陸 洋，馮 挹，孫東梅

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

變壓器骨架用高性能工程塑料研究*

陸 洋，馮 挹，孫東梅

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中主要對(duì)聚苯硫醚、聚醚酰亞胺、聚醚醚酮、聚醚砜4種高性能工程塑料的性能進(jìn)行了詳述，對(duì)其是否能夠替代傳統(tǒng)變壓器骨架材料——聚砜進(jìn)行了研究。主要驗(yàn)證了4種工程塑料的機(jī)械加工性能，在極性溶劑浸泡條件下的耐溶劑性，以及在高低溫環(huán)境試驗(yàn)和溫度沖擊試驗(yàn)下的穩(wěn)定性。試驗(yàn)證明，聚苯硫醚、聚醚酰亞胺、聚醚醚酮完全可以替代聚砜成為絕緣結(jié)構(gòu)件的選用材料。

工程塑料；變壓器骨架；環(huán)境試驗(yàn)

引 言

一般情況下，將有優(yōu)異的綜合性能，如拉伸強(qiáng)度、剛性、壓縮強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度高，在冷熱條件下、化學(xué)介質(zhì)中物理、電性能保持穩(wěn)定，可長(zhǎng)期使用的一類高分子材料稱為工程塑料[1]。其中，綜合性能更高，暴露于某些苛刻環(huán)境時(shí)，具有超乎尋常穩(wěn)定性和傳統(tǒng)聚合物性能的高分子材料又稱為高性能工程塑料[2-3]。隨著電子電氣工業(yè)朝著小型化和高性能方向發(fā)展，工程塑料在該領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，特別在對(duì)壽命要求較高的軍用電子設(shè)備生產(chǎn)中，高性能工程塑料作用越發(fā)突出[4]。例如聚砜塑料，因?yàn)闊岱€(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性好，成型收縮率小，在寬廣的溫度和頻率范圍內(nèi)有優(yōu)良的電性能等特點(diǎn)，成為變壓器線圈骨架、絕緣子、絕緣支撐等高壓絕緣構(gòu)件的首選工程塑料。但是與金屬材料相比，工程塑料也有熱膨脹系數(shù)大、散熱慢、軟化點(diǎn)低、彈性高的缺點(diǎn)，使其工程應(yīng)用受到一定的限制。以聚砜塑料為例，其耐應(yīng)力開裂性能較差，機(jī)械加工后的殘余應(yīng)力常使聚砜塑料在使用過程中出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。此外聚砜塑料被大量應(yīng)用為變壓器等軟磁器件的線圈骨架材料，在線圈或變壓器的清潔和絕緣浸漬過程中需要與含有芳香烴類、酮類和醇類等有機(jī)溶劑的絕緣漆和清洗劑接觸，但聚砜對(duì)此類溶劑極為敏感，常常因接觸此類極性溶劑導(dǎo)致骨架開裂損壞，造成產(chǎn)品潛在的質(zhì)量安全隱患。因此，從提高質(zhì)量和可靠性出發(fā)，通過試驗(yàn)選擇能夠替代聚砜塑料的高性能工程塑料已經(jīng)是產(chǎn)品的迫切需求。

1 試驗(yàn)選材

1.1 材料的選擇

高性能工程塑料種類繁多，每類又有較多的品級(jí)。通過對(duì)材料電性能、加工性能、力學(xué)性能、化學(xué)性能等

多方面因素的考慮，最終選擇聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚酰亞胺、聚醚醚酮4種材料作為試驗(yàn)材料。4種工程塑料的具體性能見表1所示。

