Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm lên tính chất điện môi của vật liệu composite dùng trong máy biến áp điện lực640

c Phạm vi nghiên cứu: bao gồm phân tích, so sánh các phương pháp để l a ựchọn phương pháp phổ đ ệ i n môi trong việc xác định các đặc tính đ ệi n môi của cách đ ệi n; C ch c ng như mô hì

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các k t quảế trong lu n án này là độc l p và l n đầu tiên ậ ậ ầđược công bố ở Vi t Nam ệ

Hà Nội, ngày 14 tháng 04 năm 2011

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hữu Kiên

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bản lu n án này nghiên c u sinh vô cùng bi t n s hướng ậ ứ ế ơ ự

dẫn, chỉ đạo và tận tình giúp đỡ của PGS.TS Trần Văn Tớp, PGS.TS Nguyễn Đình Thắng bộ môn Hệ thống đ ệi n - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Nghiên c u sinh ứxin bày tỏ sự bi t n c a mình tới TS Phạm Hồng Thịnh, KS Đinh Quốc Trí bộ ế ơ ủmôn Hệ thống i n - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; PGS Bùi Chương và các đ ệchuyên viên – Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme - Trường Đại học Bách khoa

Hà Nội; TS Nguyễn Đức Hoàng, Ths Vũ Thanh Hải - phòng Nghiên cứu Kỹ thuật

đ ệi n cao áp và v t li u cách i n - Vi n N ng lượng, ã t n tình giúp đỡ và t o i u ậ ệ đ ệ ệ ă đ ậ ạ đ ề

ki n ệ để thực hiện bản luận án này

Nghiên cứu sinh rất mong nhận được sự ổ b sung, góp ý hoàn thiện nội dung

từ các thầy cô giáo, các chuyên gia, bạn bè đồng nghiệp nhằm nâng cao tính khả dụng của luận án này

M ỤC LỤ C TRANG PHỤ BÌA Error! Bookmark not defined.

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 10

M Ở ĐẦU 12

1 Mụ đ c ích, đối tượng và phạ m vi nghiên c u của luận án 12 ứ 1.1 Mụ đ c ích nghiên cứu 14

1.2 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 14

2 Lý do chọn đề tài 15

2.1 Tình hình nghiên c u ngoài n ứ ước 15

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 16

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 18

3.1 Ý nghĩa khoa học 18

3.2 Ý nghĩa thực tiễn 19

4 Mục tiêu của luận án 19

5 Nhi ệm vụ nghiên cứu của luậ n án 19

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ VLC VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VLC N ỀN NHỰA EPOXY DÙNG TRONG CÁC THIẾT BỊ Đ ỆN CAO ÁP 21 I 1.1 Các tính chất đ ệi n môi của vật liệu cách đ ệi n 21

1.1.1 Đ ệ i n dẫn (conduction) 21

1.1.2 Phân cự đ ệ c i n môi (Polarisation) 23

1.1.3 Tổn hao đ ệ i n môi (Dielectric Loss) 24

1.1.4 Hiện tượng đánh thủng (Breakdown) 24

1.2 Cấu tạo và và phân loạ đ ệi i n môi hữu cơ 25

1.3 Nhựa cách đ ệi n 27

1.4 Sơn và các hợp chất cách đ ệi n 28

1.5 Vật liệu xơ 30

1.6 Đ ệi n môi vô cơ 33

1.7 Cấu tạo và tính chất của vật liệu composite 34

1.7.1 Cấu t ạo và tính chất lý hoá củ a nh ựa epoxy 37

1.7.1.1 Các tính chất lý học 37

1.7.1.2 Cấu tạo hoá học của nhựa epoxy 39

1.7.1.3 Cơ chế hình thành đóng r n cắ ủa nhựa epoxy 40

1.7.2 Cấu t ạo và tính chất lý hóa củ a s ợi thủy tinh – khả ă n ng liên kết giữ a s ợi thủy tinh và nhựa epoxy 42

1.7.2.1 Chất tăng cường (sợi thuỷ tinh) 42

1.7.2.2 Trạng thái ứng suất trên bề mặt ti p xúc s i/nh a 49 ế ợ ự 1.7.2.3 Ứng suất trên bề mặt tiếp xúc sợi/nh a 51 ự 1.7.2.4 Khả ă n ng phủ màng c a nh a epoxy 52 ủ ự 1.7.2.5 Ảnh hưởng của môi trường làm việc đến VLC nền epoxy/cốt sợi thuỷ tinh 53

1.8 VLC nền nhựa epoxy cốt sợi thuỷ tinh s d ng làm cách i n trong MBA 55 ử ụ đ ệ 1.9 Các phương pháp kỹ thuật cơ ả b n chế ạ t o VLC 57

1.10 Kết luận chương 1 58

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH KHUYẾCH TÁN CỦA NƯỚC VÀO VẬT LIỆU CÁCH Đ Ệ I N COMPOSITE 60

2.1 Đặt vấn đề 60

2.2 Cơ chế ủ c a quá trình khuy ch tán nước vào trong vật liệu composite 62 ế 2.3 Mô hình toán học của quá trình khuyếch tán nước 63

2.4 Phương pháp thí nghiệm lão hóa tăng tốc (Accelerated Experiment Method) 68

2.5 Phương pháp ngâm tẩm trong nước 69

2.6 Phương pháp thí nghiệm 70

2.7 Các phương pháp chẩ đn oán khi không mang đ ệi n ”off-line” 72

2.7.1 Ch ẩ đ n oán bằng các tham số không đ ệ i n từ 72

2.7.2 Chẩ đ n oán d ựa trên quá trình vậ n hành. 72

2.7.3 Đo đ ệ i n áp hồi phục (return voltage) 73

2.7.4 Đo đ ệ i n trở cách đ ệ i n 73

2.7.5 Đo chỉ số phân cực 73

2.7.6 Đo tổn hao đ ệ i n môi tanδ 73

2.7.7 Đo phóng đ ệ i n cục bộ (Partial Discharge) 75

2.8 Chẩ đn oán khi đang hoạt động “on-line” 75

2.8.1 Đo phóng đ ệ i n cục bộ (PD) “on-line” 76

2.8.2 Thí nghi ệ m phát hi n sự ố ằ ệ c b ng siêu âm và âm thanh 76

2.8.3 Đo và phân tích nhiệt độ của cách đ ệ i n bằng hồng ngoại 76

2.9 Phương pháp đo dòng phân cực và khử phân cực 77

2.9.1 Sự phân c ực trong đ ệ i n môi r ắn 77

2.9.1.1 Phân cực dưới tác dụng của đ ệi n trường tĩnh 77

2.9.1.2 Các dạng phân cực 77

2.9.1.3 Sự phân cực lưỡng c c theo th i gian 79 ự ờ 2.9.2 Sự ẫ đ ệ d n i n trong đ ệ i n môi rắn 81

2.9.3 Quá trình kh ử phân cực trong đ ệ i n môi 83

2.10 Phương pháp đo phổ đ ệ i n môi 85

2.11 Kết luận chương 2 86

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH 88

3.1 Đặt vấn đề 88

3.2 Sơ đồ thí nghiệm 89

3.2.1 Sơ đồ o dòng phân c đ ực và khử phân c ực 89

3.2.2 Sơ đồ o phổ đ ệ đ i n môi 90

3.3.3 Sơ đồ o i n trở suất 91 đ đ ệ

3.3 Thiết bị thí nghi m và đo lường 92 ệ

3.4 Kết quả thực nghiệm và phân tích 93

3.4.1 Quá trình chọn và gia công các mẫu thử 93

3.4.2 Tác động của nhiệt độ 95

3.4.3 Tác động của độ dày 102

3.5 Nhận xét 104

3.6 Kết quả đ o đạc th c nghiệm 105 ự 3.6.1 Đo đ ệ i n trở suất 105

3.6.2 Đo đặc tính đ ệ i n môi 106

3.6.2.1 Góc tổn hao đ ệi n môi (tanδ) 107

3.6.2.2 Hằng số đ ệ i n môi tương đối ε’ và hệ ố ổ s t n hao đ ệi n môi ε’’ 111

3.6.3 Tác động của độ dày 123

3.6.4 Tác độ ng của nhiệt 130 độ 3.6.4.1 Kết quả thực nghiệm và phân tích 130

3.6.4.2 Nhận xét 138

3.7 Kết luận chương 3 138

CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN 140

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ Ủ C A TÁC GIẢ 142

TÀI LIỆ U THAM KH O: 144 Ả PHỤ LỤC 1: ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦ A THI T B THÍ NGHI M 151 Ế Ị Ệ PHỤ LỤC 2: CÁC BIÊN BẢN THÍ NGHIỆM PHỤC VỤ LUẬN ÁN 153

