了解热固性层压板中的介电疲劳

热固性层压板因其出色的介电强度而被​​广泛用于电绝缘部件，即使在恶劣的环境条件下也是如此。但这些材料如何经受住时间和持续的电应力？本文探讨了介电疲劳测试，揭示了这些层压板在短期和长期内的性能。

什么是介电强度？

介电强度是指材料发生电击穿时的电压水平。换句话说，它是材料在不发生故障的情况下可以承受的最大电压。有几个因素会影响介电强度，包括：

• 材料厚度
• 温度
• 施加电压时间
• 湿度和周围环境条件
• 施加电压的频率和波形
• 电极尺寸和形状

短期测试与长期测试

短时介电测试通常用于验证材料质量，因为这种测试快速而直接。这些测试测量需要多少电压才能导致立即发生电气故障。

然而，设计工程师需要做的不仅仅是短期测试。他们想知道：

• 绝缘材料在电压作用下可以安全运行多长时间而不发生击穿？
• 什么样的电压水平能够长期维持？

了解长期介电耐久性有助于工程师设计可靠的组件。虽然短期测试数据提供了性能的快照，但耐久性测试可以深入了解介电疲劳——在反复的电应力下材料强度的逐渐下降。

实验设置和方法

我们的研究考察了介电疲劳在干燥和潮湿环境下对五种 ANSI/NEMA 材料等级的影响。所用材料被切成 6” x 6” 测试板，厚度为 0.062 英寸，并在 73°F 下进行测试。在高湿度和温水中调节后，还对其中两种等级进行了测试。以下是调节和测试过程的摘要：

样品调节：

• 将测试板在 220°F 的温度下干燥一小时。
• 干燥后，将它们放入干燥器中冷却至73°F。

短时测试：

• 采用 ASTM D149 标准对每个材料等级的三个样本进行了测试。
• 将样品浸入油浴中，电极垂直于层压板放置。
• 以每秒 10 kV 的速度施加电压，直到发生电气故障。

长期介电疲劳测试：

• 在降低的电压水平下对额外的样本进行了测试——目标是达到其短时击穿值的 85%、70%、60%、55%、50% 和 45%。
• 施加这些电压直至材料失效，然后记录破裂时间。

疲劳测试的主要发现

研究揭示了几个重要趋势：

• 故障时间短：在较高电压下（高于短时击穿水平的 60%），几秒钟内就会发生故障。
• 耐久性快速提高：当电压水平降至 60% 或以下时，故障时间会显著延长 – 有时会持续数小时甚至数天。
• 长期稳定性的阈值：如果样本在 100 分钟内没有失效，则它通常在相同条件下可以保持数天或数周的稳定。

这些发现表明，降低工作电压可显著提高绝缘材料的耐久性。对于工程师来说，这凸显了在临界电压阈值以下运行以确保长期可靠性的重要性。

不同材料等级的结果汇总

图 1 中的图表（单独引用）显示了以下 ANSI/NEMA 材料等级的疲劳测试数据：

• X、XX、XXXP、LE 和 G5

这些材料表现出相似的趋势，尽管根据湿度条件和材料成分观察到略微的变化。

对热固性层压板制造的部件的影响

管材、棒材和模制部件中的热固性层压板的行为与板材中观察到的趋势一致。然而，由于结构和形状的变化，性能可能会出现细微差异。这些发现强调了在使用非板材设计绝缘组件时进行定制测试的必要性。

应用和实践要点

介电疲劳测试在依赖高性能绝缘材料的行业中起着至关重要的作用，例如：

• 航空航天：确保关键系统的长期电气绝缘。
• 电力系统：设计具有可靠介电性能的变压器和开关设备组件。
• 电动汽车：优化电池系统和电力电子设备中的绝缘。

通过确定安全工作电压阈值，工程师可以避免材料过早失效并延长关键部件的使用寿命。

未来工作

这项研究强调了热固性层压板长期介电耐久性测试的重要性。虽然短期测试对质量控制很有用，但耐久性测试为可靠的组件设计提供了关键见解。未来的研究应该探索其他变量，例如频率效应和更极端的环境条件。

了解复合材料在实际压力下的行为可确保组件长期保持其绝缘性能，从而帮助行业避免代价高昂的停机和故障。

要点总结

• 短期介电测试对于质量验证很有用，但长期耐久性测试可以揭示有关组件可靠性的关键信息。
• 在短时击穿电压的 60% 以下运行可以显著延长材料的寿命。
• 需要对由管、棒和模制部件制成的组件进行定制测试，因为它们的性能可能与板材不同。