聚酰亚胺薄膜热老化特性试验与分析*

赵延召，陈红生，朱菲菲，梁西川

(南车株洲电机有限公司，湖南株洲 412001)

0 引言

聚酰亚胺薄膜作为一种优良的工程塑料类薄膜，具有优良的力学性能、电学性能、化学稳定性，广泛应用在电机的电磁线绕包材料及电机的槽绝缘、匝间绝缘和主绝缘，能够显著提高绝缘的电气强度，是电机设计制造中基础绝缘材料［1］。随着电力机车向高速、重载方向发展，对牵引电机的性能要求越来越高，更高耐热等级的绝缘材料不断应用在牵引电机上。近年来随着绝缘材料的不断发展和更新，如聚酰亚胺薄膜、聚酰亚胺树脂和聚二苯醚树脂等。新型绝缘材料的应用，极大地提高了牵引电机的输出功率［2-3］。

近年来，随着国产绝缘材料的发展和技术成熟，国产聚酰亚胺薄膜的制备技术已走出试验室，向产业化迈进。正在逐渐缩小同国外厂家的差距，而聚酰亚胺薄膜的国产化的试验研究材料的替代，对于减轻电机公司的成本压力和打破垄断有重要意义。

1 材料试验方案设计

1．1 试验方案

机械性能和电气性能是聚酰亚胺薄膜的基本特性，选取进口薄膜和国产薄膜1、国产薄膜2、国产薄膜3。预处理后对四种薄膜分别进行拉伸强度、断裂伸长率、电气强度测试。通过初始性能测试后，进行老化试验［4］。四种薄膜初始性能检测值如表1。

表1 初始性能检测值

在初始性能下，国产薄膜的电气强度相比进口薄膜有很大的富裕。而国产薄膜整体机械性能与进口薄膜性能相比还有一定差距。拉伸强度和断裂伸长率表征聚酰亚胺薄膜力学性能，优良的力学性能是电机制造工艺的一个重要指标。为了进行比较分析和研究老化特性，对3种国产薄膜和进口薄膜都投入到热老化试验中。

1．2 老化处理

根据IEC60216-1规定热老化评定中温点选取280℃和高温点选取300℃。表2为进口薄膜和国产薄膜的老化处理［5］。

表2 热老化处理

2 试验结果分析

在热老化处理后对进口薄膜和国产薄膜进行拉伸强度、断裂伸长率、和电气强度测试。如图1、2分别为不同老化时间在280℃和300℃时的拉伸强度、断裂伸长率、和电气强度。

图1 不同老化时间在280℃时的拉伸强度

图2 不同老化时间在300℃时的拉伸强度

图1 结果表明，在280℃、700 h老化温度后，四种薄膜都有不同程度的机械劣化，拉伸强度都有下降。进口薄膜在280℃、700 h老化后拉伸强度下降了36．3%，国产薄膜在700 h老化后拉伸强度下降都低于20%。图2结果表明，在300℃、700 h老化温度后，四种薄膜的拉伸强度都明显下降，进口薄膜在700 h老化后拉伸强度下降了62．5%，国产薄膜在300℃、700 h老化后拉伸强度下降在20%左右。分析结果表明国产薄膜的耐高温机械性能性能相比较进口薄膜要高。在长时老化后四种薄膜都有脆硬现象，材料基本都丧失了柔韧性。

图3结果表明，在280℃、700 h老化温度后，四种薄膜断裂伸长率都普遍降低，进口薄膜在280℃、700 h老化后断裂伸长率下降了87．2%，国产薄膜1、国产薄膜2-横向、国产薄膜2-纵向、国产薄膜3-横向、国产薄膜3-纵向在700 h老化后断裂伸长率分别下降了 49．8%、51．6%、11．8%、78．4%、59．8%。图4结果表明，在300℃、700 h老化温度后，进口薄膜在300℃、700 h老化后断裂伸长率下降了98．2%，国产薄膜1、国产薄膜2-横向、国产薄膜2-纵向、国产薄膜3-横向、国产薄膜3-纵向在700 h老化后断裂伸长率分别下降了75．0%、89．1%、84．6%、93．5%、87．8%。分析表明，在280℃长时老化后四种薄膜材料结构遭到破坏，基本上都丧失了力学特性及柔韧性。在300℃及以上温度长时老化后四种薄膜材料已完全遭到破坏。图5为不同老化时间在280℃时的电气强度。

图3 不同老化时间在280℃时的断裂伸长率

图4 不同老化时间在300℃时的断裂伸长率

图5 不同老化时间在280℃时的电气强度

图5、6结果表明，在280℃和300℃老化温度后，四种薄膜击穿场强并没有明显下降，图中的波动和反复可能是试验误差所致。因此总体而言，对于聚酰亚胺薄膜，280℃以下的温度不是导致绝缘击穿破坏的决定因素，它只是加速了局部放电和空间电荷对绝缘的破环作用［6］。

图6 不同老化时间在300℃时的电气强度

3 结论

(1)聚酰亚胺薄膜在长时的高温老化情况下薄膜结构被破坏(老化后表面有白色颗粒析出)，四种薄膜都有脆硬现象，材料基本都丧失了柔韧性，力学性能降低。

(2)聚酰亚胺是一种中等极性的聚合物，对温度和频率的依赖性很小。四种薄膜在280℃和300℃老化温度后，在工频正弦电压下击穿场强并没有明显下降。因此，对于聚酰亚胺薄膜而言，温度不是导致绝缘破坏的决定因素，它只是加速了局部放电和空间电荷对绝缘的破坏作用。

(3)试验结果表明国产薄膜的热老化性能相对较好，在280℃长时老化后四种薄膜材料结构遭到破坏，基本上都丧失了力学特性及柔韧性。在300℃及以上温度长时老化后四种薄膜材料已完全遭到破坏。同时初始性能试验和热老化试验表明部分国产薄膜材料的力学特性基本上达到了进口薄膜的性能，可以对国产薄膜开展后续结构验证试验。

［1］ 何景彦，吴广宁，高 波，等．采用介质损耗表征聚酰亚胺薄膜老化特性的研究［J］．绝缘材料，2007．

［2］ 李耀星，孙 瑛，祝晚华．我国绝缘材料的现状和发展趋势［C］．第十一届全国绝缘材料与绝缘技术学术会议论文集［A］．2012．

［3］ 何恩广，于钦学，占学斌，等．Kapton CR薄膜老化规律的研究［C］．第十届全国工程电介质学术会议论文集［A］．2005．

［4］ 邱荣昌，曹晓珑．电气绝缘测试技术［M］．北京:机械工业出版社，2008．

［5］ 电气电子绝缘技术手册编委员会．电气电子绝缘技术手册［M］．北京:机械工业出版社，2008．

［6］ 吴广宁，周 凯，高 波．变频电机绝缘老化机理及表征［M］．北京:科学出版社，2009．