本发明公开介电功能梯度绝缘子的叠层制造方法，在传统绝缘子的基础上通过分层叠加的制造方式得到介电参数梯度变化的绝缘子。制备方法包括以下步骤：(1)求解填料体积分数；(2)计算各层树脂混合料内各原料的质量比；(3)制备不同填料填充比例的树脂混合料；(4)真空搅拌脱气；(5)将上述混合料按所需顺序在模具中逐层叠加；(6)在高温环境下对绝缘子进行二次固化并脱模。本发明中的这种绝缘子可以实现介电参数在绝缘子内部的梯度变化，从而提高绝缘子的耐电性能。
1.介电功能梯度绝缘子的叠层制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将绝缘子分成若干层，每层均由树脂基体及填料混合而成的树脂混合料构成；
若干层的介电参数值呈梯度分布，根据每层的介电参数值计算各层树脂混合料中填料体积分数；
步骤2、树脂基体包含环氧树脂及固化剂，两者的质量比为100:(30～100)；根据各层树脂混合料中填料体积分数，结合树脂混合料内各类原料的密度值，计算各层树脂混合料的原料质量配比；
步骤3、按照步骤2计算的各层树脂混合料的原料质量配比，制备各层所需要的树脂混合料；各层所需要的树脂混合料中填料的质量比例由步骤1确定；
步骤4、将各层所需要的树脂混合料置于真空腔内，加热至80℃，并在真空腔内搅拌树脂混合料，使填料均匀分散，并充分去除其中的气泡；
步骤5、向各层所需要的树脂混合料中滴入固化促进剂；将各层所需要的树脂混合料依次逐层倒入绝缘子模具内，进行逐层梯度绝缘子的制备；每次倒入一层之后升温至120℃并静置5～30min，待该层树脂原料凝胶化之后，再倒入下一层，并重复上述升温及静置过程；
步骤6、将制备得到的绝缘子加热至120℃进行二次固化，固化时间5h以上，固化后脱模制得介电功能梯度绝缘子。
2.根据权利要求1所述的介电功能梯度绝缘子的叠层制造方法，其特征在于，步骤1中填料体积分数的计算方法如下：首先，给定绝缘子内部每层的介电常数或电导率值；其次，根据公式(1)的非对称Bruggeman有效介质方程，求解相应每层的填料体积分数：式(1)中，φt为所求的填料体积分数，取值在0～1之间；k为步骤1中给定的介电参数值；
所述介电参数值为介电常数或电导率；kj为树脂基体的介电参数值；kt为填料的介电参数值；α为与填料形状有关的系数，取值范围为0～1。
3.根据权利要求2所述的介电功能梯度绝缘子的叠层制造方法，其特征在于，步骤2中原料质量配比的计算方法如下：首先，根据步骤1中得到的填料体积分数φt，求解填料质量分数，计算公式如式(2)所示：式(2)中，θt为填料质量分数，取值在0～1之间；ms为环氧树脂的质量份数，单位为g；mg为固化剂的质量份数，单位为g；ρt、ρs、ρg依次为填料、环氧树脂及固化剂的密度，单位为g/cm3；
其次，根据填料质量分数θt，求得树脂混合料的质量比例，具体如式(3)所示：式(3)中，Ps、Pg、Pt分别为环氧树脂、固化剂及填料的质量比例。
4.根据权利要求1所述的介电功能梯度绝缘子的叠层制造方法，其特征在于，步骤4中在真空腔内使用机械搅拌方式处理树脂混合料，处理时间为0.5～1h，真空腔中气压小于
5.根据权利要求1所述的介电功能梯度绝缘子的叠层制造方法，其特征在于，树脂基体中，环氧树脂为E-44或E-51树脂，固化剂为酸酐类固化剂，固化促进剂为2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚，固化促进剂质量为树脂混合料质量的0.15％。
6.根据权利要求1所述的介电功能梯度绝缘子的叠层制造方法，其特征在于，固化剂为甲基四氢苯酐或甲基六氢邻苯二甲酸酐。
7.根据权利要求1所述的介电功能梯度绝缘子的叠层制造方法，其特征在于，所述填料为氧化锌、二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、钛酸钡、二氧化钡、锆钛酸铅、二氧化锡、掺锑二氧化锡、掺锡氧化铟、碳化硅、GaAs、CuBr、炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中一种或多种的复合，填料形态为圆球状、片状或纤维状，填料粒径范围为0.1～100μm。
8.根据权利要求1所述的介电功能梯度绝缘子的叠层制造方法，其特征在于，所述绝缘子模具的材质为不锈钢，具有圆台状或圆柱状空腔。
介电功能梯度绝缘子的叠层制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高电压设备制造领域，具体涉及介电功能梯度绝缘子的制造方法。【背景技术】
