芳纶纤维材料在电气绝缘和电子领域中的应用

文/赵肖斌 姚博炜

我国对于芳纶材料研究和国外对比起步晚，相关技术滞后。目前，将其应用在各种材料的制造方面，性能较为良好的芳纶材料主要依靠进口。此种材料在电气绝缘以及电子领域中有广泛应用，为促使其充分发挥材料优势，有必要就具体应用形式加以研究。

1 芳纶纤维在电气绝缘以及电子领域内的应用方向

1.1 变压器

在变压器的芯线、层间以及相间绝缘方面，使用芳纶纤维无疑是较为理想的材料。其在应用过程优势明显，纤维纸限氧指数>28，因此自身属于良好的阻燃材料。同时耐热性能达到220级，能够将变压器冷却空间减小，促使其内部结构紧凑，减少变压器空载时的损耗，还能降低制造成本。由于其绝缘效果好，可提高变压器对温度的存储以及谐波负载等能力，因此在变压器绝缘方面有重要应用。此外，材料抗潮性好，可应用于潮湿环境下。

1.2 电机

在电机的制造过程中，芳纶纤维的应用广泛，纤维和纸板共同组成电机产品的绝缘系统，使产品能在超出负荷的状态下运行。由于材料尺寸小、性能良好，因此可在线圈绕组过程不受损坏。其应用途径包括相间、引线、对地、导线、槽衬等绝缘。例如：厚度在0.18mm～0.38mm的纤维纸柔韧性好，适合用于槽衬绝缘；厚度在0.51mm～0.76mm的下内置硬度较高，因此可应用在槽楔位置。

1.3 电路板

在电路板中应用芳纶纤维之后，电气强度、点阻力、激光速度较大，同时离子的可加工性能更高，离子密度较低，由于以上优势，其在电子领域中被广泛应用。在20世纪的90年代，由芳纶材料制作而成的电路板成为SMT基板材料社会关注重点，芳纶纤维在电路板基材等方面应用广泛。

1.4 雷达天线

在卫星通讯的迅速发展中，要求雷达天线具备质量小、轻便、可靠性强等优势。芳纶纤维在性能上具有较高的稳定性、电气绝缘能力良好，并且透波性和力学性能较强，因此可将其应用在雷达天线领域当中。例如：可以合理运用在高架天线、军舰和飞机等天线罩以及雷达馈线等结构当中。

2 芳纶纤维在电气绝缘以及电子领域内的具体应用

2.1 各类变压器中的应用

芳纶纤维可应用在干式变压器当中，在线圈绕点使用芳纶纤维，将变压器绝缘系统温度指数有效提升，并延长其使用寿命。由纤维纸、高温油等组成抗高温的绝缘系统，应用在铁路牵引设备以及配电设备当中，减小变压器质量和体积。在高速列车中使用芳纶材料构成变压器的绝缘系统，将变压器体积变为原来的80%～85%，降低其出现故障维修的工作量，提高了变压器安全性能。充分利用芳纶纤维优势，将其应用在变压器当中作为绝缘主材，可保障结构安全性。在油浸变压器中可使用芳纶纤维，配合燃点较高的β油制造出具有高燃点的变压器。该种类型的变压器运行消耗成本低、防火性能好。如：使用芳纶纤维和硅油制作出150kVA变压器，质量和100kVA的变压器相差不大。

2.2 各类电机中的应用

芳纶纤维可应用在特种电机的绝缘系统中，在变频调速电机以及2500kV交变频电机中应用芳纶纤维绝缘性能良好。同时使用芳纶纤维制作成环氧树脂类复合材料作为发动机的转子保护环，可有效解决传统玻璃纤维的无纬带性能较弱的问题。在正常状态下，试样的拉伸强度为1816MPa，因此可满足高度运转环境下要求。此外，还可利用芳纶纤维作为电机匝间的结构绝缘，这样可减小绝缘层的厚度，同时降低电机温度上升速度，提高电机整体性能。

在发电机中也可将芳纶纤维应用其中，将纤维纸使用环氧树脂浸泡之后，放在转子线圈中，形成绝缘结构，提高线圈的机械强度，同时还能缩短发电机的制造周期。研究人员对三峡机组中使用的东方发电机进行研究，发现机组使用芳纶材料作为绕组绝缘，不但符合机组在技术方面的绝缘要求，这种发电机可应用在大型或者中型的水轮发电机当中。

此外，芳纶纤维还可用在电机的接地绝缘当中，避免电机出现异常停机的问题。使用芳纶纤维与聚酰亚胺组成复合材料，形成封闭式引线，内外层通过芳纶纤维进行编制，可使电机在润滑油以及冷媒条件下绝缘性能良好。

