变压器骨架用高性能工程塑料研究*

陆 洋，冯 挹，孙东梅

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

变压器骨架用高性能工程塑料研究*

陆 洋，冯 挹，孙东梅

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

文中主要对聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜4种高性能工程塑料的性能进行了详述，对其是否能够替代传统变压器骨架材料——聚砜进行了研究。主要验证了4种工程塑料的机械加工性能，在极性溶剂浸泡条件下的耐溶剂性，以及在高低温环境试验和温度冲击试验下的稳定性。试验证明，聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮完全可以替代聚砜成为绝缘结构件的选用材料。

工程塑料；变压器骨架；环境试验

引 言

一般情况下，将有优异的综合性能，如拉伸强度、刚性、压缩强度、冲击强度高，在冷热条件下、化学介质中物理、电性能保持稳定，可长期使用的一类高分子材料称为工程塑料[1]。其中，综合性能更高，暴露于某些苛刻环境时，具有超乎寻常稳定性和传统聚合物性能的高分子材料又称为高性能工程塑料[2-3]。随着电子电气工业朝着小型化和高性能方向发展，工程塑料在该领域的应用日益广泛，特别在对寿命要求较高的军用电子设备生产中，高性能工程塑料作用越发突出[4]。例如聚砜塑料，因为热稳定性和尺寸稳定性好，成型收缩率小，在宽广的温度和频率范围内有优良的电性能等特点，成为变压器线圈骨架、绝缘子、绝缘支撑等高压绝缘构件的首选工程塑料。但是与金属材料相比，工程塑料也有热膨胀系数大、散热慢、软化点低、弹性高的缺点，使其工程应用受到一定的限制。以聚砜塑料为例，其耐应力开裂性能较差，机械加工后的残余应力常使聚砜塑料在使用过程中出现开裂现象。此外聚砜塑料被大量应用为变压器等软磁器件的线圈骨架材料，在线圈或变压器的清洁和绝缘浸渍过程中需要与含有芳香烃类、酮类和醇类等有机溶剂的绝缘漆和清洗剂接触，但聚砜对此类溶剂极为敏感，常常因接触此类极性溶剂导致骨架开裂损坏，造成产品潜在的质量安全隐患。因此，从提高质量和可靠性出发，通过试验选择能够替代聚砜塑料的高性能工程塑料已经是产品的迫切需求。

1 试验选材

1.1 材料的选择

高性能工程塑料种类繁多，每类又有较多的品级。通过对材料电性能、加工性能、力学性能、化学性能等

多方面因素的考虑，最终选择聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮4种材料作为试验材料。4种工程塑料的具体性能见表1所示。

表1 高性能工程塑料性能对比

1.2 试样的选择

聚砜塑料常被用于制造各种高频变压器的骨架、绝缘结构件以及连接器，这些构件以圆形为主，通常选择不同规格的棒料通过车、铣等加工成型，兼有少量打孔加工。在这些构件中，变压器的骨架结构较为复杂，主要以深槽、薄壁为主，加工要求高，再加上塑料固有的强度差、刚度低、热膨胀系数大、软化点低的特点，导致用塑料加工骨架的难度远大于一般金属材料。因此，选择将聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚砜加工成图1所示结构的骨架样品，考虑到结构多样，抽取聚醚醚酮加工成图2所示与图1类似的样品结构形式。由图可见，这两种骨架都是圆形薄壁结构，绕线槽壁薄，槽深且窄，壁厚0.8～1 mm，槽宽1.5 mm，槽深6.5～10.5 mm，基本上临近工程塑料机械加工的极限尺寸。