表1 高性能工程塑料性能對(duì)比

1.2 試樣的選擇

聚砜塑料常被用于制造各種高頻變壓器的骨架、絕緣結(jié)構(gòu)件以及連接器，這些構(gòu)件以圓形為主，通常選擇不同規(guī)格的棒料通過車、銑等加工成型，兼有少量打孔加工。在這些構(gòu)件中，變壓器的骨架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要以深槽、薄壁為主，加工要求高，再加上塑料固有的強(qiáng)度差、剛度低、熱膨脹系數(shù)大、軟化點(diǎn)低的特點(diǎn)，導(dǎo)致用塑料加工骨架的難度遠(yuǎn)大于一般金屬材料。因此，選擇將聚苯硫醚、聚醚酰亞胺、聚醚砜加工成圖1所示結(jié)構(gòu)的骨架樣品，考慮到結(jié)構(gòu)多樣，抽取聚醚醚酮加工成圖2所示與圖1類似的樣品結(jié)構(gòu)形式。由圖可見，這兩種骨架都是圓形薄壁結(jié)構(gòu)，繞線槽壁薄，槽深且窄，壁厚0.8～1 mm，槽寬1.5 mm，槽深6.5～10.5 mm，基本上臨近工程塑料機(jī)械加工的極限尺寸。

圖1 骨架樣式1

圖2 骨架樣式2

2 試驗(yàn)過程和結(jié)果

2.1 機(jī)械加工性能試驗(yàn)

塑料的熱傳導(dǎo)率低，又不適于使用液態(tài)冷卻液，故散熱效率差，工件易變形，加工變壓器骨架類的薄壁多槽排列結(jié)構(gòu)零件的難度很大。根據(jù)多年聚砜塑料機(jī)械加工的經(jīng)驗(yàn)積累以及對(duì)4種新工程塑料特性的研究，選取鋒鋼類刀具，采用適宜的機(jī)械加工參數(shù)，不使用任何輔助冷卻，零件車加工(包括粗車、精車、車槽、鏜孔、車端面)一次完成，加工過程中沒有進(jìn)行聚砜加工常用的熱處理去應(yīng)力，隨即進(jìn)行銑工開槽和打孔，完成骨架加工的全過程。對(duì)加工成品在強(qiáng)光下仔細(xì)檢查對(duì)比發(fā)現(xiàn)構(gòu)件沒有開裂、損壞現(xiàn)象，合格率100%，試樣見圖3。

圖3 骨架樣品

在車削加工過程中發(fā)現(xiàn)不含填料成分的聚醚砜、聚醚酰亞胺有些粘刀。含有填料的聚苯硫醚和聚醚醚酮硬度高、強(qiáng)度好，可加工性能較好?？偟膩碚f，4種高性能工程塑料的加工性能與聚砜相似。

2.2 耐溶劑試驗(yàn)

為考核4種工程塑料的耐溶劑性能，設(shè)計(jì)耐溶劑試驗(yàn)，將4種骨架材料分別浸泡在變壓器生產(chǎn)常用的丙酮、二甲苯、環(huán)氧絕緣浸漬漆專用111稀釋劑(由芳香烴和醇類溶劑配制而成)、變壓器油、甲基硅油5種液體內(nèi)，觀察有機(jī)溶劑對(duì)4種材料外觀形態(tài)的影響。經(jīng)過153天的浸泡試驗(yàn)，除聚醚砜外，上述溶劑對(duì)聚醚酰亞胺、聚苯硫醚和聚醚醚酮均未產(chǎn)生破壞性影響，詳情見表2。

表2 有機(jī)溶劑對(duì)工程塑料的影響

除此之外，考慮到變壓器用絕緣浸漬漆中其他成分對(duì)工程塑料的影響，將聚醚酰亞胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮骨架分別放入H30-12和H31-3兩種牌號(hào)絕緣漆中浸泡48 h后取出，骨架沒有發(fā)現(xiàn)裂紋損壞現(xiàn)象?？紤]到長(zhǎng)期浸泡在有機(jī)溶劑中的工程塑料有發(fā)生溶解、溶脹的可能，對(duì)浸泡后骨架的主要尺寸進(jìn)行了測(cè)量，并與原狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期浸泡沒有對(duì)骨架外形尺寸產(chǎn)生較大影響，在可接受范圍之內(nèi)，尺寸數(shù)據(jù)見表3。

