侯 東，聶京凱，崔建業(yè)，樊 超，韓 鈺，王 斌

（1.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京 102209；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司 金華供電公司，浙江 金華 321001）

特高壓輸電線路具有輸送容量大、距離長(zhǎng)、效率高、損耗低等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)電力能源大范圍的優(yōu)化配置[1-2]。但近年來特高壓輸電技術(shù)在取得重大突破的同時(shí)變電設(shè)備噪聲問題日漸嚴(yán)重，環(huán)保壓力不可忽視。濾波電容器是換流站的主要噪聲源之一[3-4]，其噪聲主要由濾波電容器內(nèi)部元件在介質(zhì)電極間電場(chǎng)力作用下引起的振動(dòng)產(chǎn)生，濾波器電場(chǎng)噪聲聲壓級(jí)可達(dá)105 dB（A）。由于濾波電容器數(shù)量多、裝置尺寸大，其降噪治理難度相對(duì)較大。解決濾波電容器的噪聲問題是換流站降噪的重點(diǎn)研究方向，目前主要采用隔聲罩、阻尼減振器、阻尼隔聲墊等方式進(jìn)行降噪[5-11]。

橡膠材料具有特殊的粘彈性以及良好的阻尼降噪特性，可解決輸變電設(shè)備的本體噪聲問題，而電容器芯子處于絕緣液體芐基甲苯之中，因此橡膠材料不但要具有良好的阻尼性能，而且應(yīng)具有良好的耐液體介質(zhì)浸漬特性。氟橡膠（FKM）是側(cè)鏈上連有氟原子的高分子材料，具有高C-F鍵鍵能，因其耐化學(xué)介質(zhì)和熱穩(wěn)定性優(yōu)異而被廣泛應(yīng)用[12-15]，但FKM強(qiáng)度低、剛度可控性較差，在電力設(shè)備減振降噪中應(yīng)用較少。碳化硅（SiC）具有優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，作為增強(qiáng)填料可提升橡膠材料的強(qiáng)度及熱穩(wěn)定性[16]。本工作研究SiC用量對(duì)FKM膠料的物理性能、阻尼性能、熱穩(wěn)定性及耐液體介質(zhì)性能等的影響，為SiC/FKM復(fù)合材料在電容器減振降噪中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

FKM，牌號(hào)MLF2-13W，江蘇梅蘭化工有限公司產(chǎn)品；炭黑N990，鄭州豐茂化工產(chǎn)品有限公司產(chǎn)品；SiC，微米級(jí)顆粒，江蘇先豐納米材料科技有限公司產(chǎn)品；偶聯(lián)劑KH-560，北京市津同樂泰化工產(chǎn)品有限公司產(chǎn)品；氧化鎂，河北鎂神科技有限公司產(chǎn)品；氫氧化鈣，青島萊茵化學(xué)有限公司產(chǎn)品；雙酚AF和促進(jìn)劑BPP，輔銳實(shí)業(yè)（上海）有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

FKM 100，炭黑N990 2，改性SiC 變量（0，5，10，15，20，25），氧化鎂 15，氫氧化鈣1.5，雙酚AF 2.5，促進(jìn)劑BPP 2。

1.3 主要設(shè)備和儀器

XK-160型開放式煉膠機(jī)，上海橡膠機(jī)械一廠有限公司產(chǎn)品；XB-220A型天平、M-3000型無轉(zhuǎn)子硫化儀和GT-GS-MB型邵氏硬度計(jì)，中國(guó)臺(tái)灣高鐵科技股份有限公司產(chǎn)品；XLB型平板硫化機(jī)，上海浦大液壓機(jī)械制造有限公司產(chǎn)品；EUT4304型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，深圳三思檢測(cè)技術(shù)有限公司產(chǎn)品；ZEISS EVO18型掃描電子顯微鏡（SEM），德國(guó)ZEISS公司產(chǎn)品；DMA8000型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）儀，美國(guó)PE公司產(chǎn)品；TGA/DSC-1型熱重/差熱同步分析儀，瑞士梅特勒-托利多公司產(chǎn)品；DHG-9030A型電鼓風(fēng)烘箱，上海標(biāo)承實(shí)驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