图1 骨架样式1

图2 骨架样式2

2 试验过程和结果

2.1 机械加工性能试验

塑料的热传导率低，又不适于使用液态冷却液，故散热效率差，工件易变形，加工变压器骨架类的薄壁多槽排列结构零件的难度很大。根据多年聚砜塑料机械加工的经验积累以及对4种新工程塑料特性的研究，选取锋钢类刀具，采用适宜的机械加工参数，不使用任何辅助冷却，零件车加工(包括粗车、精车、车槽、镗孔、车端面)一次完成，加工过程中没有进行聚砜加工常用的热处理去应力，随即进行铣工开槽和打孔，完成骨架加工的全过程。对加工成品在强光下仔细检查对比发现构件没有开裂、损坏现象，合格率100%，试样见图3。

图3 骨架样品

在车削加工过程中发现不含填料成分的聚醚砜、聚醚酰亚胺有些粘刀。含有填料的聚苯硫醚和聚醚醚酮硬度高、强度好，可加工性能较好。总的来说，4种高性能工程塑料的加工性能与聚砜相似。

2.2 耐溶剂试验

为考核4种工程塑料的耐溶剂性能，设计耐溶剂试验，将4种骨架材料分别浸泡在变压器生产常用的丙酮、二甲苯、环氧绝缘浸渍漆专用111稀释剂(由芳香烃和醇类溶剂配制而成)、变压器油、甲基硅油5种液体内，观察有机溶剂对4种材料外观形态的影响。经过153天的浸泡试验，除聚醚砜外，上述溶剂对聚醚酰亚胺、聚苯硫醚和聚醚醚酮均未产生破坏性影响，详情见表2。

表2 有机溶剂对工程塑料的影响

除此之外，考虑到变压器用绝缘浸渍漆中其他成分对工程塑料的影响，将聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮骨架分别放入H30-12和H31-3两种牌号绝缘漆中浸泡48 h后取出，骨架没有发现裂纹损坏现象。考虑到长期浸泡在有机溶剂中的工程塑料有发生溶解、溶胀的可能，对浸泡后骨架的主要尺寸进行了测量，并与原状态进行了对比，发现长期浸泡没有对骨架外形尺寸产生较大影响，在可接受范围之内，尺寸数据见表3。

表3 有机溶剂及绝缘油对骨架外形尺寸的影响 mm

骨架外形参数长度最大外径线槽最大外径线槽壁厚线圈外径图纸尺寸44．3(43．0)48．0(41．0)40．00．8027．0自然状态聚醚砜44．247．839．80．8027．0聚苯硫醚44．347．939．70．8027．0聚醚酰亚胺44．447．839．80．7527．1聚醚醚酮43．040．9无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聚醚酰亚胺44．347．939．70．8027．0聚醚醚酮43．040．8无0．8027．0稀释剂聚醚砜已裂已裂已裂已裂已裂聚苯硫醚44．347．939．80．8026．9聚醚酰亚胺44．447．939．80．8026．9聚醚醚酮43．040．8无0．8026．9变压器油聚醚砜44．247．839．90．8026．9聚苯硫醚44．347．939．80．8027．1聚醚酰亚胺44．447．939．90．8026．9聚醚醚酮43．040．9无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聚醚酰亚胺44．447．839．80．7827．0聚醚醚酮43．140．9无0．8027．0

2.3 环境试验

为了进一步掌握4种工程塑料加工的零件在不同温度冲击条件下的耐受性，对4种材料的骨架进行了高低温变换为主的环境试验。环境试验包含两部分，-55 ℃～70 ℃温度区间内的高低温循环试验和高低温急变条件下的温度冲击试验，包括从低温到高温和从高温到低温的急变转换。

