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哈尔滨理工大学工学博士学位论文

电场诱导下大电机主绝缘用高导热

h-BN/EP复合材料性能研究

摘要

大型发电机是发电系统的重要装备，日趋向高电压大容量发展。但是，电

压等级和容量的提高会造成其运行温升高从而导致运行寿命降低等问题，为此，

提高大型发电机主绝缘的导热性能是解决该问题的有效途径。在环氧树脂中填

充无机填料能够提高复合材料的导热性能，但该方法只有在较高填充量下才能

有效提高复合绝缘材料的导热性能，并导致其电性能和力学性能的大幅下降。

为此，本文向环氧树脂中填充各向异性的高导热填料，并采用电场诱导取向技

术，以实现复合材料在低填充量下高热传导性能提升。

为了探究填料尺度与填充量对复合材料性能的影响规律，本文制备了高导

热h-BN/EP复合材料，研究了h-BN的尺度与填充量对其热、电性能影响规律。

研究结果表明：各尺度h-BN制备的h-BN/EP复合材料的导热性能都随着填料

填充量的增加而增强，其中片径1-3μm的h-BN制备的h-BN/EP复合材料的导

热性能在各填充量下均最优，在30wt%时热导率达到了0.642W/(m·K)；复合材

料样品的相对介电常数和击穿场强表现出随着填料填充量增加先增大后减小的

现象，复合材料的介质损耗因数未产生明显变化，具有高径厚比的h-BN（厚

度≤100nm，片径1-3μm）制备的h-BN/EP复合材料在交流击穿测试中展示出

了更优越的电绝缘性能。

为了实现复合材料低填充量高热导率提升的目的，本文制备了10wt%h-

BN/EP复合材料电场诱导样品，探究了交流、连续方波和直流电场对h-BN/EP

复合材料的热、电性能影响规律并得到了最优导热性能样品的诱导电场参数。

研究结果表明：不同类型电场诱导均能够提高复合材料的导热性能，且整体上

表现出取向电场强度越高、频率越低，复合材料热导率越高的趋势，在直流电

场诱导下复合材料的热导率提升最高；不同类型诱导电场对材料的相对介电常

数和介质损耗因数没有明显影响，且随诱导电场提高和频率降低，复合材料耐

电强度呈下降趋势，但复合材料的击穿场强均高于纯环氧的击穿场强。在交流

和方波电场诱导下，复合材料热导率随作用时间增加呈先上升后平稳的变化趋

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势，复合材料的耐电强度呈先下降后平缓的趋势，但整体下降不明显；在直流

电场诱导下，复合材料的热导率随作用时间增加呈先上升、后下降、再小幅上

升趋势，复合材料耐电强度呈先下降、后上升、最终保持平缓的趋势，直流电

场诱导存在最佳诱导时间，400V/mm的直流电场诱导20min时，复合材料的热

导率达到0.544W/(m·K)。

为了探明h-BN/EP复合材料导热性能的提升机理，本文利用Y.Agari导热

模型对直接掺杂型复合材料的导热通路构建效率进行了分析，并以该模型为基

础，结合电场诱导型试验数据的分析，建立了描述填料取向程度与复合材料热

导率的修正导热模型，并对导热模型预测的准确性进行了验证。研究表明：该

导热模型能够准确预测以取向h-BN为填料的复合材料的热导率的变化规律，

拓展了导热模型的预测边界，增加了导热模型预测的准确性。同时，本文采用

了有限元热场仿真分析的方法，分析了填料不同取向角度对复合材料热场分布

的影响规律，并与修正导热模型曲线变化趋势进行了对比。仿真结果与修正导

热模型曲线的变化趋势吻合，证明了本文工作中电场诱导手段的可行性与所建

立的修正导热模型的准确性。

综上所述，本文首次针对大电机主绝缘材料，提出了电场诱导这一手段提

高导热性能的方法，实现了低填充量下的复合绝缘材料导热性能的提升；探明

了电场诱导取向手段获得最优热导率样品的电场参数，并探究了电场强度、施

加频率和施加时间对复合材料热导率和介电性能的影响规律；建立了描述填料

取向程度与复合材料热导率的修正导热模型，并利用仿真手段验证了导热模型

的准确性。本文的研究工作为大电机主绝缘体系用高导热环氧胶粘剂的开发提

供了新思路。

关键词大电机主绝缘；环氧树脂；电场诱导；导热性能；取向结构；导热模型