[0002] 在超/特高压电力设备及脉冲功率设备中，固体绝缘系统的放电破坏时有发生，此类破坏事故往往由电场不均匀带来的绝缘耐电性能薄弱造成，给设计、制造带来很高的技术难度和成本，严重危及系统的安全可靠运行，并限制了设备向“小型化”、“集成化”方向进一步发展。
[0003] 一般认为，电场分布不均匀是导致绝缘击穿破坏、耐电特性差的重要原因。对于绝大多数的超/特高压电力设备及脉冲功率设备，其绝缘所承受的电场分布往往极不均匀，特别是绝缘结构不同材料之间的结合处(如金属导体、固体绝缘与气、液、真空等构成的复合绝缘系统的界面和表面)，由于材料介电参数的急剧变化，往往承受数倍于平均场强的电场强度。过于集中的电场强度不仅会降低绝缘子的沿面闪络电压，减弱其耐电性能，而且会带来绝缘子的局部放电，加剧绝缘材料的老化。
[0004] 针对绝缘子内部及其沿面局部电场集中的问题，传统的解决方法主要是通过增大绝缘尺寸、改变电极-介质结构来改善电场分布，传统方法起到效果往往有限，而且过于复杂的绝缘结构不仅给生产制造带来很大的难度，同时也会带来很多附生问题。“功能梯度材料”(Functionally Graded Material,FGM)的出现为解决这一问题提供了一种全新的思路。该类材料在制备过程中，通过使用先进的工艺，将不同性能的材料进行复合，并使材料特性在材料内部不同空间位置上呈现连续梯度变化，以“主动”地克服局部应力集中问题。
[0005] FGM的概念也可以引入高电压设备制造领域，因为根据电磁场理论，若能适当增大电场局部集中区域的介电常数/电导率，就可以降低该区域的电场强度，达到均化电场分布的目的。目前，FGM材料的制备方法主要包括气相沉积法、等离子喷涂法、自蔓延高温合成法、粉末冶金法等，这些方法适用于金属、陶瓷类FGM材料的制备，不适用于主要以环氧树脂为代表的聚合物复合材料构成的高电压设备绝缘子。因此，需要研发针对聚合物复合材料FGM绝缘子的制备工艺，以满足当代及未来高电压设备进一步发展的需要。【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供介电功能梯度绝缘子的叠层制造方法，通过分层叠加的方式使得绝缘子内部的填料浓度呈阶梯状的空间分布，以使绝缘子介电参数值(介电常数或电导率)在空间上产生梯度变化，最终实现介电功能梯度绝缘子的制备。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] 介电功能梯度绝缘子的叠层制造方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤1、将绝缘子分成若干层，每层均由树脂基体及填料混合而成的树脂混合料构成；若干层的介电参数值呈梯度分布，根据每层的介电参数值计算各层树脂混合料中填料体积分数；
[0010] 步骤2、树脂基体包含环氧树脂及固化剂，两者的质量比为100:30～100；根据各层树脂混合料中填料体积分数，结合树脂混合料内各类原料的密度值，计算各层树脂混合料的原料质量配比；
[0011] 步骤3、按照步骤2计算的各层树脂混合料的原料质量配比，制备各层所需要的树脂混合料；各层所需要的树脂混合料中填料的质量比例由步骤1确定；
[0012] 步骤4、将各层所需要的树脂混合料置于真空腔内，加热至80℃，并在真空腔内搅拌树脂混合料，使填料均匀分散，并充分去除其中的气泡；
[0013] 步骤5、向各层所需要的树脂混合料中滴入固化促进剂；将各层所需要的树脂混合料依次逐层倒入绝缘子模具内，进行逐层梯度绝缘子的制备；每次倒入一层之后升温至120℃并静置5～30min，待该层树脂原料凝胶化之后，再倒入下一层，并重复上述升温及静置过程；直到所有层凝胶化之后获得绝缘子；
[0014] 步骤6、将制备得到的绝缘子加热至120℃进行二次固化，固化时间5h以上，固化后脱模制得介电功能梯度绝缘子。
[0015] 进一步的，步骤1中填料体积分数的计算方法如下：
[0016] 首先，给定绝缘子内部每层的介电常数或电导率值；其次，根据公式(1)的非对称Bruggeman有效介质方程，求解相应每层的填料体积分数：
[0017]
[0018] 式(1)中，φt为所求的填料体积分数，取值在0～1之间；k为步骤1中给定的介电参数值；所述介电参数值为介电常数或电导率；kj为树脂基体的介电参数值；kt为填料的介电参数值；α为与填料形状有关的系数，取值范围为0～1。
[0019] 进一步的，步骤2中原料质量配比的计算方法如下：
[0020] 首先，根据步骤1中得到的填料体积分数φt，求解填料质量分数，计算公式如式(2)所示：
[0021]
