光固化表层功能梯度涂层构建方法及其固体绝缘部件技术

本发明专利技术提供了一种光固化表层功能梯度涂层及其构建方法，所述构建方法包括以下步骤：于待涂覆的区域，涂覆一层厚度不大于式4中的H0的涂料，采用光源进行光照固化，重复N

【技术实现步骤摘要】
光固化表层功能梯度涂层构建方法及其固体绝缘部件


[0001]本专利技术属于电气工程高电压输变电设备制造与运维领域，具体来讲，涉及一种固体绝缘部件，以及一种光固化表层功能梯度涂层的构建方法。

技术介绍

[0002]固体绝缘部件是电力设备、脉冲功率、航天器、高功率微波等运行于高电压/高电场的设备/装置中的核心部件，承担电气绝缘、机械支撑和单元隔离作用。绝缘材料、金属电极与气氛环境的介电常数/电导率等电学参数存在严重的不匹配问题，绝缘/金属/气体三结合点的位置上易于出现电场集中现象，大幅降低固体绝缘部件的电绝缘强度(尤其是沿面区域的绝缘强度)，是造成绝缘子故障/失效的主要原因。
[0003]近年来，表层功能梯度材料(Surface functionally graded material，SFGM)由于其显著的沿面绝缘强度提升效果，获得了学界/业界的广泛关注。表层功能梯度材料是一种在固体绝缘部件表面构建非均匀电学参数梯度的新型绝缘材料，具有不改变现有生产工艺、不降低部件力学强度、易于推广应用的优势。目前，SFGM的典型制备工艺包括磁控溅射、梯度氟化、梯度等离子体处理，等离子体辅助气相沉积等，上述方法虽各有优势，但存在设备成本高、工艺繁琐、效率低等问题，限制了SFGM的推广应用。
[0004]专利技术专利CN202010006981.6公开了一种采用光敏涂料分区固化进行介电梯度涂层的制备方法，上述专利中所采用的涂料为光敏树脂和高介电常数/高电导率填料的复合产物，并使用355～405nm的紫外/可见光照进行涂层固化，为了获得优良的沿面绝缘提升效果，光敏涂层厚度一般不低于0.1mm，但现有技术中厚度很少能达到0.2mm，更不用说厚度0.2mm以上。然而，涂料中的高介电常数填料(包括TiO2、SrTiO3、BaTiO3等)和高电导率填料(包括炭黑、碳纳米管、石墨烯、ZnO、SiC等)与光敏树脂之间存在显著的折射率差异，对入射光照的散射效应极其显著。同时，高介电常数/高电导率材料较低的禁带宽度(<4eV)亦使其对上述波段的紫外/可见光照具有较强的吸收作用。散射与吸收效应的共同作用，削弱了光固化过程中涂层内部区域的光辐照强度，使光敏材料仅在表层区域(厚度不超过0.1mm)得到充分固化，厚度超过0.1mm的内部区域往往仍旧处于液态，大幅限制了绝缘强度的提升，也难以获得良好的界面结合力，严重限制了光固化SFGM涂层的推广应用。