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

VLC : vật liệu cách điện composite

MBA : máy biến áp đ ệi n lực

GIS : Gas Insulated Substation - trạm bi n áp cách i n khí ế đ ệ

PDC : Polarisation and Depolarisation Current - đo dòng phân cực và khử phân cực

MP : mô hình Maggana – Pissis

LFD : Low Frequency Dispersion - phân tán ở ầ t n số thấp

A/D : Analog Digital - chuyển đổi tương tự ố/s

DP : Degree Polymer - độ polymer hóa

ISO (International Organnization for Standardization): Tổ chức Quốc t về Tiêu ếchuẩn hóa

ASTM: American Society for Testing and Materials-Hiệp hội vật liệu và th ửnghiệm Hoa Kỳ

IEC (International Electrotechnical Commission): Uỷ ban Kỹ thuậ Đ ệt i n Quốc tế TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Thành phần hoá học của một vài loại sợi thuỷ tinh

Bảng 1.2: Đặc tính của các loại nhựa tổng hợp đ ểi n hình

Bảng 1.3: Tính chất của một số loại sơn cách đ ện i

Bảng 1.4: Các đặc tính cơ của một số ạ ơ ữ lo i x h u c ơ

Bảng 1.5: Đặc tính kỹ thuậ ơt c tính và tỷ trọng của sợi thủy tinh loại E

Bảng 3.1: Hàm lượng nước ngấm vào mẫu thử tương ứng với thời gian ngâm tại 3 mức

nhiệt độ khác nhau

Bảng 3.2: Hệ số tính toán ở 3 mức nhiệt độ

Bảng 3.3: Các tham số đ ều chỉnh của 2 phương thức khuyếch tán trong mô hình MP i

Bảng 3.4: Giá trị đo đạc góc tổn hao đ ện môi tanδ của vật liệu khô (m=0%) i

Bảng 3.5: Giá trị đo tanδ của vật liệu với hàm lượng nước (m=0,08; 0,12; 0,15%)

Bảng 3.6: Giá trị đo tanδ của vật liệu với hàm lượng nước (cho tới khi bão hoà)

Bảng 3.7: Các tham số tính theo mô hình Fouss-Kirkwood khi hệ số tổn hao được phân

tích làm ba thành phần tổn hao

Bảng 3.8: Giá trị đo hằng số đ ện môi tương đối ε’ và hệ ố ổ i s t n hao đ ệi n môi ε’’ c a v t ủ ậ

liệu với hàm lượng nước (m=0,08; 0,12; 0,15%)

Bảng 3.9: Giá trị đo hằng số đ ện môi tương đối ε’ và hệ ố ổ i s t n hao đ ệi n môi ε’’ c a v t ủ ậ

liệu với hàm lượng nước (cho tới khi bão hoà)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1: Vùng tiếp giáp gi a các thành phần của VLC nhìn dưới kính hiển vi lựữ c nguyên t ử(kích thước 10µm và 50µm)

Hình 2: Ảnh hưởng của nước lên mặt tiếp giáp của vật liệu composite

Hình 1.1: Mô tả góc tổn hao đ ệi n môi

Hình 1.2: Lớp vật liệu composite

Hình 1.3 : Vật liệu composite lớp

Hình 1.4 : Mô hình của vật liệu composite lớp

Hình 1.5: Mô hình đóng rắn của nhựa epoxy

Hình 1.6: Sợi thuỷ tinh quan sát dưới kính hiển vi đ ệi n tử

Hình 1.7: Mặt cắt của mộ ệ thống cách đ ệt h i n trong MBA giữa cuộn dây cao áp và hạ áp Hình 2.1: Lượng nước hoà tan cực đại trong dầu theo nhiệt độ

Hình 2.2 : Mô tả lý thuyết về dung tích trống

Hình 2.3 : Mô tả lý thuyết về phân tử

Hình 2.4 : Cơ chế nhảy của phân tử nước trong ma trận của vật li u ệ

Hình 2.5: Mô tả ự s thay đổ đội ng h c khuyếch tán của nước vào vật liệu ọ

Hình 2.6: Đồ thị vectơ dòng và áp củ đ ệa i n môi

Hình 2.7: Các cơ chế phân cực và sự thay đổi của hằng số đ ệ i n môi theo tần số pe: phân

cực đ ện tử, pi a: nguyên tử, po: phân cực lưỡng cực và pi: phân cực kết cấu Hình 2.8: Phân cực theo thời gian dưới tác dụng củ đ ệa i n trường tĩnh

Hình 2.9: Biến thiên của dòng đ ệi n dưới tác dụng củ đ ệa i n trường

Hình 2.10: Hình dạng của dòng khử phân cực

Hình 2.10a: Hình dạng của dòng khử phân cực

Hình 2.11: Mô hình cơ bản của chất cách đ ệi n và biểu diễn vectơ

Hình 3.1: Nguyên lý cơ bản đo dòng phân cực và khử phân cực

Hình 3.1a: Nguyên lý làm việc của máy đo dòng phân cực và khử phân cực

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý o phổ đ ệđ i n môi

Hình 3.3: Sơ đồ để xác định đ ệi n trở suất kh i và ố đ ệi n trở suất mặt của vật liệu

Hình 3.4: Hợp bộ thiết bị thí nghiệ đm o đặc tính đ ệi n môi của v t li u ậ ệ

Hình 3.5: Các mẫu gia công để o đạc c ch c a vi c khuy ch tán nước đ ơ ế ủ ệ ế

Hình 3.6: Mô hình thí nghiệm để o đạc cơ chế của việc khuyếch tán nước vào VLC đHình 3.7: Cơ chế quá trình khuyếch tán nước của 3 mẫu thử chiều dày 1mm tại nhiệt độ

550C, 850C, 980C và so sánh với định luật Fick

Hình 3.8: Cơ chế khuyếch tán nước của vật liệu với các thờ đ ểi i m đầu lúc ngâm

Hình 3.9: Hệ ố s khuy ch tán D trong biế ểu đồ Arrhenius

Hình 3.10: Biến đổi của 2 phương thức và đóng góp của chúng vào tiến trình khuy ch tán ế

Hình 3.16a: Tanδ theo tần số ạ đ ệ t i i n trường khác nhau (mẫu thử khô)

Hình 3.17: Tác động của hàm lượng nước tới 0,15% lên tanδ (m=0; 0,08; 0,12 và 0,15%) Hình 3.17a: tanδ theo tần số ạ đ ệ t i i n trường khác nhau (mẫu có hàm lượng nước 0,08%) Hình 3.18: Tác động của hàm lượng nước (cho tới khi bão hoà) đối với tanδ

Hình 3.19: Đặc tính của ε’ và ε’’ của vật liệu khô (m=0%)

Hình 3.20: Tác động của hàm lượng nước tới 0,15% lên ε’ và ε’’của vật liệu (m=0; 0,08;

Hình 3.25a: Tác động của dày lên hằng số đ ệđộ i n môi ε’ của mẫu thử khô

Hình 3.25b: Tác động của dày lên hệ ố ổđộ s t n hao đ ệi n môi ε’’ của mẫu thử khô

Hình 3.26a: Tác động của dày lên hệ ố ổđộ s t n hao đ ệi n môi ε’ của m u th 0,08% ẫ ửHình 3.26b: Tác động của dày lên hệ ố ổđộ s t n hao đ ệi n môi ε’’ của mẫu thử 0,08% Hình 3.27a: Tác động của dày lên hằng số đ ệđộ i n môi ε’ của mẫu thử 0,12%

Hình 3.27b: Tác động của dày lên hệ ố ổđộ s t n hao đ ệi n môi ε’’ của mẫu thử 0,12% Hình 3.28a: Tác động của dày lên hằng số đ ệđộ i n môi ε’ của mẫu thử 0,15%

Hình 3.28b: Tác động của dày lên hệ ố ổđộ s t n hao đ ệi n môi ε’’ của mẫu thử 0,15% Hình 3.29a: Tác động của dày lên hằng số đ ệđộ i n môi ε’ của mẫu thử 0,40%

Hình 3.29b: Tác động của dày lên hệ ố ổđộ s t n hao đ ệi n môi ε’’ của mẫu thử 0,40% Hình 3.30a: Tác động của dày lên hằng số đ ệđộ i n môi ε’ của mẫu thử 0,96%

Hình 3.30b: Tác động của dày lên hệ ố ổđộ s t n hao đ ệi n môi ε’’ của mẫu thử 0,96% Hình 3.31: Tác động của dày lên hằng số đ ệđộ i n môi ε’ ở ầ t n số 50Hz

Hình 3.32: Tác động của dày lên hệ ố ổđộ s t n hao đ ệi n môi ε’’ ở ầ t n số 50Hz