[0022] 式(2)中，θt为填料质量分数，取值在0～1之间；ms为环氧树脂的质量份数，单位为g；mg为固化剂的质量份数，单位为g；ρt、ρs、ρg依次为填料、环氧树脂及固化剂的密度，单位3
为g/cm；
[0023] 其次，根据填料质量分数θt，求得树脂混合料的质量比例，具体如式(3)所示：
[0024]
[0025] 式(3)中，Ps、Pg、Pt分别为环氧树脂、固化剂及填料的质量比例。
[0026] 进一步的，步骤4中在真空腔内使用机械搅拌方式处理树脂混合料，处理时间为0.5～1h，真空腔中气压小于0.02MPa。
[0027] 进一步的，树脂基体中，环氧树脂为E-44或E-51树脂，固化剂为酸酐类固化剂，固化促进剂为2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚，固化促进剂质量为树脂混合料质量的0.15％。
[0028] 进一步的，固化剂为甲基四氢苯酐或甲基六氢邻苯二甲酸酐。
[0029] 进一步的，所述填料为氧化锌、二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、钛酸钡、二氧化钡、锆钛酸铅、二氧化锡、掺锑二氧化锡、掺锡氧化铟、碳化硅、GaAs、CuBr、炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中一种或多种的复合，填料形态为圆球状、片状或纤维状，填料粒径范围为0.1～100μm。
[0030] 进一步的，所述绝缘子模具的材质为不锈钢，具有圆台状或圆柱状空腔。
[0031] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明提供介电功能梯度绝缘子的叠层制造方法，通过分层叠加的方式使得绝缘子内部的填料浓度呈阶梯状的空间分布，使绝缘子介电参数(介电常数或电导率)在空间上产生梯度变化，最终实现介电功能梯度绝缘子的制备。采用本发明方法能够使绝缘子内产生梯度分布的介电参数(介电常数或电导率)分布，从而优化绝缘子内部及沿面的电场分布，提高绝缘子的耐电性能。【附图说明】
[0032] 图1是本发明的方法流程图；
[0033] 图2为具体实施方式中介电功能梯度绝缘子的结构示意图；
[0034] 图3为具体实施方式中绝缘子与介电常数均匀为4的环氧树脂匀质绝缘子在相同交流高压电极间沿面电场强度的对比示意图。【具体实施方式】
[0035] 请参阅图1所示，本发明介电功能梯度绝缘子的叠层制造方法，包括以下步骤：
[0036] 步骤1、将绝缘子分成若干层，每层均由树脂基体及填料混合而成的树脂混合料构成；若干层的介电参数值呈梯度分布，根据每层的介电参数值计算各层树脂混合料中填料体积分数；
[0037] 步骤2、树脂基体包含环氧树脂及固化剂，两者的质量比为100:30～100；根据各层树脂混合料中填料体积分数，结合树脂混合料内各类原料的密度值，计算各层树脂混合料的原料质量配比；
[0038] 步骤3、按照步骤2计算的各层树脂混合料的原料质量配比，制备各层所需要的树脂混合料；各层所需要的树脂混合料中填料的质量比例由步骤1确定；
[0039] 步骤4、将各层所需要的树脂混合料置于真空腔内，加热至80℃，并在真空腔内搅拌树脂混合料，使填料均匀分散，并充分去除其中的气泡；
[0040] 步骤5、向各层所需要的树脂混合料中滴入固化促进剂；将各层所需要的树脂混合料依次逐层倒入绝缘子模具内，进行逐层梯度绝缘子的制备；每次倒入一层之后升温至120℃并静置5～30min，待该层树脂原料凝胶化之后，再倒入下一层，并重复上述升温及静置过程；直到所有层凝胶化之后获得绝缘子；
[0041] 步骤6、将制备得到的绝缘子加热至120℃进行二次固化，固化时间5h以上，固化后脱模制得介电功能梯度绝缘子。
[0042] 步骤1中填料体积分数的计算方法如下：
[0043] 首先，给定绝缘子内部每层的介电常数或电导率值；其次，根据公式(1)的非对称Bruggeman有效介质方程，求解相应每层的填料体积分数：
[0044]
[0045] 式(1)中，φt为所求的填料体积分数，取值在0～1之间；k为步骤1中给定的介电参数值；所述介电参数值为介电常数或电导率；kj为树脂基体的介电参数值；kt为填料的介电参数值；α为与填料形状有关的系数，取值范围为0～1。
[0046] 步骤2中原料质量配比的计算方法如下：
[0047] 首先，根据步骤1中得到的填料体积分数φt，求解填料质量分数，计算公式如式(2)所示：
[0048]
[0049] 式(2)中，θt为填料质量分数，取值在0～1之间；ms为环氧树脂的质量份数，单位为g；mg为固化剂的质量份数，单位为g；ρt、ρs、ρg依次为填料、环氧树脂及固化剂的密度，单位为g/cm3；
