[发明专利]一种热塑性介电功能梯度复合材料及其制备方法和应用

说明书

本申请提供了一种热塑性介电功能梯度复合材料的制备方法，包括如下步骤：将梯度量的若干组分的介电无机填料分别与热塑性基体进行塑炼处理后得到若干热塑性介电功能复合混合料，将混合料分别进行压片处理，获得若干片的热塑性介电功能梯度复合片材；对若干片的热塑性介电功能梯度复合片材分别进行电学性能和加工性能测试得到性能模型；根据性能模型确定介电无机填料在热塑性基体中的最大含量；将低于介电无机填料最大含量的热塑性介电功能梯度复合混合料片材分别进行拉丝处理、熔融堆积成型，得到热塑性介电功能梯度复合材料。制备方法简单方便，此法成型速度快、制备效率高、成本低，具有较大的应用价值。

技术领域

本申请属于电气绝缘复合材料技术领域，尤其涉及一种热塑性介电功能梯度复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着我国电力系统向超/特高压发展，以及脉冲功率设备向高电压、小型化发展，电力设备及脉冲功率设备对固体绝缘性能的要求日益增高。传统提高固体绝缘性能的方法主要有改善绝缘几何结构(控形)及向绝缘材料中添加纳米填料以改善材料电学性能和加工性能(控性)，然而这两种方法各有其局限性：控形的方法增大了绝缘结构的复杂度，增加了其制造难度，且复杂的结构不利于设备的小型化；控性的方法容易产生纳米填料的团聚现象，使其对耐电性能的提升效果有限。

近年来，有学者提出了介电功能梯度材料这一概念，将控形与控形有机结合，通过调控绝缘材料的介电特性(电导率/介电常数)分布，以调控电场分布，达到缓解局部电场过高现象以降低闪络电压的目的，具有较高的可行性与较大的应用前景。目前，制备介电功能梯度材料的主要方法包括叠层法、离心法、柔性混合浇注法及磁控溅射法等，而上述方法均有其局限性。例如，叠层法无法实现绝缘子的一体化制造，且其层间结合强度不足；离心法无法主动调节材料的介电参数分布，其制备流程较为复杂且效果有限；柔性混合浇注法中，高介电填料的增加对树脂基复合材料的粘度影响较大，使其介电常数上限较低，从而使耐电性能的提升效果有限；磁控溅射法中，表面梯度层与基体的结合强度有限，长时间使用存在表面层剥落的风险。

最近，3D打印技术已被证实为一种极具潜力的介电功能梯度材料制备方法。3D打印是由点到线到面的累积增材制造过程，可通过控制绝缘材料每一点的介电参数，最终实现介电功能梯度绝缘子的整体制备，具有较大的可行性与先进性。然而，现有研究较多的采用立体光固化技术进行介电功能梯度材料的增材制造，此技术所采用的基体为光敏树脂，其固化时间较长，打印效率较低。此外，固化后的树脂无法回收，只能以焚烧或掩埋的方法进行处理，造成了严重的环境污染和资源浪费。

发明内容

本申请的目的在于提供一种热塑性介电功能梯度复合材料及其制备方法和应用，旨在解决现有技术中介电功能梯度材料制备工艺复杂，材料性能单一且层间粘结性差的问题。

为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种热塑性介电功能梯度复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将介电无机填料设置为梯度量的若干组分；

将若干组分的介电无机填料分别与热塑性基体进行塑炼处理后得到若干热塑性介电功能复合混合料，将所述复合混合料分别进行压片处理，获得若干片的热塑性介电功能复合片材；

对若干片的所述热塑性介电功能复合片材分别进行电学性能和加工性能测试，根据测试结果，拟合热塑性介电功能复合片材的性能模型；

根据所述性能模型，确定介电无机填料在所述热塑性基体中的最大含量；

将低于介电无机填料最大含量的所述热塑性介电功能复合混合料分别进行拉丝处理得到丝材，将所述丝材熔融堆积成型进行增材制造，得到热塑性介电功能梯度复合材料。

第二方面，本申请提供一种热塑性介电功能梯度复合材料，所述热塑性介电功能梯度复合材料由所述的热塑性介电功能梯度复合材料的制备方法制备得到的。