高低温循环试验温度曲线见图4，4种材料的骨架共做了10个周期(20个温度循环)。试验后，在强光条件下观察骨架是否产生裂纹，以此判定骨架是否合格。

图4 高低温循环试验温度曲线

温度冲击试验将高低温循环试验合格的骨架放置在低温箱-55 ℃环境下40 min，取出后立即投入约100 ℃的沸水中保持10 min，然后取出放置在室内，待骨架温度降至室温(约25 ℃)后，在强光条件下观察骨架是否因温度急剧变化产生裂纹，并测量骨架尺寸。反之，在骨架放置24 h后，将其放入100 ℃沸水中煮10 min，取出后立即放入-55 ℃低温箱内保持40 min，然后将骨架取出放置在室温条件下，温度平衡后，观察其外形是否变化，再次测量骨架尺寸。分析高低温循环试验和温度冲击试验对4种材料骨架的影响。经过高低温循环以及由冷到热和由热到冷的两次温度冲击试验后，4种材料的骨架均未发现裂纹损坏和外观变形，表明4种材料均能承受-55 ℃～70 ℃的高低温循环试验和-55 ℃～100 ℃的瞬时温度冲击。试验后的骨架外形尺寸见表4。

表4 环境试验对工程塑料外形的影响 mm

检测状态项目材料聚醚砜聚苯硫醚聚醚酰亚胺聚醚醚酮原状态室温长度44．244．344．443最大外径47．847．947．940．9线槽最大外径39．939．839．9—线槽壁厚0．80．80．80．8线圈外径26．927．126．927．1冷热冲击-55℃～100℃长度44．244．344．443最大外径47．947．947．940．9线槽最大外径39．939．839．9—线槽壁厚0．80．80．80．8线圈外径26．927．12727．1热冷冲击100℃～-55℃长度44．244．344．443最大外径47．947．947．940．9线槽最大外径39．939．839．9—线槽壁厚0．80．80．80．8线圈外径2727．12727．1

测量结果表明，4种材料骨架的结构尺寸仅在两个数据上检测到了0.1 mm的变化，其余数据均未发生变化，满足使用要求。

3 结束语

通过对聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮4种高性能工程塑料的骨架进行机械加工试验、耐溶剂试验、环境试验，得出以下结论：

1)机械加工试验表明，4种工程塑料机械加工性能良好，对工艺、设备的要求不高。聚砜塑料每道切削加工后必须进行消除加工应力的热处理，而这4种塑料对加工应力不敏感，可一次、连续完成所有加工过程，没有出现因加工应力造成的损坏现象。由此简化了加工工序，降低了制造成本，极大提高了产品合格率。

2)耐溶剂试验结果表明，在经历了丙酮、二甲苯、111稀释剂浸泡后，除聚醚砜产生脆裂外，其他3种材料均未产生损坏或溶蚀，骨架的变形量可接受。

3)环境试验结果表明，4种材料在-55 ℃～70 ℃高低温循环试验和-55 ℃～100 ℃的瞬时温度冲击下，骨架没有发生裂纹损坏，满足产品的正常使用要求。

综上，聚苯硫醚、聚醚酰亚胺和聚醚醚酮替代聚砜可以解决变压器骨架应力开裂和溶剂损坏的问题。电性能方面，除了抗电强度(见表1)，其他各项指标基本均高于聚砜塑料。且聚醚酰亚胺材料可在-200 ℃～170 ℃的条件下长期工作，并保持稳定的介电常数和损耗因数。考虑到产品一般使用条件，此3种工程塑料完全可以替代聚砜成为绝缘结构件的选用材料。

[1] 刘增田. 特种工程塑料的性能及应用[J]. 聊城大学学报, 2006, 19(1): 81-83.

[2] 刘金刚, 范琳, 杨士勇. 特种工程塑料市场与应用[J]. 合成树脂及塑料, 2005, 22(6): 67-70.

[3] 王贵华, 姜振华, 于闯, 等. 特种工程塑料PES、PEEK成型加工性能[J]. 化工科技, 2001, 9(2): 44-48.

[4] 伊廷会. 电子电气用工程塑料应用发展趋势[J]. 塑料科技, 2001(1): 43-48.

陆 洋(1983-)，男，硕士研究生，工程师，主要从事电子装联工艺研究工作。

冯 挹(1961-)，男，高级工程师，主要从事电子装联和变压器装配工艺研究。

孙东梅(1977-)，女，工程师，主要从事电子装联工艺研究工作。

Study on High Performance Engineering Plastic Used in Transformer Framework

LU Yang，FENG 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