[0050] 其次，根据填料质量分数θt，求得树脂混合料的质量比例，具体如式(3)所示：
[0051]
[0052] 式(3)中，Ps、Pg、Pt分别为环氧树脂、固化剂及填料的质量比例。
[0053] 本发明树脂基体中，环氧树脂为E-44或E-51树脂，固化剂为酸酐类固化剂，固化促进剂为2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚，固化促进剂质量为树脂混合料质量的0.15％。
[0054] 本发明优选的固化剂为甲基四氢苯酐或甲基六氢邻苯二甲酸酐。
[0055] 本发明优选的填料为氧化锌、二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、钛酸钡、二氧化钡、锆钛酸铅、二氧化锡、掺锑二氧化锡、掺锡氧化铟、碳化硅、GaAs、CuBr、炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中一种或多种的复合，填料形态为圆球状、片状或纤维状，填料粒径范围为0.1～100μm。
[0056] 以下结合具体的实施例及附图对本发明的内容作进一步的详述。
[0057] 如图2所示为介电功能梯度绝缘子。该绝缘子为圆台状，具体尺寸如图2所示，共分十层，绝缘子的相对介电常数按层呈梯度分布，以满足在高压电极间平均场强的要求。绝缘子各层材料由E-51环氧树脂，甲基四氢苯酐及钛酸钡晶体(圆球状微粒，平均粒径为1μm)混合制备而成，其制备方法包括以下步骤：
[0058] 步骤1、2、给定树脂与固化剂质量比为100:90，根据表1给出的每层介电常数值计算树脂，固化剂及填料的质量比，如表2所示，计算时各项参数的取值如下：树脂基体(E-51环氧树脂及甲基四氢苯酐固化剂)的介电常数值为3；钛酸钡填料的介电常数值为2000；α取为1(对应圆球状颗粒)；树脂及固化剂的密度均为1.20g/cm3；钛酸钡填料的密度为6.08g/cm3。
[0059] 表1 各层材料介电常数值
[0060]层号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
介电常数 65.7 19.8 13.5 9.9 7.5 5.9 4.6 4.0 4.0 4.0
[0061] 表2 各组分质量比
[0062]层号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
E-51环氧树脂 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100
甲基四氢苯酐 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90
钛酸钡晶体 1800 860 640 470 350 240 150 100 100 100
[0063] 步骤3、在常温常压下将E-51环氧树脂，甲基四氢苯酐及钛酸钡晶体按照表2的质量比进行混合，得到10份不同钛酸钡填充比例的树脂混合料；
[0064] 步骤4、将各份树脂混合料置于真空腔内(气压为0.01MPa)，加热至80℃并进行机械搅拌，搅拌时间为0.5h，使填料在混合料内均匀分散，并充分去除混合料中的气泡。
[0065] 步骤5、将各份树脂混合料降至常温，向其中滴入2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚固化促进剂(添加质量为上述树脂混合料总质量的0.15％)；将上述若干份不同填充比例的树脂混合料按填料比例依次逐层倒入绝缘子模具内，进行逐层梯度绝缘子的制备；模具由不锈钢制作，内腔为圆台形，内腔底面直径120mm，顶面直径20mm，高50mm。逐层倒入树脂混合料时，首先倒入第10层树脂混合料，控制该层的厚度为5mm，每次倒入一层之后升温至120℃并静置10min，待该层树脂原料凝胶化之后，倒入第9层树脂混合料，并重复上述升温及静置过程；直到所有层凝胶化之后获得绝缘子。
[0066] 步骤6、将制备得到的绝缘子加热至120℃进行二次固化，固化时间为10h，固化后脱模制得介电功能梯度绝缘子。
[0067] 通过在电极间加10kV工频交流电压，可以得到制得绝缘子与平均介电常数的环氧树脂绝缘子沿面电场幅值的对比图，如图3所示；及每层的最大电场强度，如表3所示。可以明显看出：相比较于匀质绝缘子，FGM绝缘子的沿面电场强度分布更加均匀，其在均化绝缘子沿面场强方面具有明显的优势。
[0068] 表3 绝缘子沿面最大场强
[0069]