Hình 3.33: Tác động của nhiệt độ lên hằng số đ ệ i n môi ε’, mẫu thử khô

Hình 3.34: Tác động của nhiệt độ lên hệ ố ổ s t n hao đ ệi n môi ε’’, mẫu th khô ử

Hình 3.35: Biểu đồ Arrhenius về ần số xuất hiện giá trị t đỉnh c a ε’’ (m u th khô) ủ ẫ ửHình 3.36: Ảnh hưởng nhiệt độ lên hằng số đ ệ i n môi ε’với hàm lượng nước m=0,08% Hình 3.37: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε’’ với hàm lượng nước m=0,08%

Hình 3.38: Ảnh hưởng nhiệt độ lên hằng số đ ệ i n môi ε’ với hàm lượng nước m=0,15% Hình 3.39: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε’’ với hàm lượng nước m=0,15%

Hình 3.40: Ảnh hưởng nhiệt độ lên hằng số đ ệ i n môi ε’ với hàm lượng nước m=0,62% Hình 3.41: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε’’ với hàm lượng nước m=0,62%

Hình 3.42: Ảnh hưởng nhiệt độ lên hằng số đ ệ i n môi ε’ với hàm lượng nước m=0,96% Hình 3.43: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε’’ với hàm lượng nước m=0,96%

Hình 3.44: Ảnh hưởng nhiệt độ lên hằng số đ ệ i n môi ε’ khi mẫu thử bão hoà

Hình 3.45: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hệ ố ổ s t n hao đ ệi n môi ε’’ khi mẫu thử bão hoà Hình 3.46: Tác động của nhiệt độ lên hằng số đ ệ i n môi ε’ ở 50Hz

Hình 3.47: Tác động của nhiệt độ lên hệ ố ổ s t n hao đ ệi n môi ε’’ ở 50Hz

M Ở ĐẦU

1 Mụ đ c ích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Vật liệu composite là loại vật liệu mới ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khoa học kỹ thuật và công nghiệp tiên tiến trên thế giới: hàng không vũ trụ đ; óng tàu; kỹ thuậ đ ệt i n; ô tô cơ khí; d u khí; xây dầ ựng dân dụng và trong đời sống… nhờ kết h p được các đặc tính c họợ ơ c và v t lý h c mà bình ậ ọthường không thể có được với mộ ật v t li u đơn ệ

Vật liệu composite đ ển hình là một hệ gồi m hai ho c nhi u v t li u khác ặ ề ậ ệnhau với các tính chất h tr cho nhau Vi c s dụỗ ợ ệ ử ng v t li u composite trong máy ậ ệbiến áp ở các nước và Việt Nam là tương tự nhau Trong ngành kỹ thuậ đ ệt i n cao áp

vật liệu cách đ ện composite được sử dụi ng r ng rãi là bakelit (gi y t m nh a ộ ấ ẩ ựphenoformaldehyt) làm các ống cách đ ệi n trong máy biến áp, vách ngăn trong các buồng dập h quang… Ngày nay mộồ t lo i cách i n composite khác v i thành ạ đ ệ ớphần là nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh được s dụử ng khá thông d ng làm các vách ụngăn trong máy biến áp, lõi của cách đ ệi n thanh của đường dây tải đ ệi n trên không,… Loại vật liệu s i th y tinh gia cường b ng nh a epoxy t o ra v t li u ợ ủ ằ ự ạ ậ ệcomposite có những tính chất cách đ ệi n rất tốt (góc tổn hao đ ệi n môi nhỏ đ ệ, i n trở suất lớn), khả năng chịu phóng đ ệi n tốt và tăng cường tính chất cơ của vật liệu, kh i ốlượng nhẹ, chịu mài mòn, giá thành hạ, dễ thiết kế chế tạo, kích thước và hình dáng

đa d ng Lo i vật liệạ ạ u composite này được s d ng rộử ụ ng rãi làm cách i n cao áp đ ệ

như: cách đ ệi n xuyên trong trạm biến áp và cách đ ệi n đường dây [3], [71], cách

đ ệi n trong máy bi n áp [4], [10], [58], vách ng n trong các tr m phân ph i kiểu GIS ế ă ạ ố(Gas Insulated Substation) [52], cách đ ệi n stator của máy đ ệi n quay [34], [58],

[100]

Tuy nhiên, do đặc tính composite vùng tiế p giáp [14] giữa các thành phần luôn là vùng xung yếu do liên kết hoá học và kết cấu v t lý vùng này không n ậ ở ổđịnh bằng liên k t trong b n thân t ng thành ph n (hình 1) Vì v y, trong quá trình ế ả ừ ầ ậ

vận hành, đ ều kiện làm việc các kết cấu thường xuyên chịu tác động khắc nghiệt icủa nhiều tác nhân như đ ệ : i n, c họơ c, hóa h c, nhiệọ t độ, độ m, thời tiết và môi ẩ

trường thay đổi làm cho các thành phần của vật liệu b già hoá; đặc bi t là khi chịu ị ệtác dụng của môi trường như : nhi t và n c làm cho liên kết giữa các thành phần ệ ướtại lớp tiếp giáp bị suy yếu Khi hấp thụ một vài phần trăm khối lượng nước, các đặc tính đ ệi n môi bị suy giảm mạnh: đ ệi n trở suất giảm, hằng số đ ệ i n môi và tổn hao tăng và có thể dẫn tới hiện tượng phóng i n ch c th ng (breakdown) [52] đ ệ ọ ủ

Vì phân tử nước rất nh , nó có thể dễỏ dàng xâm nh p vào trong v t li u ậ ậ ệthông qua hiện tượng khuyếch tán, sẽ tác động mạnh lên phả ứn ng hoá học giữa nhựa epoxy và nước [43], [100] Ngoài ra, với vật liệu cách đ ệ i n dùng làm tấm chắn

và thanh chèn trong máy biến áp, trong quá trình vận hành còn chịu tác động bởi

đ ệi n trường xoay chi u t n s 50Hz và t n hao lõi t do dòng i n ch y trong dây ề ầ ố ổ ừ đ ệ ạquấn của máy biến áp, từ trường trong lõi thép sẽ sinh ra các t n hao công su t và ổ ấbiến thành nhiệt làm nóng các chi ti t của máy biến áp ế

Hình 1: Vùng ti ếp giáp giữ a các thành ph ần c ủa vật liệ u composite nhìn d ưới

kính hiển vi lực nguyên tử (kích thước 10µm và 50µm)

Trong quá trình vận hành, vật liệu nghiên cứu sẽ bị lão hóa và d n đến các ẫđặc tính cách đ ệi n củ đ ệa i n môi b suy gi m m nh Các t m ch n và thanh chèn này ị ả ạ ấ ắ

bị ngấm ẩm với các hàm lượng nước khác nhau được đem ra để phân tích Nhiề u

vấn đề được đặt ra từ kết qu này: âu là c ch động h c c a vi c khuy ch tán ả đ ơ ế ọ ủ ệ ếnước vào trong vật liệu này, có tồn tại mối liên hệ giữa việc có nước và hiện tượng lão hóa (suy giảm) cách đ ệi n hay không?

1.1 Mục đích nghiên c u ứ

Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứ u áp dụng một phương pháp thí nghiệm hi n đại: phương pháp ph i n môi trên miềệ ổ đ ệ n t n s (FSDM) để xác ầ ốđịnh các đặc tính đ ệi n môi c a v t li u cách iủ ậ ệ đện như: hằng số đ ện môi tương đối i(ε’), hệ số tổn hao i n môi (ε’’), góc t n hao i n môi (tanδ), i n tr cách i n, đ ệ ổ đ ệ đ ệ ở đ ệ

đ ệi n tr su t kh i, i n tr su t mặt trong đ ềở ấ ố đ ệ ở ấ i u kiện tại Việt Nam, xác định sự khuếch tán của nước trong VLC khi bị tác động bởi các yếu tố nhiệt độ - độ ẩm cao

và hậu quả của nó lên tính chấ đ ệt i n môi của vật liệu Nh ng dữ liệu này rấữ t quan trọng vì nó không chỉ cung cấp các thông tin cơ bản v cơề ch gây lão hoá c a v t ế ủ ậliệu, ứng dụng để cải thiện nó trong quá trình s n xu t mà còn có nhữả ấ ng óng góp đthiết thực cho vi c ch n oán s m hi n tượng lão hoá hay xác định ngưỡng lão hoá ệ ẩ đ ớ ệ(critical state) để có biện pháp xử lý hay thay thế ậ v t liệu kịp thời

