玻璃纤维增强环氧树脂复合材料性能研究

摘 要：【目的】研究玻璃纤维增强环氧树脂复合材料在绝缘拉杆领域的应用。【方法】采用7628玻璃纤维织物为增强材料，双酚A型环氧树脂为基体，制备环氧玻璃纤维复合材料。对复合材料进行电气性能、机械性能与热力学性能测试，根据试验结果分析复合材料各项性能特点，并与绝缘拉杆用产品材料性能参数进行对比。【结果】7628玻璃纤维增强环氧树脂复合材料拉伸强度可达到583 MPa，弯曲强度达到570 MPa，剪切强度达到53 MPa，击穿电压大于100 kV，玻璃化转变温度达到106 ℃，线膨胀系数仅为6.84×10-6；绝缘拉杆产品拉伸破坏强度为149 kN，机械性能裕度为1.5倍，且通过了1.2倍雷电冲击裕度试验。【结论】该复合材料具有优异的机械性能、电气击穿强度与热力学稳定性，不仅保证了绝缘拉杆的稳固性和耐久性，还提高了其在复杂环境中的可靠性和安全性，在绝缘拉杆领域具有良好的应用前景。

关键词：绝缘拉杆；复合材料；玻璃纤维；绝缘性能

中图分类号：TB332 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）17-0080-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.017

Research on the Properties of Glass Fiber Reinforced Epoxy Resin

Composite Materials

ZHANG Xiangke XU Pengfei DONG Baoying CHEN Shuancheng CHEN Chunhui

CHEN Kang

（Henan Pinggao Electric Co.， Ltd.， Pingdingshan 467001， China）

Abstract： [Purposes] This paper studies the application of glass fiber reinforced epoxy resin composites in the field of insulating rod. [Methods] Using 7628 glass fiber fabric as the reinforcing material and bisphenol A epoxy resin as the matri/+GmMlvET5gOBbE0qIclOg==x， epoxy glass fiber composites were prepared. The electrical， mechanical and thermodynamic properties of the composites were tested. Based on the experimental results， the performance characteristics of the composites were analyzed and compared with the performance parameters of product materials for the insulating rod. [Findings] The 7628 glass fiber reinforced epoxy resin composite material can achieve a tensile strength of 583 MPa， a flexural strength of 570 MPa， a shear strength of 53 MPa， a breakdown voltage greater than 100 kV， a glass transition temperature of 106 ℃， and a linear expansion coefficient of only 6.84×10-6. The insulating rod product has a tensile failure strength of 149 kN， a mechanical performance margin of 1.5 times， and has passed the 1.2 times lightning impulse margin test. [Conclusions] This composite material exhibits exceptional mechanical properties， electrical breakdown strength， and thermodynamic stability， not only ensuring the stability and durability of the insulating rod but also enhancing their reliability and safety in complex environments， which presents promising application prospects in the field of insulating rod.

Keywords： insulating rod; composite material; glass fiber; insulation performance

0 引言

绝缘拉杆是气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear，GIS）中关键的组成构件，其主要作用是将机械运动从接地部分传送到高电位部分，同时传递拉伸和扭转载荷，实现电气连接的通断。由于断路器操作中的分、合闸次数频繁，故要求绝缘拉杆有较高的绝缘性能、机械性能及良好的疲劳性能［1-2］。环氧树脂具有优良的力学性能、电气绝缘性能和良好的可加工工艺性，是电气设备绝缘材料的重要基体材料之一［3］。通过复合玻璃纤维增强材料可显著提高环氧树脂基体的机械性能。近年来，随着GIS向大容量化、小型化和高可靠性方向的发展，对绝缘拉杆的材料性能提出了更高的要求。

绝缘拉杆本体绝缘材料由玻璃纤维增强环氧树脂复合材料制备而成，其性能主要取决于玻璃纤维的力学性能，以及环氧树脂与玻璃纤维之间的界面结合性能［4］。随着玻璃纤维制造业的不断发展，很多具有特殊性能的玻璃纤维也先后开发出来，例如：高力学性能玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、耐化学腐蚀玻璃纤维，以及其他高性能纤维等［5］。目前国内绝缘拉杆生产厂家采用不同厚度的无碱无捻的玻璃纤维布，并对其表面进行偶联剂处理［6］。7628无碱玻璃布采用平纹编制方式，表面硅烷偶联剂处理，具有经纬向力学性能优异的特点。本研究选用7628玻纤布作为增强材料、双酚A型环氧树脂作为基体材料制备环氧玻纤复合绝缘拉杆，并研究复合材料的各项性能，旨在提高绝缘拉杆的综合性能。