1.4.1 偶聯(lián)劑KH560改性SiC

用無水乙醇對(duì)SiC顆粒表面進(jìn)行清洗處理，除去其表面的有機(jī)雜質(zhì)，洗凈的SiC烘干備用；將一定量的偶聯(lián)劑KH-560加入到無水乙醇中，混合均勻；將干燥好的SiC加入到偶聯(lián)劑KH-560/無水乙醇混合液中，在攪拌機(jī)中將混合物混合均勻后放入烘箱烘干，得到改性SiC。

1.4.2 SiC/FKM復(fù)合材料

采用機(jī)械共混法制備SiC/FKM復(fù)合材料，混煉工藝為：FKM在開煉機(jī)上包輥塑煉，然后依次加入改性SiC、炭黑N990、氧化鎂、氫氧化鈣、雙酚AF、促進(jìn)劑BPP混煉均勻，下片，停放24 h，待用。一段硫化在平板硫化機(jī)上進(jìn)行，硫化條件為170℃/10 MPa×30 min；二段硫化在電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行，硫化條件為200 ℃×10 h。

1.5 測(cè)試分析

硫化特性按照GB/T 16584—1996進(jìn)行測(cè)試；拉伸性能按照GB/T 528—2009進(jìn)行測(cè)試，拉伸速率為500 mm·min-1；邵爾A型硬度按照GB/T 531.1—2008測(cè)試；動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試采用拉伸模式，試樣尺寸為40 mm×5 mm×2 mm，頻率為125 Hz，升溫速率為5 ℃·min-1，溫度范圍為-60～80℃，應(yīng)變控制，應(yīng)變幅值為0.05%，預(yù)緊力為0.01 N；熱重（TG）分析采用氮?dú)鈿夥?，升溫速率?0℃·min-1；耐液體介質(zhì)性能按照GB/T 1690—2010進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化特性

改性SiC用量對(duì)SiC/FKM復(fù)合材料硫化特性（200 ℃）的影響如表1所示。

表1 改性SiC用量對(duì)SiC/FKM復(fù)合材料硫化特性的影響Tab.1 Effect of modified SiC amounts on vulcanization characteristics of SiC/FKM composites

從表1可以看出：當(dāng)改性SiC用量為0～10份時(shí)，SiC/FKM復(fù)合材料的焦燒時(shí)間較長(zhǎng)，F(xiàn)L較小，表現(xiàn)出良好的充模流動(dòng)性和加工穩(wěn)定性；改性SiC用量超過15份時(shí)，復(fù)合材料的硫化速率減慢，F(xiàn)L和Fmax較大，交聯(lián)密度提高。綜合來看，改性SiC用量為15份時(shí)SiC/FKM復(fù)合材料的加工性能較好。

選取改性SiC用量為15份的SiC/FKM復(fù)合材料作為分析對(duì)象，研究190，195，200，205和210 ℃下SiC/FKM復(fù)合材料的硫化特性，結(jié)果如表2所示。

表2 不同溫度下SiC/FKM復(fù)合材料的硫化特性Tab.2 Vulcanization characteristics of SiC/FKM composites under different temperatures

從表2可以看出：在190 ℃下SiC/FKM復(fù)合材料的硫化速率過慢且交聯(lián)密度過小，會(huì)影響橡膠制品的生產(chǎn)效率和物理性能；在195 ℃下復(fù)合材料的FL較大，充模流動(dòng)性不好，且交聯(lián)密度較??；在205～210 ℃下復(fù)合材料的t10較短，硫化速率過快，容易出現(xiàn)焦燒和過硫現(xiàn)象。因此，改性SiC用量為15份時(shí)SiC/FKM復(fù)合材料的最佳硫化溫度為