1.2 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu: là vật li u cách i n thu c h composite epoxy, ệ đ ệ ộ ọđược sử dụng làm cách i n trong ch tạ đ ệ ế o máy bi n áp t i Công ty cổ phần chế tạo ế ạthiết bị đ ệ Đ i n ông Anh

b) Phương pháp nghiên cứu: là các phương pháp thí nghiệm ch n oán ẩ đcách đ ệi n nói chung (phương pháp thí nghiệm lão hóa tăng tốc-Accelerated Experiment Method-AEM; Phương pháp ngâm tẩm trong nước đã được xây dựng với các thông số phù hợp vớ đ ềi i u kiện vận hành tại Việt Nam), phương pháp phổ

đ ệi n môi nói riêng cùng v i phương pháp phân tích dòng phân c c và kh phân c c ớ ự ử ựđược tích hợp trong thi t b o có tên (phân tích hàm lượế ị đ ng n c trong cách i n ướ đ ệ

rắn - DIRANA) và áp dụng cho đối tượng cụ thể là cách đ ện rắn sử dụng trong máy ibiến áp đ ệi n lực (MBA) chế tạo tại Việt Nam

c) Phạm vi nghiên cứu: bao gồm phân tích, so sánh các phương pháp để l a ựchọn phương pháp phổ đ ệ i n môi trong việc xác định các đặc tính đ ệi n môi của cách

đ ệi n; C ch c ng như mô hình toán học của quá trình khuyếch tán nước vào trong ơ ế ũVLC nhằm xác định hàm lượng nước bão hòa, thời gian vật liệu bị bão hòa nước và

để xỏc định cỏc đặc tớnh đ ệi n mụi theo th i gian ngấm nước củờ a cỏch i n trong đ ệ

đ ềi u ki n t i Vi t Nam Luận ỏn cũệ ạ ệ ng ó phõn tớch, đỏnh giỏ quỏ trỡnh suy giảm đcỏch đ ệi n dưới tỏc động của nhiệt độ và ẩm cao.độ

2 Lý do chọn đề tài

2.1 Tỡnh hỡnh nghiờn cứu ngoài nước

Nghiờn cứu vấn đề lóo hoỏ của vật liệu composite tiến tới giải thớch cơ chế

dẫn đến phúng đ ện chọc thủng đó được tiến hành tại nhiều cơ sở nghiờn cứu và cỏc itrường đại học trờn thế giới Đó cú rất nhiều cụng trỡnh nghiờn cứu về vật li u cỏch ệ

đ ệi n composite đặc biệt là quỏ trỡnh lóo hoỏ và phỏ huỷ vật li u (s xõm nh p c a ệ ự ậ ủ

đ ệi n tớch làm thay đổi phõn b trường, s hỡnh thành phúng i n c c b và hỡnh ố ự đ ệ ụ ộthành cõy đ ệi n - electrical treeing) [53], [70], [81], [83]

các liên kết bị đứt

hình thành vết phồn g rộp giữa mặt tiếp giáp

mặt tiếp giáp bị ẩm

Chất

độn vô cơ

vật liệu composit

Hỡnh 2: Ảnh hưởng của nước lờn mặt tiếp giỏp của vật liệu composite

Nhiều nghiờn cứu về ả nh hưởng nước và nhiệt độ tớ đặc tớnh đ ệi i n mụi của vật liệu composite, trờn nhựa epoxy tinh khiết [59] và vật liệu composite nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh và mica [14], [20], [46], [54], [60], [67], [100] Mặc dự v y, ậbản chất của quỏ trỡnh lóo húa vẫn chưa được hiểu biết một cỏch cặn kẽ Do đú vẫn chưa tỡm ra được giải phỏp hữu hiệu để ch ng l i quỏ trỡnh lóo húa c a VLC do tỏc ố ạ ủđộng của nước Do đ ềi u kiện vận hành của cỏc thiết bị đ ệ i n cao ỏp mà cỏc nghiờn

cứu này thường xét đến sự ảnh hưởng của đ ện trường và nhiệt độ lên cách đ ện i i[43] Các tác nhân lão hoá thường được mô phỏng để nghiên c u là lão hoá bở đ ệứ i i n trường [82] bằng cách tác dụng lên vật liệu một số lầ đ ện i n áp xung v i giá tr cực ớ ịđại khoảng vài ch c kV/mm [76], và tác d ng nhi t độ [100] … ụ ụ ệ

Đối vớ ải nh hưởng c a độ m thì các nghiên c u ch a được đề cập ủ ẩ ứ ư đến nhiều

do đặc thù khí hậu của các nước này là khô và độ ẩm thấp Nội dung chủ yếu c a ủcác nghiên cứu này là xét đến sự ả nh hưởng và tác động của nước lên mặt ti p giáp ế(hình 2) [4], [33], [77] làm suy giảm đặc tính cơ học, lý h c và hoá họọ c c a v t liệu ủ ậcomposite trong đ ềi u kiện vận hành như : làm mát bằng nước [45], [58], [100], do nước mưa [43], [71]

Như vậy có th nh n th y r ng : h n ch của các nghiên cứu trên đến nay là ể ậ ấ ằ ạ ế

chỉ xét đến ảnh hưởng củ đ ệa i n trường và nhiệt độ hoặc sự xâm nhập của nước lên

mặt tiếp giáp vật liệu trong đ ều kiện đơn giản mà không có sự kế ợi t h p c a các tác ủnhân như : nhiệt độ và độ ẩm cao Mọi giải thích cho cơ chế lão hoá đến nay vẫn

ch a ư được sáng tỏ rõ ràng Đây là v n đề khoa học mà đề tài của nghiên cứu sinh sẽ ấtiến hành nghiên cứu

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, trong đ ều kiện hiện nay nhiều thiết bị đ ện cao áp (máy biến i i

áp, máy phát đ ệi n …) có cách đ ệi n bằng vật liệu composite : vách ng n trong các ăthiết bị đ óng c t khí, cách i n c a stator máy i n quay, đường dây truy n t i,… ắ đ ệ ủ đ ệ ề ả

đã b t đầu được s dụắ ử ng r ng rãi H u h t các thi t b này đến nay ch yếộ ầ ế ế ị ủ u v n ẫđược nhậ ừp t nước ngoài Tuy nhiên việc s dụử ng v t li u composite trong các thi t ậ ệ ế

bị vớ đ ềi i u ki n c a m t nước nhiệệ ủ ộ t đới khí h u nóng m c a Vi t Nam thì chưa ậ ẩ ủ ệđược quan tâm

Các cơ ở ả s s n xuất chế ạ t o, trung tu, đại tu và thí nghiệm máy bi n áp thường ếcũng chỉ tiến hành đo đạc và kiểm tra m t s các thông số như: ộ ố

- Đ đ ệo i n tr cách i n c a máy bi n áp ở đ ệ ủ ế

- Đo đặc tính đ ệi n môi (góc tổn hao - tanδ) ở tần số 50Hz

- Đ đ ệo i n dung C2/C50 của máy biến áp

- Thí nghiệ đ ệm i n áp chịu đựng tăng cao tần số 50Hz theo thời gian.…

Ngoài các phép đo và kiểm tra trên, chúng ta chưa nhận thấy có nghiên cứu nào đề cập tới bản chất của việc khi các kết quả đ o thay đổi theo th i gian vận hành ờhay chính là quá trình lão hoá của cách đ ệi n

Với mục đích kiểm tra dự phòng cách đ ện và dự báo tuổi thọ của máy biến i

áp, giúp công tác bảo trì, bảo dưỡng các thiế t bị cao áp, nâng cao, kéo dài tuổi thọ phương pháp phổ đ ệ i n môi trên miền tần số (Frequence Spectroscopy Dielectric Method - FSDM) là một phương pháp hiện đại không phá huỷ cách đ ệi n có độ nhạy cao giúp chẩ đn oán các tính chất cách đ ệi n của vật liệu khi lão hoá, có thể triển khai nhanh tại phòng thí nghiệm hay tại hiện trường [91], [100] và thậm chí có khả ă n ng cung cấp thông tin trực tuyến (online) về tình trạng hiện thời của vật liệu

