聚酰亚胺 / 氧化铝纳微米复合材料

——高速列车变频牵引电机绝缘系统

引言：

变频调速牵引电机是高速列车动力设备的关键部件之一，在其运行过程中会产生电晕放电现象，使变频电机绕组匝间的绝缘材料过早发生绝缘老化或击穿，从而造成电机损坏。为确保变频电机可以长期稳定工作，变频调速牵引电机对绝缘体系和绝缘材料提出了更高的要求。

 

图为变频调速牵引电机

 

一、原料选择

 

聚酰亚胺 (polyimide，PI) 是主链含酰亚胺环结构的一类聚合物。耐电晕聚酰亚胺复合薄膜由纳米氧化铝掺杂聚酰亚胺制备而成。国内许多研究机构与学者围绕聚酰亚胺及其复合材料开展了大量的研究，但与美国、日本等国际先进水平相比仍有一定差距。国内目前大量使用的高端聚酰亚胺薄膜产品仍然依赖进口，加快高性能聚酰亚胺薄膜的国产化是高分子绝缘材料领域的重要课题之一。

 

聚酰亚胺：

    主链中含有酰亚胺基（-CO-N-CO-）的聚合物的总称，具有优良的耐磨性、耐水性、耐化学腐蚀性、自润滑性、电绝缘性、抗高能辐射性和耐燃性能等。

 

纳米氧化铝：

     具有独特的纳米效应，在材料内起到平衡电场和防止局部电场集中的作用，从而避免材料局部放电，提高材料耐电晕性能。使用微米、亚微米和纳米颗粒三种不同粒径的氧化铝颗粒，颗粒间可相互构建骨架密实结构，形成有效的导热通路，从而提高材料的导热性能。

 

 

图为聚酰亚胺薄膜

 

二、制备步骤

 

 

 

①氧化铝填料改性与浆料的制备：

       将一定比例的微米级(1 μm)、亚微米级(0.2 μm) 和纳米级(30 nm)三种粒径的氧化铝填料、表面改性剂和有机极性溶剂混合，经砂磨机研磨得到复合填料浆料。

 

②氧化铝 / 聚酰胺酸复合树脂的原位聚合制备：

       在N2保护和适当温度条件下，将芳香族二胺加入复合填料浆料中，待其完全溶解后再多次少量向反应体系中加入芳香族二酐，连续搅拌适当时间，待树脂黏度达到要求值时终止反应，得到氧化铝 / 聚酰胺酸复合树脂溶液。

 

③氧化铝 / 聚酰亚胺复合薄膜的亚胺化制备：

       氧化铝 / 聚酰胺酸复合树脂溶液经真空消泡处理后，在玻璃板上用制膜器成膜，按一定的升温程序加热亚胺化得到氧化铝 / 聚酰亚胺复合薄膜。

 

三、性能研究

 

①导热性能提升：

     通过掺杂不同粒径氧化铝颗粒复配填料获得的聚酰亚胺复合薄膜，当3种粒径（30 nm, 0.2 μm, 1 μm）的级配比为 1:2:7 时，3种颗粒之间相互构建了骨架密实结构 ，形成了较为有效的导热网络 。

 

图为不同粒径氧化铝复配填料掺杂聚酰亚胺 / 氧化铝复合薄膜导热模型

 

②其他性能提升：

     薄膜的拉伸强度和导热系数分别达到 110 MPa 和 0.62 W/(m·K)。在合适的亚胺化终止温度下制备的聚酰亚胺复合薄膜具有良好的电气性能与热稳定性。

 

图为不同粒径 Al2O3 复配填料对聚酰亚胺 / 氧化铝复合薄膜力学性能的影响

 

       具备优良导热性能、电气性能和力学性能的聚酰亚胺 / 氧化铝复合材料可以应用于高速列车变频牵引电机。