200 ℃。

2.2 物理性能

改性SiC用量對(duì)SiC/FKM復(fù)合材料拉伸性能的影響如圖1所示。

圖1 改性SiC用量對(duì)SiC/FKM復(fù)合材料拉伸性能的影響Fig.1 Effect of modified SiC amounts on tensile properties of SiC/FKM composites

從圖1可以看出：隨著改性SiC用量的增大，SiC/FKM復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈先提高后略有降低的趨勢(shì)，拉斷伸長(zhǎng)率則逐漸下降；不含SiC的FKM膠料的拉伸強(qiáng)度為10.01 MPa，拉斷伸長(zhǎng)率為271%；當(dāng)改性SiC用量為5份時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高到14.23 MPa，拉斷伸長(zhǎng)率為259%；當(dāng)改性SiC用量為15份時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高到16.35 MPa，拉斷伸長(zhǎng)率下降至178%，說明改性SiC明顯提高了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，同時(shí)也降低了復(fù)合材料的彈性。分析認(rèn)為，SiC顆粒尺寸均勻、粒徑適中、表面有很多活性點(diǎn)，其能夠均勻地分散在FKM中并與FKM緊密結(jié)合，在復(fù)合材料受到外力作用時(shí)能夠很好地吸收外界能量，達(dá)到增強(qiáng)的效果。但當(dāng)改性SiC用量達(dá)到25份時(shí)，SiC/FKM復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度略有下降，說明SiC過量時(shí)在FKM中會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚效應(yīng)，導(dǎo)致復(fù)合材料在受到外力作用時(shí)不能很好地將外部沖擊能量分散和傳遞出去，從而其強(qiáng)度降低。

SiC/FKM復(fù)合材料拉伸斷面的SEM照片如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)改性SiC用量為15份時(shí)，改性SiC（綠色圓圈中的亮點(diǎn)）均勻地分散在FKM中，沒有出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。這是因?yàn)镾iC具有密度小、硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率大等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過偶聯(lián)劑KH560改性后SiC表面接枝了大量的有機(jī)基團(tuán)，使SiC表面由親水性轉(zhuǎn)變成疏水性，改善了SiC在FKM中的分散性，增強(qiáng)了SiC與FKM之間的界面結(jié)合力。SiC/FKM復(fù)合材料優(yōu)異的性能主要?dú)w因于SiC固有的特性及其在FKM中良好的分散以及SiC與FKM之間較強(qiáng)的界面相互作用。

圖2 SiC/FKM復(fù)合材料拉伸斷面的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photoes of tensile sections of SiC/FKM composites

試驗(yàn)表明，改性SiC用量分別為0，5，10，15，20，25份時(shí)，SiC/FKM復(fù)合材料的邵爾A型硬度分別為67，72，76，86，91，95度，即隨著改性SiC用量的增大，復(fù)合材料的邵爾A型硬度逐漸增大，當(dāng)改性SiC用量為25份時(shí)，復(fù)合材料的邵爾A型硬度增大至95度，說明改性SiC可以有效提高復(fù)合材料的剛度和抗壓性能，但是硬度過大會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的彈性降低，不能通過有效的彈性形變抵抗外界沖擊，從而降低阻尼減振效果。當(dāng)改性SiC用量為15份時(shí)，SiC/FKM復(fù)合材料的邵爾A型硬度為86度，可同時(shí)保證復(fù)合材料足夠的抗壓性和良好的彈性，即復(fù)合材料的綜合物理性能最好。

2.3 阻尼性能

圖3為不同改性SiC用量下SiC/FKM復(fù)合材料的損耗因子（tanδ）-溫度曲線。

從圖3可以看出：隨著改性SiC用量的增大，SiC/FKM復(fù)合材料的tanδ峰值（tanδmax）呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；不含SiC的FKM膠料的tanδmax為1.291；改性SiC用量為5份時(shí)，復(fù)合材料的tanδmax減小至1.198；值得注意的是，當(dāng)改性SiC用量為15份時(shí)，復(fù)合材料保持了較大的tanδmax（0.973）及較寬的阻尼溫域；當(dāng)改性SiC用量達(dá)到20份時(shí)，復(fù)合材料的tanδmax大幅減小；當(dāng)改性SiC用量達(dá)到25份時(shí)，復(fù)合材料的tanδmax僅為0.614，這主要是由于SiC顆粒的團(tuán)聚限制了FKM分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力，減小了分子間的摩擦損耗。

