张震锋，白晓萍，惠 伟

（西安西电开关电气有限公司，西安 710077）

1 聚四氟乙烯的结构

聚四氟乙烯（PTFE）是白色腊状的热塑性塑料，具有高度的结晶性，熔点为327℃，熔点以上为透明状态，几乎不流动。它不被通常的化学药品侵蚀，仅被高温高压下的元素氟和熔融的碱金属所作用，其分子结构是完全对称而且没有支链的线型高分子，分子不具有极性，并且其分子结构中碳氟键是所有化学键中键能最高的，断开需要较大的能量，具有高度的稳定性；聚四氟乙烯晶态时为螺旋形结构，揉曲性高；氟原子的半径数值，可以把-C-C-键主链覆盖起来，氟原子壳保护着易受侵蚀的碳原子链，使PTFE耐化学药品腐蚀性能优良；PTFE有极强的碳-氟原子键，具有非常强的高温稳定性，同时与其他聚合物相比，它的熔融黏度也非常高[1-3]。

2 PTFE的性能

PTFE可在-250℃～260℃宽广的温度范围内使用，化学稳定性、电绝缘性、阻燃性和耐候性优异，吸水率极低，并具有自润滑性和不粘性等独特的性能，是其他工程塑料所无法比拟，广泛应用于开关设备中，通常用于导向支撑作用、耐磨、绝缘等方面，特别是作为断路器灭弧室开断用的关键零件即喷口材料，其性能直接影响着断路器的开断特性[4-8]。

研究PTFE材料以及填充剂的基础性能，主要包括如下电性能：（1）介电性能：PTFE分子链结构完全对称，分子不带极性，故具有良好的介电性能；（2）电阻：PTFE具有很高的体积电阻和表面电阻，表面电阻在不清洁的情况下会明显降低；（3）耐电弧性：PTFE在电弧作用下分解为不导电的低分子氟碳化合物气体，不炭化，在材料上并不残留导电性物质；（4）纯的聚四氟乙烯的主要性能、指标以及试验方法如表1所示[6]。

表1 聚四氟乙烯的主要性能、指标以及方法

3 聚四氟乙烯填充剂

PTFE材料属于结晶型高分子化合物，具有优异的电气绝缘性能，但当它们吸收能量温度上升后，会发生转变、松弛和分解等现象，影响其综合性能。为了进一步提高PTFE材料的强度、硬度、耐磨性能、耐高温以及耐烧蚀性能等，须对PTFE进行适当的改性，添加填充剂就是一种简单有效的改性方法，在PFTE中加入不同的填充剂，可使其物理以及力学性能明显改善。

（1）玻璃纤维：外观呈白色，具有良好的力学性能、耐磨耗性、尺寸稳定性及介电性能，耐强酸和强氧化剂，但不耐氟轻酸及碱，导热性差。玻璃纤维在水中不耐磨。

（2）石墨：呈铁黑色至钢灰色，具有良好的导电性、可塑性、润滑性，耐化学腐蚀，尤其能耐腐蚀性气体的腐蚀，但不耐强氧化剂，耐磨性也较差。

（3）二硫化钼：黑色稍带银灰色粉末，有金属光泽；溶于浓硫酸、浓硝酸和王水，它的摩擦系数较低，具有较好的分散性，导热性好，加入后能增加制品表面的硬度；是一种光吸收材料，加入PTFE后吸热均匀、分解均匀且仅限入表层，不会在内层产生崩爆，因此主要应用于灭弧的喷口材料。

（4）碳纤维：由合成纤维在特定高温条件下处理而得，具有优良的耐高温性能，导热性、耐化学介质腐蚀等性能。碳纤维不耐强氧化剂，但可提高聚四氟乙烯制品在空气或水中的耐磨性。具有良好的抗蠕变性，使用碳纤维时，拉伸强度比石墨更加优良。增加碳纤维后，具有抗高温以及耐烧蚀的作用，电弧分解物具有很好的绝缘性能，有助于介电性能的恢复，具有很高的电寿命，广泛应用于断路器灭弧的喷口材料。