2.3 印制电路板中的应用

印制电路板（下文简称PCB）的制造过程，使用芳纶纤维合成具有高密度的电子片引线支座，此类型支座具有较强的张拉性能，因此可避免铜片受热之后和树脂基体之间产生分离的问题。在电子工业中，使用芳纶材料制造PCB板，可增强电路板的强度和质量。此种电路板尺寸优良，膨胀系数3×10-6/℃。由于电路板的介电常数较低，所以可适用于线路的高速传输。和玻璃纤维材料相对比，这种电路板的质量降低了20%，因此实现了电子设备质量轻、体系小的制造目标。日本某公司研制出稳定性更好、柔韧度更高、抗湿性能更强的PCB板，在制造过程，在间位使用芳纶纤维，加速了环氧基树脂材料的制取。对比于对位材料的应用，其更容易加工，吸潮性能更好。使用芳纶纤维制作的PCB，其质量轻、性能强，可应用在智能手机以及平板电脑当中。此外，当前基于多层结构的芳纶纤维制造出的电路板可对高密度电子进行封装，适合应用在电路的高速传输过程中，在军工领域中取得广泛应用。

2.4 天线部件中的应用

由于芳纶材料具有良好的介电性能，将其应用在雷达罩部件当中，比传统玻璃雷达天线罩更薄，刚度良好，信号的透过率更高。和半波长类型的雷达罩相比，处于夹层位置的天线罩，使用芳纶材料制作蜂窝夹层，其芯材的质量更轻，并且强度比玻璃不芯材高，不足之处为制造消耗的成本较高。因此，只能将其应用在舰载雷达和机载雷达等高端领域的天线罩部件制造当中。美国公司和日本共同研制出雷达抛物面天线，在雷达反射面使用对位芳纶材料。由于我国对芳纶材料的研究起步相对较晚，但是技术发展迅速。当前研制的卫星APSTAR-2R，其使用蜂窝夹层作为天线的反射面，天线的内外蒙皮部分使用对位芳纶材料，间位使用蜂窝芳纶。在飞机雷达罩制造过程，使用对位芳纶，利用此材料良好的透波性能，同时膨胀系数较低，因此反射器频率可满足自身结构以及功能双重要求。ESA曾经研制出双色副类型反射器，其直径1.1m，在夹层结构中使用间位蜂窝结构，使用芳纶材料作为蒙皮，该结构环氧树脂温度可达25℃，介电常数为3.46，损耗因数为0.013，该种反射器传输环节反射损耗只有0.3dB，传输信号损失0.5dB。瑞典在卫星系统中应用的双色副类型反射器，直径1.42m，在传输环节损耗<0.25dB，反射损耗<0.1dB。我国电子研究所研制出同类产品，和国外天线存在相同的夹层结构，但是使用芳纶材料以及玻璃纤维合成复合材料作为蒙皮，这种天线在传输环节反射损耗<0.5dB，透波损耗<0.3dB。

2.5 其他领域中的应用

除以上领域的应用，芳纶纤维在复合膜、绝缘绳/杆、断路器、制动器等电子部件领域中也有广泛应用。例如：在500kV输电线路中，使用芳纶材料制作成的绝缘绳代替绝缘吊杆当承力工具，利用绝缘绳连接丝杆，有利于促使安全系数在3以上。绝缘杆主要是使用芳纶纤维和涤纶纤维相互缠绕方式组成的结构，将其置于真空当中，并浸入到环氧树脂材料中，经固化之后形的。使用过程中具有良好的耐腐蚀性能，质量轻便、强度更高，这种材料绝缘性能良好。在110kV的线路中，使用绝缘杆的操作较为频繁，其在应用过程机械强度较高，具有良好的动态抗疲劳特征。在电器机械的制造方面，使用芳纶纤维材料可提升部件强度，防止成型换货表面磨损严重，其在电器设备中取代玻璃纤维，芳纶纤维中纤维含量为5%、长度可达6.4mm，拉伸强度为28.5MPa，耐电弧性为192s,抗冲击强度138.68J/m，因此耐磨损强度更高。

3 结束语

总而言之，芳纶材料在电气绝缘领域以及电子领域中应用广泛，面临着应用过程面临的困难，国家应开展变压器、输电设备等工程，促使此类型材料在电气绝缘中推广应用，不断缩小技术应用和国外产品之间的差距。同时还应在电路板、雷达等领域中高效应用，发挥材料性能优势，促使我国电气绝缘以及电子领域更好的发展。