圖3 SiC/FKM復(fù)合材料的tanδ-溫度曲線Fig.3 tanδ-temperature curves of SiC/FKM composites

2.4 熱穩(wěn)定性

電容器減振阻尼橡膠材料的服役溫度可達(dá)到80 ℃，提高橡膠阻尼材料在高溫環(huán)境下的熱穩(wěn)定性具有重要意義。對(duì)改性SiC用量為15份的SiC/FKM復(fù)合材料進(jìn)行TG分析，其TG和DTG（微商熱重）曲線如圖4所示。

圖4 SiC/FKM復(fù)合材料的TG和DTG曲線Fig.4 TG and DTG curves of SiC/FKM composite

從圖4可以看出，SiC/FKM復(fù)合材料在400 ℃以下都表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，445 ℃時(shí)復(fù)合材料的質(zhì)量損失率為10%，560 ℃時(shí)復(fù)合材料的質(zhì)量損失率達(dá)到50%，549 ℃時(shí)復(fù)合材料的熱降解反應(yīng)速率最快，可見添加15份改性SiC對(duì)復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性提高效果較為突出，可滿足電容器使用工況對(duì)減振阻尼橡膠材料熱穩(wěn)定性的要求。

2.5 耐液體介質(zhì)性能

在一定溫度下，F(xiàn)KM制品在油類或其他化學(xué)介質(zhì)中浸泡會(huì)發(fā)生溶脹現(xiàn)象，質(zhì)量和體積會(huì)發(fā)生不同程度的變化。測(cè)量浸泡前后的質(zhì)量變化率是評(píng)價(jià)橡膠制品耐液體介質(zhì)性能的重要指標(biāo)。為了考察改性SiC用量對(duì)SiC/FKM復(fù)合材料耐液體介質(zhì)性能的影響，將試樣浸泡在電容器絕緣介質(zhì)芐基甲苯浸漬劑中，浸泡條件為80 ℃×168 h，測(cè)試試樣浸泡前后的質(zhì)量變化率。

試驗(yàn)表明，改性SiC用量分別為0，5，10，15，20，25份時(shí)，SiC/FKM復(fù)合材料的質(zhì)量變化率分 別為2.23%，2.39%，2.48%，2.61%，2.96%，3.24%。由此可見，隨著改性SiC用量的增大，復(fù)合材料浸泡后的質(zhì)量變化率逐漸增大，但當(dāng)改性SiC用量大于15份時(shí)，復(fù)合材料的質(zhì)量變化率增幅明顯增大，但其依舊保持良好的耐液體介質(zhì)性能。這是因?yàn)镕KM分子鏈中沒有不飽和鍵，極性強(qiáng)的氟原子使其與非極性芐基甲苯不相容，從而使芐基甲苯難以進(jìn)入FKM基體而產(chǎn)生溶脹作用。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)改性SiC用量為15份、二段硫化溫度為200 ℃時(shí)，SiC/FKM復(fù)合材料的加工性能最佳。

（2）隨著改性SiC用量的增大，SiC/FKM復(fù)合材料的硬度增大，拉斷伸長(zhǎng)率降低，阻尼性能和耐液體介質(zhì)性能降低，拉伸強(qiáng)度呈先提高后略降低的趨勢(shì)，當(dāng)改性SiC用量超過15份時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提升緩慢直至降低。

（3）當(dāng)改性SiC用量為15份時(shí)，SiC/FKM復(fù)合材料的性能較優(yōu)異，邵爾A型硬度為86度，拉伸強(qiáng)度為16.35 MPa，拉斷伸長(zhǎng)率為178%，tanδmax為0.973，同時(shí)具有良好的熱穩(wěn)定性和耐液體介質(zhì)性能。