技术实现思路

[0005]经专利技术人分析：对于这一问题，直观的解决方法为增大入射光的光照能量E＝Pt，具体实施方案有增大面功率密度P、延长固化时间t等，然而，光固化涂料的单层固化厚度d与光照能量E之间满足d＝klnE+b的对数关系，单层固化厚度d的提升速率随着光照能量E的增加而逐步放缓乃至停滞，提升效果存在饱和现象。因此，在高介电常数/高电导率填料含量较高时，若仍想通过单次光固化获得厚度大于0.1mm的涂层，往往需要极高的光照能量E。若面功率密度P受到设备和材料限制(例如不能超过50mW/cm2)，则上述涂层的构建往往意味着极长的曝光时间(t>104h)，显然不具有应用可行性。
[0006]为了解决光固化SFGM涂层的上述工艺难题，本专利技术提出了一种基于多层叠加的光固化表层功能梯度涂层高效构建方法，将现有工艺中的厚涂层单次固化转变为薄涂层多次叠加固化，通过降低单个叠层的固化厚度，达到大幅降低固化时间、提升沿面绝缘强度、提高涂层
‑
基体界面结合力的有益效果，为光固化介电梯度涂层的推广应用提供高效、低成本的实施方案，为固体绝缘部件的可靠性提升提供创新的解决思路。
[0007]本专利技术所采用的技术方案为：
[0008]本专利技术一方面提供一种光固化表层功能梯度涂层构建方法，所述构建方法包括以下步骤：
[0009]于待涂覆的区域，涂覆一层厚度不大于式4中的H0的涂料，采用光源进行光照固化，重复N
‑
1次所述涂覆和所述光照固化后，在待涂覆的区域得到总厚度为H的涂层。
[0010]其中，式4中的X通过式3求出。
[0011]其中，式3中的涂料固化参数透射深度系数D
p
和临界曝光率E
c
通过式2求出。
[0012]其中，斜率K和截距B的确定方式为：将光固化涂料使用光源进行照射一定时间t
i
，照射过程中固定光源在涂料表面处的面功率密度P，照射完毕后，测量涂层固化厚度D
i
。计算出固化时间t
i
下的光照能量E
i
，将D
i
和E
i
数据作D
i
‑
lnE
i
图，将图中的数据点进行线性拟合，得到所述斜率K和所述截距B。
[0013]其中，
[0014]式4为
[0015]式3为
[0016]式2为
[0017]其中，i为次数，所述i不小于3；t
i
为固化时间，s；E
i
为光照能量，mJ/cm2；P为面功率密度，mW/cm2；E
c
为临界曝光率，mJ/cm2；D
p
为透射深度系数，mm；N为涂覆层数；H0为单层厚度，mm；H为涂层总厚度，mm；T
mid
为多层叠加过程中，相邻叠层固化操作之间的切换时间，s。
[0018]在本专利技术的一个示例性实施例中，所述光固化表层功能梯度涂层构建方法还可包括将所述得到总厚度为H的涂层的步骤进行M次，M大于等于2，且所述M次中的各次的总厚度H根据涂料组分的变化而变化，例如，M次中总厚度H的变化次数至少为两次。
[0019]本专利技术的另一方面提供一种固体绝缘部件，所述固体绝缘部件包括至少一层或者5～15层采用上述构建方法制备得到的光固化表层功能梯度涂层。
[0020]由于采用了上述技术方案，本专利技术至少取得以下有益效果：
[0021](1)本专利技术采用的光固化表层功能梯度涂层构建方法，解决了现有光固化SFGM技术中表面层制备时间过长，难以单次获得较厚涂层的技术问题。
[0022](2)制造效率高：采用多层叠加方法，规避较厚涂层进行光固化操作中固化时间过长的问题。例如，光源波长405nm，面功率密度50mW/cm2，涂层材料含有较高含量(例如20vol％)的钛酸钡填料，仍然能在10min内完成0.3mm厚度的涂层构建，而采用单层固化方法，对于同样厚度的涂层，所需的固化时间则在89000h以上。
[0023](3)耐电强度高：采用该方法制备得到的SFGM涂层可有效提升固体绝缘部件的沿
面闪络电压。例如，光源波长405nm，面功率密度50mW/cm2，涂层材料含有较高含量(例如20vol％)的钛酸钡填料，在0.3MPa，SF6气体氛围下，将沿面闪络电压提升了21.9％。
[0024](4)界面结合力强：本专利技术在T0的固化时间下，相同光照强度和光照本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光固化表层功能梯度涂层构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：于待涂覆的区域，涂覆一层厚度不大于式4中的H0的涂料，采用光源进行光照固化，重复N
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1次所述涂覆和所述光照固化后，在待涂覆的区域得到总厚度为H的涂层；其中，式4为且式4中的X通过式3求出；式3为且式3中的涂料固化参数透射深度系数D
p
和临界曝光率E
c
通过式2求出；其中，i为次数，所述i不小于3；t
i
为固化时间，s；E
i
为光照能量，mJ/cm2；P为面功率密度，mW/cm2；E
c
为临界曝光率，mJ/cm2；D
p
为透射深度系数，mm；N为涂覆层数；H0为单层厚度，mm；H为涂层总厚度，mm；T
mid
为多层叠加过程中，相邻叠层固化操作之间的切换时间，s；式2为其中，斜率K和截距B的确定方式为：将光固化涂料使用光源进行照射一定时间t
i
，照射过程中固定光源在涂料表面处的面功率密度P，照射完毕后，测量涂层固化厚度D
i
；计算出固化时间t
i
下的光照能量E
i
，将D
i
和E
i
数据作D
i
‑
lnE
i
图，将图中的数据点进行线性拟合，得到所述斜率...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文栋，张宇程，刘瑞轩，李金殊，王超，孙鹏，邓军波，穆海宝，张冠军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：