表3 有機(jī)溶劑及絕緣油對(duì)骨架外形尺寸的影響 mm

骨架外形參數(shù)長(zhǎng)度最大外徑線槽最大外徑線槽壁厚線圈外徑圖紙尺寸44．3(43．0)48．0(41．0)40．00．8027．0自然狀態(tài)聚醚砜44．247．839．80．8027．0聚苯硫醚44．347．939．70．8027．0聚醚酰亞胺44．447．839．80．7527．1聚醚醚酮43．040．9無0．8027．0二甲苯聚醚砜已裂已裂已裂已裂已裂聚苯硫醚44．347．939．80．7527．0聚醚酰亞胺44．347．939．70．8027．0聚醚醚酮43．040．8無0．8027．0稀釋劑聚醚砜已裂已裂已裂已裂已裂聚苯硫醚44．347．939．80．8026．9聚醚酰亞胺44．447．939．80．8026．9聚醚醚酮43．040．8無0．8026．9變壓器油聚醚砜44．247．839．90．8026．9聚苯硫醚44．347．939．80．8027．1聚醚酰亞胺44．447．939．90．8026．9聚醚醚酮43．040．9無0．8027．1甲基硅油聚醚砜44．247．939．90．7526．9聚苯硫醚44．347．939．80．7527．1聚醚酰亞胺44．447．839．80．7827．0聚醚醚酮43．140．9無0．8027．0

2.3 環(huán)境試驗(yàn)

為了進(jìn)一步掌握4種工程塑料加工的零件在不同溫度沖擊條件下的耐受性，對(duì)4種材料的骨架進(jìn)行了高低溫變換為主的環(huán)境試驗(yàn)。環(huán)境試驗(yàn)包含兩部分，-55 ℃～70 ℃溫度區(qū)間內(nèi)的高低溫循環(huán)試驗(yàn)和高低溫急變條件下的溫度沖擊試驗(yàn)，包括從低溫到高溫和從高溫到低溫的急變轉(zhuǎn)換。

高低溫循環(huán)試驗(yàn)溫度曲線見圖4，4種材料的骨架共做了10個(gè)周期(20個(gè)溫度循環(huán))。試驗(yàn)后，在強(qiáng)光條件下觀察骨架是否產(chǎn)生裂紋，以此判定骨架是否合格。

圖4 高低溫循環(huán)試驗(yàn)溫度曲線

溫度沖擊試驗(yàn)將高低溫循環(huán)試驗(yàn)合格的骨架放置在低溫箱-55 ℃環(huán)境下40 min，取出后立即投入約100 ℃的沸水中保持10 min，然后取出放置在室內(nèi)，待骨架溫度降至室溫(約25 ℃)后，在強(qiáng)光條件下觀察骨架是否因溫度急劇變化產(chǎn)生裂紋，并測(cè)量骨架尺寸。反之，在骨架放置24 h后，將其放入100 ℃沸水中煮10 min，取出后立即放入-55 ℃低溫箱內(nèi)保持40 min，然后將骨架取出放置在室溫條件下，溫度平衡后，觀察其外形是否變化，再次測(cè)量骨架尺寸。分析高低溫循環(huán)試驗(yàn)和溫度沖擊試驗(yàn)對(duì)4種材料骨架的影響。經(jīng)過高低溫循環(huán)以及由冷到熱和由熱到冷的兩次溫度沖擊試驗(yàn)后，4種材料的骨架均未發(fā)現(xiàn)裂紋損壞和外觀變形，表明4種材料均能承受-55 ℃～70 ℃的高低溫循環(huán)試驗(yàn)和-55 ℃～100 ℃的瞬時(shí)溫度沖擊。試驗(yàn)后的骨架外形尺寸見表4。