Về tình hình sử dụng VLC ở Việt Nam hiện nay, một số chủng loại VLC đã được sử dụng trong công nghi p tuy s lượng chưệ ố a nhi u nh ng t c độ ngày m t ề ư ố ộtăng rất nhanh Nhiều cơ sở nghiên c u trong nước ã t p trung đầu tư, nghiên cứu ứ đ ậ

và triển khai ứng d ng vụ ật liệu mới phục vụ công nghiệp quốc phòng, công nghiệp dân sinh và đã đạt được một số thành tựu như: cách đ ệi n trong của máy biến áp (Công ty cổ phần chế tạo thi t b i n ông Anh), công s và lô c t ng m, vòm ế ị đ ệ Đ ự ố ầ

chứa máy bay, bể chứa, ống dẫn nước thải bằng vật liệu composite nền nhựa (Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội); xuồng máy, dụng cụ gia đình (Viện Khoa Học Việt Nam); nhà lắp ghép, tàu xu ng (Viện nghiên cứu vật liệu mới – TP.HCM) ồ

và một số ả s n phẩm khác của một số ơ ở c s nghiên c u và s n xu t khác trong nước ứ ả ấPhòng thí nghiệm trọng iđ ểm quốc gia về Đ ệ i n cao áp (thuộc Viện Năng

lượng – Bộ Công Thương), đang được tiến hành xây dựng và sẽ đưa vào hoạt động trong thời gian tới với các hệ ố th ng thi t b th nghi m hi n đại có c p i n áp cao, ế ị ử ệ ệ ấ đ ệcông suất lớ đ ền, i u kiện môi trường như phòng tạo môi trường, sẽ là cơ sở nghiên cứu mạnh về vật li u cách i n và thi t b i n cao áp, nhi u nghiên c u, nhi u thí ệ đ ệ ế ị đ ệ ề ứ ềnghiệm, đối tượng thử nghiệm sẽ lần đầu tiên được thực hiệ ở Việt Nam n

Vì vậy, hướng nghiên cứu của đề tài cũng tập trung vào vật liệu cách đ ệ đi n ã

và sẽ được sử ụ d ng Việt Nam, trong đó có vật liệu cách đ ệở i n composite nền nh a ựepoxy cốt sợi thủy tinh Độ bền cách đ ệi n và tuổi thọ ủ c a các kết cấu composite phụ thuộc vào các vật liệu thành phần, phương pháp gia công, t i tr ng tác d ng, môi ả ọ ụtrường làm việc Vì vậy, tuổi thọ và quá trình lão hoá của vật li u cách i n ệ đ ệcomposite cũng chưa được đề cập tới và nghiên cứu cụ thể

Số lượng các công trình nghiên cứu v lĩề nh v c này ch a nhi u, đặc bi t là ự ư ề ệcác nghiên cứu về ả nh hưởng c a môi trường nhi t độ và độ m cao đến v t li u ủ ệ ẩ ậ ệcách đ ệi n composite còn rất ít Xuất phát từ những lí do trên, đề tài nghiên cứu của luận án được hình thành Tác giả hy vọng rằng kết quả của luận án s có tác d ng và ẽ ụ

lợi ích ít nhiều phục vụ cho việc khai thác hiệu quả phòng thí nghiệm trọng đ ểm iquốc gia về Đ ệ i n cao áp, phục vụ cho các nhà nghiên cứu cũng như các cơ sở sản xuất trong nước trong lĩnh vực cách đ ệi n composite và ứng dụng vật liệu mới đang trên đà phát triển nhanh như hiện nay ở Việt Nam

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

b) Luận án đã xây dựng được mô hình thí nghiệm lão hóa tăng tốc với các thông số phù hợp vớ đ ềi i u kiện vận hành tại Việt Nam Tại phòng thí nghiệm, các mẫu thử có cấu trúc khác nhau với những iđều kiện lão hoá khác nhau sẽ được phân tích theo các khía cạnh tác động môi trường xung quanh như: nhiệt độ và độ ẩm cao

c) Luận án đã chỉ ra rằng, cơ chế phân cực ở lớp tiếp giáp không th gi i thích toàn ể ả

vẹn được vấn đề, mà cơ chế phân cực đ ện cực mới là nguyên nhân chính gây nên i

sự tăng cao c a h ng s i n môi tương đối ε’ và ch số tổủ ằ ố đ ệ ỉ n hao i n môi ε’’ tần đ ệ ở

số thấp Chỉ số ε’’ đặc bi t nh y v i hàm lượng nước trong vậệ ạ ớ t li u trên toàn miền ệ

tần số và là chỉ số tin cậy để đánh giá tình trạng cách đ ện i

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

a) Đề tài được đặt ra xuất phát từ nhu cầu thực tế trong công tác thiế ết k , ch tạo các ếthiết bị đ ệ i n cao áp nói chung và máy bi n áp nói riêng t i Vi t Nam ế ạ ệ

b) Phòng thí nghiệm trọng i m quốc gia về Đ ệđ ể i n cao áp (thuộc Viện Năng lượng –

Bộ Công Thương), đã được xây dựng với các hệ thống thiết bị thử nghiệm có cấp

đ ệi n áp, công su t, phòng t o môi trường ph c v nghiên cứu và các đối tượng thử ấ ạ ụ ụnghiệm lần đầu tiên được trang bị ở nước ta Các thiết bị cũng nh phòng t o môi ư ạtrường thử nghiệm phục vụ cho nghiên cứu về vật li u cách i n ã được trang bị ệ đ ệ đtương đối đầ đủy Vì vậy, hướng nghiên cứu cũng như tên đề tài sẽ nhằm vào vật liệu mới mà cụ thể là VLC nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh

Do đó kết quả của lu n án có ý ngh a ng d ng thi t thựậ ĩ ứ ụ ế c trong công vi c ệchế tạ o c ng nh vậũ ư n hành b o dưỡng MBA t i Việt Nam nói chung và tại Công ty ả ạ

cổ phần chế tạo thiết bị đ ện Đông Anh nói riêng i

4 Mục tiêu của luận án

Nghiên cứ ảu nh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm lên tính chấ đ ệt i n môi của vật liệu cách đ ệi n composite dùng trong máy biến áp đ ệi n lực

5 Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

Trong chương đầu tiên, luận án sẽ giới thiệu tổng quan và tình hình nghiên

cứu vật liệu composite nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh dùng làm cách đ ện trong icác thiết bị đ ệ i n cao áp nói chung và trong máy biến áp nói riêng Các tính chất đ ệi n môi của vật liệu cách đ ệi n, cấu tạo và tính chất của vật liệu composite cũng được nghiên cứu và phân tích rất đầy đủ

Trong chương 2 luận án xây dựng mô hình thí nghiệm lão hóa tăng tốc (Accelerated Experiment Method) và các phương pháp thí nghiệm với các thông số phù hợp vớ đ ềi i u kiện vận hành tại Việt Nam để kiểm soát và định lượng s xu ng ự ốcấp của vật liệu Nghiên cứu lý thuyết và các phương pháp thí nghiệm quá trình

khuyếch tán nước vào trong vật liệu Nhiều tham số ả nh hưởng đến sự khuếch tán

của nước sẽ được xem xét như : nhiệt độ, độ ẩm cao và độ dày Các cơ chế khuếch tán của nước vào vật liệu composite cũng sẽ được phân tích cụ thể và chi tiết

Các phương pháp thí nghiệm chẩ đn oán bắt buộc sẽ được thực hiện để ánh đgiá sự xuống cấp của vật liệu cách đ ệi n cũng được thực hiện trong chương này Mỗi loại phương pháp thí nghiệm chẩ đn oán đều có các ưu và nhược đ ểi m riêng Tuy nhiên việc kết hợp các thí nghiệm này sẽ cho chúng ta biết được khá rõ bức tranh về tình trạng nhiễ ẩm m, nhiễm bẩn của cách đ ệi n rắn Trong số các phương pháp chẩn

đoán, phương pháp ph i n môi t n s th p ã thu được thành công lớn trên thế ổ đ ệ ầ ố ấ đgiới trong những năm gầ đn ây bởi vì phương pháp này đặc biệt hiệu qu v i các v t ả ớ ậliệu hỗn hợp bị lão hoá Luận án cũng sẽ cho thấy tính hiệ u quả của phương pháp phổ đ ệ i n môi trên miền tần số (Frequence Spectroscopy Dielectric Method-FSDM)

và phương pháp này lần đầu tiên được đưa vào áp dụng t i Viạ ệt Nam

Chương 3 sẽ khai thác các kết quả đạt được trong chương 2 Áp dụng phương pháp phổ đ ệ i n môi trong miền tần số Lầ n đầu tiên tại Việt Nam ã o đạc xác định đ đđược các đặc tính đ ệi n môi của cách i n nh : h ng s i n môi tương đối ’, h s đ ệ ư ằ ố đ ệ ε ệ ố

tổn hao đ ện môi ε’’ và góc tổn hao đ ện môi tanδ trong dải tần số 10i i -3Hz đến 103Hz trong các trường hợp đặc bi t: có xét đến nh hưởng c a nhi t độ và độ m cao ệ ả ủ ệ ẩ

Cụ ể th các n i dung nghiên c u c a lu n án nh sau: ộ ứ ủ ậ ư

5.1 Tổng quan và tình hình nghiên cứu vật liệu composite nền nhựa epoxy dùng làm cách đ ệi n trong các thiết bị đ ệ i n cao áp

5.2 Nghiên cứu lý thuyết và phương pháp thí nghiệm quá trình khuyếch tán nước vào vật liệu cách đ ệi n composite

5.3 Kết quả thực nghiệ đm o đạc và phân tích

5.4 Kết luận

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ VLC VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VLC

