韩星，刘晨阳，徐位宏

（合容电气股份有限公司，西安 710200）

引言

随着电力事业的不断发展，干式空心电抗器在电力领域中的应用越来越广泛。干式空心电抗器绕组外部用浸渍环氧树脂的玻璃纤维缠绕严密包封，起到保护匝间绝缘和支撑结构的作用。但是，环氧树脂/酸酐体系固化物的实际强度低于理论强度，主要原因是固化物产物中存在较大且不均匀分布的残余应力。残余应力使产品易出现裂纹、受力变形等问题，最终导致产品故障或烧毁，影响到设备的安全运行。不同的固化和冷却工艺会使固化物产生的内应力不同，因此，研究环氧树脂玻纤复合材料的固化工艺与冷却工艺对制品力学性能的影响具有重要的工程意义和实用价值。

本研究分别采用四种不同的固化冷却工艺制备环氧树脂玻纤复合材料板，测试样品层间剪切强度和耐应力开裂性能，研究不同固化冷却工艺与剪切强度、耐应力开裂能力之间的关系。

1 试验

1.1 复合材料板材的制备

1.1.1 配方

环氧树脂（南亚电子材料有限公司，127E）∶固化剂（甲基四氢苯酐，嘉兴南洋万事兴化工有限公司）∶促进剂（2-乙基-4甲基咪唑，南京蓝碧安生化科技有限公司）=100∶75∶1。

1.1.2 制备方法

（1）按照上述比例配制环氧/酸酐树脂并搅拌均匀，待用。

（2）将成捆的玻璃纤维纱放入恒温为70℃的烘箱中，放置24 h，以除去纤维中的水分。

（3）利用湿法缠绕工艺在纤维排布机上缠绕成型，将配好的环氧/酸酐树脂倒入浸胶槽中，然后在辊轮的牵引下，玻璃纤维纱经过胶槽，浸润环氧/酸酐树脂后，将其引至到圆辊筒上，圆辊筒的不断转动使纤维依次缠绕到圆辊筒上，在传动装置的作用下，纤维导向平台同时会横向运动，从而形成厚度均一、一定厚度的预浸纱。

（4）缠绕完成后，利用割刀将浸胶后的纤维从圆辊筒上切割下来，得到玻璃纤维预浸纱，尺寸约1900 mm×400 mm×2.5 mm，如图1所示。经裁剪、平铺得到厚度均一的预浸料，放入预先准备的固化模具中。

图1 玻璃纤维预浸料

（5）分别以四种不同的固化冷却工艺制备环氧树脂玻纤复合材料板材，固化后得到的板材尺寸约为400 mm×220 mm×9.5 mm，如图2所示。具体的固化和冷却工艺见表1。

表1 固化和冷却工艺

图2 固化后的复合材料板材

1.2 测试

含胶量测试：将四种不同固化、冷却工艺的复合材料板材分别裁切制样、称重，并分别放入已编号的坩埚中；将装有样品的坩埚放置在茂福电阻炉中，调节温度至800℃，恒温6 h，随炉降至室温，将此坩埚移至干燥器中；分别称量装有样品的坩埚的质量、移除样品后的坩埚质量，计算此复合材料板材的含胶量。确定制备的复合材料板材的含胶量是否符合所要求的含胶量，即25%～35%。

层间剪切强度测试：制备尺寸约为60 mm×20 mm×10 mm的复合材料板，并放置于电热恒温鼓风干燥箱中，70℃下恒温24 h。在CMT5105GL 100 kN万能试验机上测试层间剪切强度。

耐应力开裂性能测试：将尺寸为50 mm×50 mm的试样在可加热的焊锡炉中测试层间剪切强度。将焊锡炉中的锡介质加热至288℃，待测试样悬浮于锡浴之上，每隔3 min～5 min观察试样表面是否有裂纹产生，观察时间不超过10 s，直至试样表面出现裂纹，停止试验并记录试验结果。

DMA测试：通过不同固化冷却工艺制备的环氧树脂玻纤复合材料板材的储能模量来验证其耐应力开裂性能与不同的固化工艺之间的关系。利用动态粘弹谱仪（美国TA公司，Q800DMA）测试，其中，加载模式为单臂三点弯曲，扫描模式为温度扫描，频率为1 Hz，记录储能模量、阻尼因子与温度的关系曲线。