表4 環(huán)境試驗(yàn)對(duì)工程塑料外形的影響 mm

檢測(cè)狀態(tài)項(xiàng)目材料聚醚砜聚苯硫醚聚醚酰亞胺聚醚醚酮原狀態(tài)室溫長(zhǎng)度44．244．344．443最大外徑47．847．947．940．9線槽最大外徑39．939．839．9—線槽壁厚0．80．80．80．8線圈外徑26．927．126．927．1冷熱沖擊-55℃～100℃長(zhǎng)度44．244．344．443最大外徑47．947．947．940．9線槽最大外徑39．939．839．9—線槽壁厚0．80．80．80．8線圈外徑26．927．12727．1熱冷沖擊100℃～-55℃長(zhǎng)度44．244．344．443最大外徑47．947．947．940．9線槽最大外徑39．939．839．9—線槽壁厚0．80．80．80．8線圈外徑2727．12727．1

測(cè)量結(jié)果表明，4種材料骨架的結(jié)構(gòu)尺寸僅在兩個(gè)數(shù)據(jù)上檢測(cè)到了0.1 mm的變化，其余數(shù)據(jù)均未發(fā)生變化，滿足使用要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚酰亞胺、聚醚醚酮4種高性能工程塑料的骨架進(jìn)行機(jī)械加工試驗(yàn)、耐溶劑試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)機(jī)械加工試驗(yàn)表明，4種工程塑料機(jī)械加工性能良好，對(duì)工藝、設(shè)備的要求不高。聚砜塑料每道切削加工后必須進(jìn)行消除加工應(yīng)力的熱處理，而這4種塑料對(duì)加工應(yīng)力不敏感，可一次、連續(xù)完成所有加工過程，沒有出現(xiàn)因加工應(yīng)力造成的損壞現(xiàn)象。由此簡(jiǎn)化了加工工序，降低了制造成本，極大提高了產(chǎn)品合格率。

2)耐溶劑試驗(yàn)結(jié)果表明，在經(jīng)歷了丙酮、二甲苯、111稀釋劑浸泡后，除聚醚砜產(chǎn)生脆裂外，其他3種材料均未產(chǎn)生損壞或溶蝕，骨架的變形量可接受。

3)環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果表明，4種材料在-55 ℃～70 ℃高低溫循環(huán)試驗(yàn)和-55 ℃～100 ℃的瞬時(shí)溫度沖擊下，骨架沒有發(fā)生裂紋損壞，滿足產(chǎn)品的正常使用要求。

綜上，聚苯硫醚、聚醚酰亞胺和聚醚醚酮替代聚砜可以解決變壓器骨架應(yīng)力開裂和溶劑損壞的問題。電性能方面，除了抗電強(qiáng)度(見表1)，其他各項(xiàng)指標(biāo)基本均高于聚砜塑料。且聚醚酰亞胺材料可在-200 ℃～170 ℃的條件下長(zhǎng)期工作，并保持穩(wěn)定的介電常數(shù)和損耗因數(shù)?？紤]到產(chǎn)品一般使用條件，此3種工程塑料完全可以替代聚砜成為絕緣結(jié)構(gòu)件的選用材料。

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陸 洋(1983-)，男，碩士研究生，工程師，主要從事電子裝聯(lián)工藝研究工作。

馮 挹(1961-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電子裝聯(lián)和變壓器裝配工藝研究。

孫東梅(1977-)，女，工程師，主要從事電子裝聯(lián)工藝研究工作。

Study on High Performance Engineering Plastic Used in Transformer Framework

LU Yang，F(xiàn)ENG Yi，SUN Dong-mei

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

This article expatiates the properties of four kinds of high performance engineering plastic - PPS, PEI, PEEK, PES, and discusses whether they can replace PSU which is the material traditionally used to make transformer framework. Through machining property test, solvent resistance test, high-low temperature cycle environmental test and temperature impaction test, it is proved that PSU can be replaced by PPS, PEI, PEEK as the material for manufacturing insulation structure.

engineering plastic; transformer framework; environmental test

2013-02-27

TQ32

A

1008-5300(2013)05-0053-04