1 试样制备及试验方法

1.1 原材料

该试验所用原材料分别为双酚A型环氧树脂型号为LY3572；固化剂型号为HY918；苄胺促进剂DY602由亨斯迈先进化工材料有限公司生产。玻璃纤维布型号为7628，由台嘉成都玻纤有限公司生产。

1.2 仪器与设备

该试验所用仪器与设备分别为真空浇注设备，由厦门维克机械设备有限公司生产；固化烘箱，型号为GHX-072，由江苏金环试验设备有限公司生产；万能力学测试仪，型号为CMT5105，由深圳新三思材料检测有限公司生产；超高阻测试仪，型号为EST-121，由北京冠测公司生产；耐压试验仪，型号为HYDY-100K，由长春市恒越电子科技有限公司生产；塑料介电性能测试仪，型号为QS87，由上海杨高电器有限公司生产；德国耐驰 TGA 209F3 热重分析仪及DIL 801膨胀仪。

1.3 样品制备方法

将玻璃纤维布紧密缠绕在表面处理过的模具芯轴上，随后将卷绕有玻纤布的芯轴装入模腔内锁紧模具后入炉抽真空预热，对玻纤布进行干燥除湿，以备浇注。

根据浇注用量，按树脂∶固化剂∶促进剂=100∶85∶0.5计算各组分的重量。首先称量树脂倒入真空浇注设备混料罐中，其次依次称量固化剂与促进剂并使两者混合均匀，倒入混料罐中，混料罐温度控制在（45±2） ℃，抽真空去除物料内部气泡，最后在60 ℃下开始浇注，120 ℃下固化12 h，固化完成后取出样品。

1.4 性能测试与表征

拉伸强度与泊松比测试：按照GB/T 1040.4—2006进行测试，样品尺寸为200 mm×20 mm×5 mm，哑铃形试样。

弯曲强度测试：按照GB/T 9341—2008进行测试，样品尺寸为80 mm×10 mm×4 mm。

剪切强度测试：按照JB/T 8150—1999进行测试。

电气绝缘性能测试：电气性能试验采取在管状绝缘拉杆样品上截取长度为25 mm的管状样品，按照GB/T 31838.2—2019进行测试。采用超高阻测试仪测试其体积电阻率；交流短时击穿电压，用电压击穿测试仪测定其击穿场强；用介质损耗测试仪测试介电特性。

热力学性能测试：利用热重分析仪对环氧玻纤复合材料的热分解行为、稳定性和玻纤含量进行分析，采用膨胀仪测定环氧玻纤复合材料的线膨胀系数，综合评估该复合材料的热稳定性。

2 结果与讨论

2.1 机械性能试验结果与分析

机械性能测试结果见表1。从表1可以看出，环氧玻纤复合材料的拉伸强度为583 MPa，泊松比为0.17，弯曲强度为570 MPa，剪切强度为53 MPa，该材料表现出优异的机械性能，玻璃纤维织物的加入显著增强了材料的各项力学性能。

拉伸破坏试样外观如图1所示。由图1可以直接观察到拉伸过后试样的明显破坏形态，从拉伸破坏试样侧面直观图可以看出，整个拉伸损伤过程中伴随着纤维与基体的开裂、界面脱黏、层间断裂、纤维的断裂等。纤维与树脂基体之间的孔隙、气泡等缺陷会在加载过程中继续扩展，进而造成材料的失效，降低材料力学性能。通过真空压力浸渍工艺可有效地减少复合材料内部的孔隙、气泡等缺陷，从而提高复合材料的力学性能。

2.2 电气绝缘性能试验结果与分析

电气绝缘性能试验结果见表2。从表2可以看出，环氧玻纤复合材料的平行层向击穿电压>100 kV，介质损耗因数为0.391，相对介电常数为4.39，体积电阻率为2.2×1016 Ω，复合材料呈现出优异的电气绝缘性能，可以满足绝缘拉杆的使用条件要求。

