料為金、銀、銅、儀、儀合金、侶、儀中一種或多種的復(fù) 合，填料形態(tài)為粉末狀、鱗片狀或纖維狀，填充質(zhì)量百分比控制在10%W下。
[0019] 進(jìn)一步的，所述的金屬氧化物系填料為氧化鋒、二氧化娃、氧化侶、二氧化鐵、二氧 化錫、滲錬二氧化錫、滲錫氧化銅中一種或多種的復(fù)合，填料形態(tài)為粉末狀或晶須狀，填充 質(zhì)量百分比為5~75% ;金屬氧化物系填料填充前進(jìn)行表面處理，具體方法為熱處理或偶 聯(lián)劑處理，處理用偶聯(lián)劑為硅烷類偶聯(lián)劑、鐵酸下醋類偶聯(lián)劑或侶酸化合物類偶聯(lián)劑。 陽(yáng)020] 進(jìn)一步的，所述的無(wú)機(jī)非金屬填料導(dǎo)電填料為碳化娃、GaAsXu化中一種或多種的 復(fù)合，填料形態(tài)為粉末狀、片狀或纖維狀，填充質(zhì)量百分比為5~75%。
[0021] 進(jìn)一步的，所述的碳系導(dǎo)電填料為炭黑、石墨、碳纖維、碳納米管、石墨締中一種或 多種的復(fù)合，填料形態(tài)為粉末狀、片狀或纖維狀，填充質(zhì)量百分比為5~75%。
[0022] 進(jìn)一步的，所述的導(dǎo)電聚合物填料為處于滲雜態(tài)的聚乙烘、聚化咯、聚苯胺、聚嚷 吩、聚對(duì)苯撐乙締或聚對(duì)苯中一種或多種的復(fù)合，填料形態(tài)為粉末狀，填充質(zhì)量百分比為 5~75%，填充過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)制共混攬拌或螺桿擠出。
[0023] 進(jìn)一步的，絕緣子內(nèi)部切分成N個(gè)幾何單元，單元形狀為六面體；對(duì)于第i個(gè)幾何 單元；Ki<N，其材料電導(dǎo)率O1取值如下式所示：
[0024]
[0025] 式中，Ei為有限元方法計(jì)算得到的第i個(gè)單元內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度平均值；EDb,為絕緣子 的目標(biāo)電場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)絕緣子兩端電極間電壓U和電極間距d決定，取值為Eubi=U/d;曰L 為低電導(dǎo)率聚合物材料的電導(dǎo)率值；OH為高電導(dǎo)率聚合物材料的電導(dǎo)率值。
[00%] 進(jìn)一步的，對(duì)于第i個(gè)幾何單元，其電導(dǎo)率的調(diào)整通過(guò)向低電導(dǎo)率聚合物材料中 混入高電導(dǎo)率聚合物材料實(shí)現(xiàn)，其中，高電導(dǎo)率聚合物材料的體積分?jǐn)?shù)f。由W下公式?jīng)Q 定：
陽(yáng)02引式中，0鐘。<1 ;fi為高電導(dǎo)率聚合物材料中填料的體積分?jǐn)?shù)。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下有益的技術(shù)效果：本發(fā)明提供的基于3D打印的 電導(dǎo)率梯度聚合物絕緣子制造方法，相比較于離屯、制造技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多維度的絕緣子材 料電導(dǎo)率空間分布，達(dá)到靈活調(diào)控直流電壓下絕緣子內(nèi)部及表面電場(chǎng)強(qiáng)度，提升絕緣子擊 穿電壓的目的。 【【附圖說(shuō)明】】
[0030] 圖1是本發(fā)明的方法流程圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[00川請(qǐng)參閱圖I所示，本發(fā)明基于3D打印的電導(dǎo)率梯度聚合物絕緣子制造方法，具體 包括W下步驟：
[0032] 步驟1 :構(gòu)建絕緣子幾何形狀和電導(dǎo)率空間分布=維CAD模型，將模型分割成多個(gè) 幾何單元并生成模型的S化文件，使用切片軟件將S化文件定義的S維CAD模型按照預(yù)先 設(shè)定的層厚模擬分割成不同的層面，計(jì)算得到每層的打印軌跡，最終得到3D打印設(shè)備所需 的G-code控制文件。
[0033] 步驟2 :利用S維有限元方法計(jì)算絕緣子內(nèi)部及表面的電場(chǎng)分布，根據(jù)實(shí)際絕緣 子的電氣特性需求，獲得絕緣子的電導(dǎo)率空間分布。具體的，絕緣子內(nèi)部切分成N個(gè)幾何單 元，單元形狀為六面體。對(duì)于第i個(gè)幾何單元（Ki<N)，其材料電導(dǎo)率O1取值如下式所示：
[0034]
[0035] 式中，Ei為有限元方法計(jì)算得到的第i個(gè)單元內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度平均值；EDb,為絕緣子 的目標(biāo)電場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)絕