2 结果与分析

2.1 复合材料板材的含胶量

4种不同固化、冷却工艺的复合材料板材含胶量测试结果列于表2。

表2 不同工艺复合材料板的含胶量试验结果

从表2可知，阶梯固化工艺+缓慢冷却工艺制备的含胶量最高，胶液损失最小。

2.2 复合材料板的层间剪切强度

复合材料板材的层间剪切强度试验数据如表3所示。

表3 复合材料板材的层间剪切强度试验结果

由表3可知，阶梯固化工艺和缓慢冷却工艺得到的环氧树脂玻纤复合材料层间剪切强度最高，达52.29 MPa，较一步法固化和快速冷却工艺的42.88 MPa提高了23.5%，同时可以看出阶梯固化工艺和缓慢冷却工艺二者具有协同作用，均能提高环氧树脂玻纤复合材料的层间剪切强度。分析试验结果，环氧树脂体系在固化过程发生的交联反应是一个放热过程，该过程经历的时间和温度变化对成型体的层间剪切强度有较大的影响。一方面，环氧树脂体系固化时从凝胶阶段开始至固化完成全程均处于放热阶段，放热就意味着体系中各组分进行着化学反应，不同温度处的放热量不同，并且有一峰值，该处放热量最大，反应最为剧烈，所以根据环氧树脂体系放热的特征，且前期进行了相关的DSC放热及凝胶试验，以此为基础制定了不同温度、不同时间的阶梯固化工艺，主要是为了保证环氧树脂体系在固化过程中关键的凝胶点、放热峰点及放热终点均进行充分的反应，确保各组分分子链充分地发生交联反应，交联密度越大，其微观体现为三维网状结构越致密，宏观则体现为层间粘接力越强，剪切强度越大，耐开裂性能越好；另一方面，降温过程中快速冷却时，环氧树脂体系固化物的大分子链段重排松弛过程滞后于温度变化的速度，致使聚合物的结晶温度降低，结晶不均匀，最终体现为材料脆性大，同时，环氧树脂体系固化物冷却过程实际上是体积收缩的过程，冷却速度越快，其体积收缩变化越快，分子链排列混乱，相互排斥，最终导致制品中易出现较大内应力，这均是内部宏观或微观的组织发生了不均匀的体积变化而产生的。相反，采用缓慢冷却工艺就可以很好地避免上述现象，最终体现为环氧树脂玻纤复合材料层间剪切强度较快速冷却提高了11%左右。

2.3 复合材料板材的耐热应力开裂性能

四种固化冷却工艺成型的复合材料板材的耐热应力开裂性能见表4。

表4 不同工艺成型的复合材料板材的耐热应力开裂性能

由于环氧树脂/酸酐体系的耐热性较低，在288℃下测试，树脂发生降解，在表4中，阶梯固化+缓慢冷却工艺制备的复合材料板材出现裂纹的时间最长，表现为耐热应力开裂的能力最强，但这不能完全反映该树脂体系的耐热应力开裂能力。因此，本研究进一步采用DMA方法来测试其耐热应力开裂能力随温度的变化规律。

2.4 复合材料板的DMA测试

对四种固化冷却工艺制备的复合材料样件进行DMA测试，记录储能模量-时间曲线，结果如图3所示。

图3 不同固化工艺复合材料板材的DMA曲线

分析不同固化冷却工艺的环氧树脂复合材料的储能模量-温度曲线可知，随着温度的不断升高，复合材料的储能模量下降，不同固化工艺复合材料板材的最大储能模量按从大到小排列为：阶梯固化+缓慢冷却＞阶梯固化+快速冷却＞一步法固化+缓慢冷却＞一步法固化+快速冷却。不同成型工艺制备的复合材料的储能模量曲线的斜率与最大储能模量的趋势一致，说明阶梯固化工艺和缓慢冷却工艺较一步法固化和快速冷却工艺可提高复合材料板材的耐热应力开裂性能，并且阶梯固化工艺在复合材料板材耐热应力开裂性能上起主要影响作用，冷却工艺起次要作用。其原因为：一步法固化工艺会使固化物的内应力瞬间增大，内应力分布不均，易产生应力集中；阶梯固化工艺使环氧体系在低温下的反应较为缓慢，环氧树脂先由小分子结构逐步交联变为链状结构，环氧体系在高温下逐步转为体型结构，整个固化反应过程平缓，环氧体系的交联密度大，且不易产生应力集中现象，使复合材料板材的耐热应力开裂性能更优。此外，阶梯固化工艺在低温下有一个保温过程，使环氧树脂和玻璃纤维纱的浸透性好，二者的界面结合性更好，因此复合材料板材的耐热应力开裂性能更优。快速冷却工艺由于降温速度过快，聚合物结晶不均匀，环氧树脂易出现应力集中；而缓慢冷却工艺使固化物结晶完整，并且可以减小环氧树脂的体积收缩率，从而减小内应力的产生，可提高环氧树脂复合材料的耐热应力开裂性能。

分析不同固化冷却工艺的环氧树脂复合材料的阻尼因子-温度曲线可知，随着温度的不断升高，复合材料的阻尼因子先增大后减小，阻尼因子增大说明损耗模量较储能模量增长得更快，四种成型工艺制备的复合材料的最大阻尼因子按从小到大排列为：阶梯固化+缓慢冷却＜阶梯固化+快速冷却＜一步法固化+缓慢冷却＜一步法固化+快速冷却，这说明阶梯固化+缓慢冷却工艺制备的复合材料的弹性成分更多，其耐热应力开裂性能最好。阻尼因子-温度曲线的峰值为环氧树脂复合材料的玻璃化转变温度，四种成型工艺制备的复合材料的玻璃化转变温度按从高到低排列为：阶梯固化+缓慢冷却（166℃）＞阶梯固化+快速冷却（162℃）＞一步法固化+缓慢冷却（154℃）＞一步法固化+快速冷却（149℃），表明阶梯固化工艺和缓慢固化工艺均能提高复合材料的玻璃化转变温度，这是由于阶梯固化工艺可提高复合材料的交联密度，使复合材料的玻璃化转变温度升高，而缓慢冷却工艺使聚合物结晶完整、均匀，因此可提高材料的玻璃化转变温度。

3 结论

阶梯固化工艺、缓慢冷却工艺较一步法固化工艺、快速冷却工艺能提高环氧树脂体系的玻纤增强复合材料的层间剪切强度和耐应力开裂性，二者具有协同作用。阶梯固化工艺在复合材料性能上起主要作用，冷却工艺对性能的影响起次要作用。综合考虑复合材料层间剪切强度和储能模量完全释放时间，推荐成型工艺为阶梯固化+缓慢冷却，若为了提高生产效率，也可采用阶梯固化+快速冷却工艺。