N ỀN NHỰA EPOXY DÙNG TRONG CÁC THIẾT BỊ Đ ỆN CAO ÁP I 1.1 Các tính chất đ ệ i n môi của vật liệu cách điện

Đ ệi n môi (dielectric) là t t cảấ các v t li u có kh n ng phân c c dưới tác d ng ậ ệ ả ă ự ụ

của đ ện trường bên ngoài, tồn tại ở ba trạng thái [10]: khí, lỏng, rắn Khi đặt vào itrong đ ệi n trường, các hiện tượng vật lý cơ bản x y ra trong i n môi là d n i n ả đ ệ ẫ đ ệ(đặc trưng bởi đ ện dẫn suất γ hoặc đ ện trở suất ρ); phân cực (đặc trưi i ng b i h ng s ở ằ ố

đ ệi n môi tương đối εr); tổn hao đ ệi n môi (đặc trưng bởi tang c a góc tổn hao đ ệủ i n môi tanδ); hiện tượng đánh thủng i n (đặc tr ng b i độ bềđ ệ ư ở n cách iện hay cường đ

độ iđ ện trường đánh thủng (Eđt) và thay đổi các đặc tính cơ – lý – hóa – đ ệi n dẫn đến lão hóa

Vật liệu cách đ ện là các đ ện môi có các tính chấi i t cách i n t t, áp ng yêu đ ệ ố đ ứ

cầu dùng làm cách đ ện Các tính chất đ ện môi (tính chất cách đ ệi i i n) của vật liệu

đều phụ thu c vào i u kiệộ đ ề n môi trường làm vi c : nhiệt ệ độ, áp suất, độ ẩm, đ ện itrường, tia sóng ngắn, tần số của đ ệi n trường, dao động cơ ọc… h

1.1.1 Đ ệi n dẫn (conduction)

Vật liệu cách đ ệi n rắn có rất nhiều và đa dạng về thành phần hoá học cấu trúc, về độ sạch và tạp ch t Trong v t li u cách i n r n các ph n t bịấ ậ ệ đ ệ ắ ầ ử ràng bu c ộvào đ ểi m nút, chúng chỉ có thể dao động quanh v trí cân b ng này Quá trình ị ằchuyển dịch của các phầ ử ừ ịn t t v trí này đến v trí khác r t khó kh n [10] ị ấ ă

Khi đặt vật liệu cách đ ệi n trong đ ệi n trường, trong đ ệi n môi của vật liệu cách

đ ệi n xu t hi n s di chuy n các i n tích t do t o thành dòng i n có tr sốấ ệ ự ể đ ệ ự ạ đ ệ ị nh ỏchạy từ bản c c này sang b n c c khác Hiện tự ả ự ượng này gọi là hiệ ượng dẫn n t đ ệi n

của đ ện môi i

Đ ệi n d n su t c a v t li u cách i n r n r t khác nhau, không nh ng b i lo i ẫ ấ ủ ậ ệ đ ệ ắ ấ ữ ở ạ

vật liệu cách đ ện mà còn bởi thành phần tạp chất và đ ềi i u kiện làm việc của chúng Trong đ ệi n môi rắn tồn tại các đ ệi n tử tự do và các ion của bản thân đ ệi n môi hay của các tạp chất Do vậ đy iện dẫn của vật liệu cách đ ện rắn có thể là đ ện dẫn i i

đ ệ ử đ ệi n t , i n d n ion hay t ng h p c a hai loạ đ ệẫ ổ ợ ủ i i n d n này Các i n tích t do còn ẫ đ ệ ựtồn tại trên bề mặ đt iện môi nhất là khi bụi, ẩm bám trên bề mặ ủt c a v t li u cách ậ ệ

đ ệ ắi n r n

Đối với v t li u cách i n r n có hai khái ni m: i n tr su t khối ρậ ệ đ ệ ắ ệ đ ệ ở ấ v (đ ệi n dẫn suất khối γv) và đ ệi n trở suất mặt ρs (đ ệi n dẫn suất γs)

a Đ ệ i n trở suất của vật liệu cách đ ệ i n

+ Đ ệi n trở suất khối (ρv): là đ ệi n trở suất của một khối vật liệu có dạng hình

lập phương có cạnh là 1cm khi dòng đ ện chạy qua hai mặt đối diện Đơn vị của ρi v

là Ω.cm

).(

h : bề dày của khố đ ệi i n môi (cm)

+ Đ ệi n trở suất mặt (ρs) là đ ệi n trở của một ph n m t v t liệu cách đ ệầ ặ ậ i n có

dạng hình vuông khi dòng đ ện đi qua hai cạnh đối diệi n, đơn v là Ω ị

)(

Rs :đ ệi n trở ề ặt hình vuông khối đ ệ b m i n môi đo được (Ω)

L : bề ộ r ng của khối điện môi (cm)

h : chiều rộng cạnh hình vuông (cm)

b Đ ệ i n dẫn suất của vật liệu cách đ ệ i n

+ Đ ệi n d n su t kh i: là đại lượng ngh ch đảo củ đ ệẫ ấ ố ị a i n tr su t kh i ở ấ ố

)

1(

1.1.2 Phân cự đ ệc i n môi (Polarisation)

Trong tụ đ ệ i n, môi trường giữ a hai đ ệi n cực là đ ệi n môi Khi đặt lên tụ đ ệ i n

một đ ện áp U thì trên bản cực sẽ có một đ ệi i n tích q Gi a q và U ta có quan h sau : ữ ệ

q’ : thành phầ đ ện i n tích tăng thêm trên bề ặ ả m t b n c c do quá trình phân c c ự ự

ở bên trong i n môi t o ra đ ệ ạ

T ừ đó người ta đưa ra tỷ số giữa q0 và q, tỷ ố đ s ó gọi là hằng số đ ệ i n môi tương đối

1q

q1q

qqq

q

0

' 0

' 0 0

19

π

ε =

Từ (1.5) và (1.6) ta có :

0 r 0

r 0

0

CU

.C.U.Cq.qq

=ε

Hằng số đ ện môi của một chất đ ện môi nào đó được xác định bằng tỷ số i igiữa đ ệi n dung tụ đ ệ i n có đ ệi n môi làm bằng chất đó và đ ệi n dung của tụ đ ệ i n có cùng kích thước nhưng i n môi là chân không đ ệ

1.1.3 Tổn hao đ ệi n môi (Dielectric Loss)

Khi đặt vật liệu cách đ ệi n trong đ ệi n trường, sẽ làm cho một phần năng

lượng đ ện sẽ biến thành nhiệt năng, sau một thời gian làm đ ệi i n môi đốt nóng lên Hiện tượng này gọi là hiện tượng tổn hao đ ệi n môi

Góc tổn hao đ ệi n môi là góc phụ ủ c a góc lệch pha giữa dòng đ ệi n chạy trong

đ ệi n môi và i n áp tác d ng lên i n môi Ký hi u là δ; v i δ = 90đ ệ ụ đ ệ ệ ớ 0 - ϕ (độ)

It Ic

I

δ ϕ

Hình 1.1: Mô tả góc tổn hao đ ệ i n môi

1.1.4 Hiện tượng đánh thủng (Breakdown)

Ở đ ề i u ki n nhi t độ (tệ ệ 0), áp suất (P), tần số (f) nhất định, i n môi của vật đ ệ

liệu cách đ ệi n có mộ đ ệt i n áp giới hạn, nếu ta đặt vào vật liệu cách đ ệi n đó mộ đ ệt i n

áp vượt quá mức chịu đựng thì sẽ xảy ra hi n tượng ánh th ng i n môi Khi ó ệ đ ủ đ ệ đ

vật liệu mất tính cách đ ện, trởi thành d n i n b i m t h quang i n n i li n hai ẫ đ ệ ở ộ ồ đ ệ ố ề

đ ệi n c c V t li u cách i n th khí có kh năự ậ ệ đ ệ ể ả ng ph c h i tính ch t cách i n sau ụ ồ ấ đ ệkhi phóng đ ệi n, Nhưng đối v i v t kiớ ậ ệu cách đ ệi n thê rắn, sau khi đã bị phóng đ ệi n,

đ ệi n áp ngưỡng ch u đựng b gi m h n, n u ti p t c cung c p i n áp thì vật liệu ị ị ả ắ ế ế ụ ấ đ ệcách đ ệi n sẽ bị phong i n ánh thủđ ệ đ ng t i v trí cũ vớ đ ệạ ị i i n áp th p h n r t nhiều ấ ơ ấTại vị trí phóng đ ệi n ta có thể quan sát thấy tia lử đ ệa i n hay hồ quang, có thể gây ra nóng chảy, làm rạn nứt vật liệu cách đ ệi n hay i n cực đ ệ

