纳米SiO2对PMIA绝缘纸力学性能和热稳定性的提升研究
特高压的时代使得电网的安全运行面临着更高的要求和更严峻的挑战。作为电网核心设备之一的大型电力变压器，其内部的主要绝缘材料是油纸绝缘。在变压器运行过程中，油纸绝缘逐渐老化，由于绝缘纸包裹在绕组上，很难通过更换的方式来解决其老化问题。因此，增强绝缘纸的性能对于提高变压器的使用寿命，保障特高压电网的安全运行有着重要意义。近年来，利用纳米粒子改性绝缘材料逐渐成为具有重大理论及实际意义的研究热点。目前，国内外主要通过宏观试验对纳米粒子改性绝缘纸的效果进行分析，由于宏观试验的局限性，无法对宏观现象背后的微观机理进行探究，而分子模拟技术却能深入到微观层面揭示微观机理。 因此，本文以变压器用间位芳纶（PMIA）绝缘纸为研究对象，通过添加纳米SiO2粒子对其进行改性，以分子动力学模拟为工具，针对改性和未改性间位芳纶绝缘纸的力学性能和热稳定性进行研究，得到的主要结论如下： （1）针对力场选择的研究表明，相较于PCFF力场，在COMPASS力场下得到的各力学参数的偏差值波动较小，说明在 COMPASS力场下所得到的模拟结果更加稳定、可靠。 （2）针对 SiO2粒子的半径对间位芳纶力学性能和热稳定性的影响研究表明，纳米 SiO2粒子与间位芳纶纤维分子间的结合能随着纳米粒子半径的增加而增大，诱导力是二者结合的主要作用形式。温度的升高使改性与未改性模型的刚性减弱，而延展性和韧性得到增强。纳米 SiO2粒子的加入不仅能有效改善芳纶纤维的力学性能，增加材料的刚性和抗压缩性，还能降低间位芳纶纤维链运动的剧烈程度，提升芳纶纤维的热稳定性。在本文研究的模型中，半径为6 的纳米 SiO2粒子对间位芳纶纤维的力学性能和热稳定性的提升效果最好。 （3）通过分子动力学模拟和试验相结合的方式，对SiO2粒子的含量对间位芳纶力学性能和热稳定性的影响研究表明，随着温度的增加，纳米 SiO2和间位芳纶纤维之间的相互作用减弱。纳米SiO2粒子的加入能有效改善芳纶纤维的力学性能，添加量为1wt.%的纳米 SiO2对模型整体的力学性能的提升效果相对最好。纳米粒子的加入降低了模型链运动的剧烈程度，有效提升了模型的热稳定性。通过宏观试验对纸张抗张强度的测试结果表明，当纳米 SiO2粒子的添加量为1wt.%时，纸张的抗张强度达到最大值，相较于未改性间位芳纶纸提高了4.9%。 （4）针对水分对改性和未改性间位芳纶力学性能和热稳定性的影响研究表明，随着水分含量的增加，间位芳纶纤维抗形变的能力减弱，而可塑性和延展性得到增强。同时，间位芳纶纤维的均方位移和自由体积随水分含量的增加呈现增大的趋势，即间位芳纶的热稳定性降低。纳米 SiO2粒子的加入使改性模型的刚性、可塑性以及热稳定性较未改性模型均有所提升。
纳米二氧化硅;力学性能;热稳定性;电力变压器;绝缘纸
西南大学
硕士
农业电气化与自动化
唐超
2017
中文
TM215.6;TM41
80
2018-04-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）