绝缘拉杆是利用真空压力浸渍成型工艺制备而成的环氧玻纤复合材料，其绝缘性能取决于环氧树脂。原材料确定后，环氧树脂与玻璃纤维之间浸润不均匀会导致复合材料内部形成气隙，而气隙的存在对材料电气性能影响较大［7］。本研究选用7628玻璃纤维布，该纤维布为后处理布，高温除蜡后又在其表面进行硅烷偶联剂处理，偶联剂的存在会在玻璃纤维的表面与树脂基体之间形成化学键，能够提高玻璃纤维与树脂之间的浸润性，减少浸渍过程材料内部缺陷的产生，进而提高复合材料的电气绝缘性能。

2.3 热力学性能试验结果与分析

GIS设备在运行过程中，由于电流和电压的作用，会产生一定的热量，这些热量会导致绝缘拉杆的温度升高，进而影响其电气性能和机械性能［8］。这就要求环氧玻纤复合材料具有较高的玻璃化转变温度，能够在高温下保持稳定。热力学性能测试结果见表3。从表3可以看出，该环氧玻纤复合材料的玻璃化温度为106 ℃，线膨胀系数仅为6.84×10-6，表明该复合材料随温度变化时体积变化小。玻璃纤维是一种低热膨胀系数的材料，其加入可以显著降低复合材料的热膨胀系数，提高材料的热稳定性。

一般来说，玻璃纤维的加入会使复合材料的热分解温度提高，这是因为玻璃纤维本身具有较高的热稳定性，它的加入能够延缓或阻碍环氧树脂基体的热分解过程。环氧玻璃纤维复合材料的热失重曲线如图2所示，由图2可知，在130～200 ℃之间出现轻微的质量损失，主要为材料吸附的水分、溶剂或其他挥发性组分；随着温度升高，环氧树脂中的官能团开始发生热分解反应，其分子链中的C—C键和C—O键在热能的影响下发生断裂，随着化学键的断裂导致环氧树脂分子链发生解构，进而引发更大规模的结构破坏［9］；当温度达到400 ℃时，环氧树脂交联点处的化学键逐渐断裂，导致交联结构的解体，此时分解速率达到最大；当温度达到500 ℃时，体系质量开始保持稳定，此时复合材料中的树脂基体已完全分解，残留部分为无机玻璃纤维，玻璃纤维含量可达74%。综合试验结果分析，7628玻璃纤维织物/环氧树脂复合材料具有优异的热稳定性能。

2.4 复合材料在GIS产品中的应用

利用该复合材料制备了252 kV GIS用绝缘拉杆，并对绝缘拉杆开展了产品机械性能与电气性能试验。试验结果表明：绝缘拉杆的拉伸破坏强度为149 kN，远大于技术条件要求的100 kN，机械强度裕度为1.5倍；在绝缘拉杆的电气性能方面，开展了工频耐压试验（460 kV）、局部放电试验、雷电冲击试验（1 050 kV）、工频耐压裕度试验、雷电裕度试验等，产品均通过试验验证，且在工频耐压裕度与雷电冲击裕度试验中，通过了1.2倍工频耐压裕度试验与1.2倍雷电冲击裕度试验。表明该复合材料制备的绝缘拉杆具有良好的机械性能和电气绝缘性能，可以满足绝缘拉杆实际运行工况所需。

a31e45ab29807f23a7ec703e1b5a76273 结论

本研究以双酚A型环氧树脂为基材、7628玻璃纤维织物为增强材料，制备了高玻纤含量的环氧树脂/玻纤复合材料。该复合材料具有良好机械强度与电气绝缘性能，其拉伸强度可达到 583 MPa，弯曲强度可达到570 MPa，平行层向击穿电压>100 kV，玻璃化转变温度达到106 ℃。由该复合材料制备的绝缘拉杆各项性能均可满足GIS用绝缘拉杆材料的性能参数要求，并具有一定的设计裕度，在绝缘拉杆材料领域具有良好的应用优势。

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收稿日期：2024-08-14

基金项目：550 kV断路器用方形绝缘拉杆关键制备技术研究项目（PGKJ2022-214）。

作者简介：张向可（1996—），女，硕士，助理工程师，研究方向：复合材料。