Dựa vào đ ện áp đánh thủng (Ui đt) ta xác định được bền đ ệ độ i n củ đ ệa i n môi

Ebđ, Ebđ là khả năng ch u đựng c a v t li u cách i n khi i n áp đặt vào mà không ị ủ ậ ệ đ ệ đ ệ

bị phá hủy, nó đặc trưng bằng cường độ đ ện trường tại đ ểm chọc thủng i i

h

U E

Eđt phụ thuộc vào các yếu tố:

- Phụ thuộc vào bản chấ ủt c a v t liệậ u cách i n đ ệ

- Nhiệt độ, độ ẩm, tần số và thời gian đặt đ ệi n áp

- Phụ thuộc theo bề dày vật liệu cách đ ện i

1.2 C ấu tạo và và phân loại đ ện môi hữu cơ i

Vật liệu hữu cơ gọi là các h p ch t c a cacsbon (C) với các nguyên tố khác, ợ ấ ủCácbon có khả năng t o ra m t s lớạ ộ ố n các h p ch t hóa h c v i nhi u lo i c u trúc ợ ấ ọ ớ ề ạ ấphân tử rất khác nhau C th là cácbon tham gia vào s tạụ ể ự o thành các ch t có ấ

“khung” phân tử hình chuỗi – xích, hình nhánh hoặc mạch vòng, khung ấy hoặc chỉ gồm có các nguyên tử cácbon hoặc ngoài nguyên tử cácbon còn có các nguyên tố khác dính vào giữa các nguyên tử cácbon đó

Cấu trúc phân tử có ảnh hưởng chính đến những tính chất của các chất hữu

cơ Một số vật li u cách i n h u c th p phân t có s lượng nguyên tử tham gia ệ đ ệ ữ ơ ấ ử ố

vào phân tử của chất này không nhi u, t m t vài nguyên tử đến hàng chụ đề ừ ộ c, ôi khi đến hàng trăm nguyên t Trong các ch t này có frêon hyđro cácbon của dầu mỏ và ử ấxôvôn

Số lượng lớn nh t các v t li u cách i n hữấ ậ ệ đ ệ u c thu c v các h p ch t cao ơ ộ ề ợ ấphân tử Đ ó là những chất có phân tử rấ ớt l n, ôi khi trong m t phân t có hàng đ ộ ửchục ngàn nguyên tử Khối lượng phân tử của các ch t này có th lên t i kho ng ấ ể ớ ảmột triệu, còn các kích thước hình học c a nhủ ững phân tử lên đến mức chúng không hòa tan được hoặc nếu có hòa tan thì dung dịch cũng giống như ệ h keo

Dựa theo nguồn g c c a các vậố ủ t li u cao phân t người ta có th phân chúng ệ ử ểthành hai loại lớn : loại thứ nh t, ó là v t li u nhân t o được s n xu t ra bằng cách ấ đ ậ ệ ạ ả ấchế biến hóa học những chất cao phân tử có sẵn trong thiên nhiên (ví dụ: xenlulôza chế biến thành estexenlulôza); loại thứ 2 có t m quan tr ng l n h n đối v i k thuật ầ ọ ớ ơ ớ ỹcách đ ệi n và nhiều ngành kỹ thuật khác, đó là vật liệu cao phân tử tổng h p được ợsản xuất ra bằng cách tổng hợp từ các chất thấp phân tử Đa số trong các vật liệ đu ó

có những tính chất kỹ thuật quý nhưng lại có thể được iđ ều chế ra bằng nguyên liệu

rẻ tiền, dễ tìm kiếm, như khí thiên nhiên, dầu mỏ, than đá v.v… Vì vậy ngày nay

người ta chú ý nhiề đến việc nghiên cứu, hoàn thiện và ứng dụng các vật liệ đó u u

với nhiều mục đích khác nhau, trong đó có vật liệu cách đ ện và trong công nghiệp i

đã xu t hiấ ện các dây chuyền sản xuất tự động em lạđ i hiệu quả kinh tế cao

Về mặt hóa h c thì a sốọ đ các liên k t cao phân t là thu c loạ ậế ử ộ i v t li u trùng ệhợp, đó là những vật liệu mà phân tử của nó được t o nên b i s tổạ ở ự ng h p m t ợ ộlượng rất lớn các nhóm nguyên tử có cấu trúc giống nhau và đơn giản được gọi là mônôme Phả ứn ng tạo thành polime từ mônôme được gọi là sự trùng hợp Trong quá trình trùng hợp, các tính chấ ủt c a các ch t đó biến đổi theo quy luật nhất định, ấ

cụ thể là: khối lượng phân tử tăng lên, nhi t độ nóng ch y và nhi t độ sôi t ng, độ ệ ả ệ ănhớt tăng; trong quá trình trùng hợp, chất có thể chuyển từ trạng thái khí hoặ ỏc l ng sang trạng thái đặc của chất lỏng và sau đó cả trạng thái rắn, độ hòa tan giảm v.v…

Nhựa có tên gọi của một nhóm các v t liệu có nguồn gốc và bản chất rất ậkhác nhau nhưng có một số đặc i m giống nhau về bảđ ể n ch t hóa h c c ng nh có ấ ọ ũ ưmột số tính chất vật lý chung Ở nhiệt độ thấ đp ây là nh ng ch t vô định hình nh ữ ấ ưdạng thủy tinh với độ giòn nhất định Khi ở nhiệt độ cao, nhựa mềm ra, trở thành dẻo và sau đó hóa lỏng, như vậy nhiệt độ nóng chảy của nhựa không thể hiện rõ rệt Phần lớn các loại nhựa được sử dụng trong kỹ thuật cách đ ệi n không hòa tan trong nước và ít hút ẩm, nhưng chúng lại hòa tan trong các dung môi hữu cơ thích hợp Thông thường nhựa có tính kết dính và khi chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn nhựa sẽ gắn ch t vào v t r n ti p xúc v i nó Trong kỹặ ậ ắ ế ớ thu t cách i n chúng được ậ đ ệdùng làm thành phần cấu tạo quan trọng nhất của nhiều loại sơn, các hỗn h p, các ợchất dẻo, phim ảnh, các vật liệu xơ nhân tạo và xơ ổ t ng hợp v.v…

Dựa theo nguồn gốc của các loại nh a người ta chia ra thành các loại nhự ựự a t nhiên, nhựa nhân tạo và nhựa tổng hợp Bảng 1.2: Đặc tính của các loại nhự ổa t ng

Sơn là những dung dịch keo của nhựa, của bitum, dầu khô và các chất tương

tự Các chất này được gọi là n n s n và hòa tan trong dung môi d bay h i Khi s n ề ơ ễ ơ ơđược sấy khô dung môi b bay h i h t, còn nềị ơ ế n s n s chuy n sang tr ng thái r n và ơ ẽ ể ạ ắtạo thành màng sơn

Hợp chất khác với sơn ở chỗ trong thành phần của nó không có dung môi

Hợp chất cách đ ện gồm có các loại nhựa bitum, sáp, dầu v.v… khác nhau, nếu ban iđầu ở ạ tr ng thái r n thì trước khi dùng ta ph i un nóng đến nhiệắ ả đ t độ c n thiết để thu ầđược chất có độ nh t th p thích h p Theo cách s dụớ ấ ợ ử ng s n cách i n có th chia ơ đ ệ ểthành ba nhóm chính: sơn tẩm, sơn phủ và sơn dán Bảng 1.3: Tính chất của mộ ốt s loại sơn cách i n [10] đ ệ

Các vật liệu xơ khác nhau có những đặc tính rất khác nhau tùy theo thành phần hóa học của chất tạo xơ Phần lớn các loại xơ được s n xu t trong thực tế là ả ấnhững vật liệu gốc hữu cơ, gồm các vật liệu gốc thực vật nh : g , bông, gi y v.v… ư ỗ ấcác vật liệu g c động v t nh : t và len, xơố ậ ư ơ nhân t o thu được b ng cách ch bi n ạ ằ ế ếhóa học các nguyên liệu xơ thiên nhiên (xenlulô) và sau cùng là xơ tổng h p được ợsản xuất ra từ các polime tổng hợp

Vật liệu xơ xenlulô có độ hút ẩm lớn, độ bền nhi t không cao (c p Y khi ệ ấ

ch a ư được tẩm và cấp A sau khi tẩm) Trong trường hợp đòi hỏi chất cách đ ệi n làm việc ở nhiệt độ cao thì người ta dùng vật liệu xơ vô cơ trên cơ sở mica và sợi th y ủtinh

