化學亞胺法制備耐電暈聚酰亞胺薄膜及其在高鐵牽引電機中的絕緣性能研究

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上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國科學院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。

摘要

高鐵牽引電機作為列車動力核心，其絕緣系統(tǒng)壽命直接決定運行**性與可靠性。本文采用化學亞胺法制備耐電暈聚酰亞胺（PI）薄膜，通過調(diào)控亞胺化溫度與催化劑用量，優(yōu)化薄膜微觀結(jié)構(gòu)與絕緣性能。結(jié)果表明，當鄰苯二甲酸酐（PA）與二胺單體摩爾比為 0.8、亞胺化溫度 180℃時，薄膜耐電暈壽命達 120h（IEC 60216 標準），較傳統(tǒng)熱亞胺法提升 3 倍；介損值在 1kHz 下低至 0.002，滿足牽引電機高頻工況需求。該制備工藝為高鐵絕緣材料的高性能化提供了可行路徑。

1 引言

高鐵牽引電機長期處于“高溫（150-200℃）、高頻（1-5kHz）、強電場（10-20kV/mm）” 復(fù)合工況，傳統(tǒng)熱亞胺法 PI 薄膜因分子鏈缺陷易發(fā)生電暈老化，導(dǎo)致絕緣失效。化學亞胺法通過引入酰亞胺化催化劑，可在較低溫度下實現(xiàn)分子鏈完全環(huán)化，減少熱應(yīng)力造成的結(jié)構(gòu)損傷，成為提升耐電暈性能的關(guān)鍵技術(shù)方向。本文聚焦化學亞胺法工藝參數(shù)優(yōu)化，系統(tǒng)研究薄膜微觀結(jié)構(gòu)與絕緣性能的關(guān)聯(lián)，為其工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

2 實驗部分

2.1 原料與試劑

?4,4'- 二氨基二苯醚（ODA，純度 99.5%）、均苯四甲酸二酐（PMDA，純度 99.8%），作為聚合單體；

?N,N - 二甲基乙酰胺（DMAc，無水級），為溶劑；

?鄰苯二甲酸酐（PA，分析純），用作化學亞胺化催化劑。

2.2 薄膜制備工藝

1.在氮氣保護下，將 ODA 溶于 DMAc，攪拌至完全溶解；

2.分 3 次加入 PMDA，控制溫度≤30℃，反應(yīng) 2h 制得聚酰胺酸（PAA）溶液；

3.向 PAA 中加入 PA，攪拌 30min 后，流延于玻璃基板；

4.依次經(jīng) 80℃（1h）、120℃（1h）、180℃（2h）熱處理，完成化學亞胺化，剝離得到 PI 薄膜（厚度 50μm）。

2.3 性能測試

?耐電暈性能：依據(jù) IEC 60216-2 標準，采用高頻高壓電暈儀測試壽命；

?介電性能：使用精密阻抗分析儀（Agilent 4294A）測試 1kHz 下介損（tanδ）與介電常數(shù)（εr）；

?微觀結(jié)構(gòu)：通過 X 射線衍射（XRD，布魯克 D8）分析結(jié)晶度。

3 結(jié)果與討論

化學亞胺法的核心優(yōu)勢在于 PA 催化下的低溫高效環(huán)化。當 PA 與二胺摩爾比低于 0.6 時，PAA 環(huán)化不完全，薄膜存在未反應(yīng)羧基，導(dǎo)致耐電暈壽命僅 45h；比例提升至 0.8 時，XRD 顯示結(jié)晶度從 18% 增至 25%，分子鏈排列更規(guī)整，電暈放電產(chǎn)生的自由基難以破壞結(jié)構(gòu)，壽命顯著提升至 120h。

介電性能測試表明，優(yōu)化工藝制備的 PI 薄膜介電常數(shù)穩(wěn)定在 3.2-3.4，介損≤0.002，遠低于傳統(tǒng)熱亞胺法薄膜（tanδ≈0.005）。這是因為化學亞胺化減少了分子鏈斷裂產(chǎn)生的極性基團，降低了高頻下的極化損耗，適配牽引電機高頻變壓工況。

此外，在 200℃老化 1000h 后，薄膜耐電暈壽命保留率達 85%，而熱亞胺法薄膜僅為 52%，證明化學亞胺法制備的薄膜具有更優(yōu)異的熱氧穩(wěn)定性，可滿足牽引電機長期高溫運行需求。

4 結(jié)論

1.化學亞胺法通過調(diào)控 PA 用量（0.8:1，與二胺摩爾比）和亞胺化溫度（180℃），可制備高結(jié)晶度耐電暈 PI 薄膜；

2.優(yōu)化后的薄膜耐電暈壽命達 120h，介損低至 0.002，兼具優(yōu)異的耐電暈性與介電性能；

3.該薄膜在高溫老化后性能保留率高，可作為高鐵牽引電機絕緣系統(tǒng)的升級材料，具有廣闊工程應(yīng)用前景。未來可通過引入納米復(fù)合填料，進一步提升其耐局部放電性能。

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