4 试样准备

试验选择如表2所示的16种材料类型。试验材料由不同的厂家提供，分别称为厂家A、厂家B、厂家C，试样的种类、材料要求以及形状见表2。

表2 试样的材料要求及其形状

5 试验结果

针对所提供的试验样片，分别从添加物的含量、密度、拉伸强度、体积电阻、击穿场强、介电常数、耐电弧烧蚀深度等方面进行研究。

5.1 添加物含量测试

采用热失重法测量添加物含量，结果如图1所示。从图1可知，三家公司提供的样品成分含量虽有差异，但曲线趋势相似。

图1 添加物含量测量结果

5.2 密度检测

图2为密度测量结果。从图2可知，填料的加入对密度有明显影响。随着Al2O3填料加入比例增加，密度明显提高；随着碳纤维填料加入比例增加，密度降低趋势明显；其他填料的加入比例，对密度的影响不大。

图2 密度测量结果

5.3 拉伸强度试验

图3为拉伸强度测量结果。从图3可知，填料的加入，会降低聚四氟乙烯材料的拉伸强度；各种填料相比，石墨的添加对拉伸强度的影响明显，降低幅度最大；同种填料，随着填料比例的增大，拉伸强度呈明显的下降趋势。

图3 拉伸强度结果

5.4 拉断伸长率试验

图4为拉断伸长率测量结果。从图4可知，填料的加入，会降低聚四氟乙烯材料的拉伸强度；各种填料相比，石墨的添加对拉伸强度的影响更大；同种填料，随着添加比例的增大，拉伸强度呈明显的下降趋势。

图4 拉断伸长率结果

5.5 老化后拉伸强度变化率试验

图5为老化后拉伸强度变化结果。从图5可知，老化后拉伸强度不但没有降低，而且有增加趋势。厂家A提供的样品在14#点为负，变化率为降低趋势，而且整个拉伸强度图幅波动较大，这种现象应该与厂家提供的样片翘曲，烧结后冷却快有关相吻合。

图5 老化后拉伸强度变化结果

5.6 老化后伸长率变化率试验

图6为老化后伸长率变化结果。从图6可知，老化后伸长率不但没有降低，而且有增加趋势。厂家A的样品在14#点为负，变化率为降低趋势，而且整个图幅波动较大。这种现象应与样片翘曲，烧结后冷却快有关相吻合。

图6 老化后伸长率变化结果

5.7 体积电阻的试验

图7为体积电阻试验结果。从图7可知，填料的加入会明显影响试样的体积电阻；同种填料添加比例增加，对体积电阻的降低影响趋势增强；石墨的加入严重影响聚四氟乙烯体积电阻，由1014绝缘体等级转变为106导体等级，使聚四氟乙烯从绝缘体转变为导体。

图7 体积电阻试验结果

5.8 击穿场强试验

图8为击穿强度试验结果。从图8可知，石墨和碳纤维的加入，会使试样的击穿场强明显降低，尤其是石墨的加入，使聚四氟乙烯试样从绝缘体转化为导体。Al2O3、BN、MoS2、玻纤的加入比例不同，对击穿场强没有规律性影响。

图8 击穿强度试验结果

5.9 介电常数试验

图9为介电常数试验结果。从图9可知，石墨的加入，会使试样的介电常数明显降低。而Al2O3、BN、玻纤、碳纤维的添加比例增加，介电常数有明显的上升趋势。

图9 介电常数试验结果

5.10 耐电弧烧蚀深度试验

图10为耐电弧烧蚀深度试验结果。从图10可见，加入15%Al2O3后，耐电弧烧蚀深度较大。添加7%BN后，耐电弧烧蚀深度较小，耐电弧烧蚀性能优良。

图10 耐电弧烧蚀深度试验结果

6 结论

（1）在需要绝缘性能的场合，建议选用添加Al2O3、BN、MoS2的 PTFE材料，不能选取添加石墨的PTFE材料。

（2）使用场合对力学性能、耐磨耗性、尺寸稳定性及介电性能要求高者，建议选用添加玻璃纤维的PTFE材料。

（3）对于需要导热性优良、制品表面硬度要求高的场合，建议选用添加MoS2的PTFE材料。

（4）对于需要耐高温性能、耐化学介质腐蚀且对导热性有要求的使用场合，建议选用添加碳纤维的PTFE材料。