1 Gỗ: gỗ có giá r , d gia công nên nó là vât li u cách i n đầu tiên được s ẻ ễ ệ đ ệ ử

dụng trong kỹ thuật đ ện Gỗ có đặc tính cơ tương đối i tốt, bềđộ n kéo (d c theo xơ) ọtrong phạm vi 700-1300 KG/cm2 ; khối lượng biến động trong kho ng t 0,5 đến ả ừ0,7-0,8 G/cm3 , rất ít khi đạt tới 1,0 G/cm3 Thường thì gỗ nặng có độ bền cao h n ơ

gỗ nhẹ

Gỗ không được dùng rộng rãi trong kỹ thuật đ ệi n vì có nh ng nhược iểm sau: ữ đ

- Tính chất hút ẩm cao làm cho tính chất cách đ ệi n của gỗ giả đm i nhiều khi bị hút

ẩm, m t khác các chi ti t làm bằặ ế ng g m khi ã khô l i d b cong vênh và n t ỗ ẩ đ ạ ễ ị ứ

- Không xác định được tiêu chuẩn cho các tính chất của gỗ ngay cả với g cùng ỗloại, vì tính chất của gỗ lệ thu c vào n i tr ng, tu i và các yếộ ơ ồ ổ u t khác Tính ch t ố ấcủa mẫu gỗ không thuần nhất do chiều xẻ ỗ g , các mấu và các khuy t t t khác ế ậ

- Độ bền đ ệi n kém và có thể cháy được

Trong kỹ thuậ đ ệt i n g được dùng để ch t o: tay c m các b truy n động trong dao ỗ ế ạ ầ ộ ềcách ly và máy cắt dầu, cán cầu dao đ ệi n, giá đỡ, các chi tiết chêm giữ chặt, chêm rãnh của máy điện, c t g đường dây t i i n v.v… ộ ỗ ả đ ệ

2 Giấy và cáctông: Giấy và cáctông là những vật liệu hình tấ m hoặc quấn lại thành cuộn có cấu t o bạ ằng xơ ngắn, thành phần chủ yếu là xenlulô Người ta thường dùng gỗ xenlulô rẻ tiền để sản xu t gi y Trong khi s n xu t gi y c n tách ấ ấ ả ấ ấ ầcác tạp chất ra khỏi gỗ, bằng cách nghiền vụn gỗ ngâm trong dung dịch hóa học, sau

đó r a s ch xenlulô ã n u để tách t p ch t ra và gi lạử ạ đ ấ ạ ấ ữ i xenlulô tinh khi t B t ế ộxenlulô chứa trong nước sau khi được gia công cơ khí, được rót trải ra thành một lớp trên mặt lưới chuyển động liên tục trên máy làm giấy Nước thoát ra qua các mắt lưới, còn lớp bột giấy được ép chặ ạt l i và s y khô khi i qua các trụấ đ c cán, cu i ốcùng thu được giấy thành cuộn

Có rất nhiều lo i gi y được s d ng trong kỹ thuậ đ ệạ ấ ử ụ t i n như:

- Giấy cáp được dùng làm cách đ ệi n của cáp đ ệi n lực

- Giấy cáp đ ệi n thoại loại này được chế tạo v i chi u dày 0,05mm và có các màu ớ ềkhác nhau, dùng để làm chất cách đ ệi n cáp đ ệi n thoại và chất đệm trong việc sản xuất mica

- Giấy tụ đ ệ i n loại này đã được t m làm i n môi cho t i n gi y ẩ đ ệ ụ đ ệ ấ

- Giấy bằng mica loại gi y này được dùng làm n n trong s n xu t b ng mica cách ấ ề ả ấ ă

đ ệi n

- Cáctông cách đ ệi n có hai loại cáctông được sử ụ d ng: loại để ngoài không khí cứng

và đàn hồi, dùng cho làm cách đ ệi n ở trong không khí (lót vào rãnh của máy đ ệi n, các lõi cuộn dây, các vòng đệm v.v…) và loại dùng trong dầu có cấu trúc xốp và mềm hơn, được dùng chủ yếu trong d u máy bi n áp Cáctông dùng trong d u có ầ ế ầtính tẩm dầu tốt và ở ạ d ng được tẩm có độ bề đ ện i n cao

- Phíp: Khi ta cho giấy mỏng i qua dung d ch clorua k m (ZnClđ ị ẽ 2) nóng rồ đi em quấn vào một tang quay bằng thép để có được chiều dày cần thiết; sau đó cắt lớp

giấy ra khỏi tang quay, đem r a (ử để thải h t clorua kẽm) cẩn thận bằng nước và ép ếthu được sản ph m g i là phíp ẩ ọ

- Giấy bằng xenlulô đã được axetyl hóa, tức là chuyển một phần thành phần axetyl xenlulô, có ε tgδ và độ háo nước nhỏ ơ h n và có tính chịu nhiệt cao Giấy làm bằng xenlulô đã được xianoctyl hóa có tính chịu nhiệt cao hơn Loại giấy này được dùng làm cách đ ệi n c a cáp, máy bi n áp và dùng để s n xu t hêtin c v.v… ủ ế ả ấ ắ

- Giấy “nomec” được sản xuất bằng xơ poliamit ch u nhiệị t loại thơm, là một loại vật liệu có rất nhiều triển vọng dùng làm chất cách đ ệi n cho máy điện, cáp và dây dẫn

đ ệi n ho c làm i n môi c a t i n Lo i gi y này có chi u dày t 0,05 đến 0,75 ặ đ ệ ủ ụ đ ệ ạ ấ ề ừ

mm và có độ bền đ ệi n khoảng 35kV/mm, khi đốt nóng tới 2000C cũng biến đổi ít

3 Vật liệu dệt: Dùng phương pháp gia công: kéo sợi và d t các nguyên v t ệ ậliệu có xơ dài để sản xu t ra vải dệấ t V i khác giấ ởả y chỗ có kết cấ đu ã hoàn toàn được xác định do sự đ an s i, trong gi y thì các x được x p l i v i nhau m t cách ợ ấ ơ ế ạ ớ ộ

lộn xộn không theo quy luật Trong cùng các đ ều kiện như nhau thì vật liệu dệt có i

độ bền c cao hơơ n gi y và gi y t m, nh t là khi b uốấ ấ ẩ ấ ị n, b mài mòn và khi b m, độ ị ị ẩbền không bị giảm quá nhiều, nhưng vật liệu dệt chưa tẩm hay đã được tẩm lại đắt tiền hơn và độ bền đ ệi n nhỏ hơn

Trong kỹ thuật cách đ ệi n người ta dùng sợi tết để làm cách đ ệi n cho dây dẫn

và dây cáp mềm bằng phương pháp quấn và tết Vải và băng được dùng bảđể o v ệphần cách đ ệi n chủ yếu c a máy đ ệủ i n và thiết bị đ ệ i n chống lại các tác dụng có từ phía ngoài vào Vả i còn được dùng vào việc sản xuất vải sợi cách đ ệi n và chấ ẻo t dnhiều lớp loại téctolít, ống lồng cách đ ệi n máy biến áp cao áp …

Bảng 1.4: Các đặc tính cơ của một số loạ ơ ữi x h u c ơTên loại xơ Độ b n kéo đứt, ề

Nitron 45 25

Hiện nay, trong các loại xơ tổng h p có s dụợ ử ng capron vào k thu t cách ỹ ậ

đ ệi n nhi u nh t S dụề ấ ử ng capron thay cho l a t nhiên và s i bông em lại hiệu quả ụ ự ợ đkinh tế cao vì rẻ tiền và tính chất cách đ ệi n tốt Loại xơ nitron là polime của acrinitryl có độ bền c , độ àn h i và độ chịu nhiệt cao (nhiệt độ hóa dẻo của nó ơ đ ồtrên 2350C)

1.6 Đ ệ i n môi vô cơ

Đ ệi n môi vô c là lo i v t liệu quan trọng trong kỹ thuậ đ ệơ ạ ậ t i n và vô tuyến

đ ệi n a s các i n môi vô c có nh ng tính ch t t t nh : tính chịu nhiệt cao, Đ ố đ ệ ơ ữ ấ ố ưkhông hút ẩm, độ bền c cao và n định, ch u được tác d ng c a b c x n ng lượng ơ ổ ị ụ ủ ứ ạ ă

và là vật liệu rẻ tiền … Trừ ộ m t số chất còn hầu hết các vật liệu vô cơ có kết cấu ion trong liên kết, có th là đơn tinh th hay a tinh thể Đối với vậể ể đ t li u vô c , có th ệ ơ ểtạo ra cho nó một số tính chất theo yêu cầu k thu t b ng cách thay đổi thành ph n ỹ ậ ằ ầ

và quá trình công nghệ gia công Vật liệu vô cơ được chia thành các nhóm sau:

1 Thủy tinh:

a Thủy tinh tụ đ ệ i n được sử dụng làm i n môi cho các t i n dùng trong đ ệ ụ đ ệcác bộ lọc cao áp, trong các máy phát xung, trong các m ch dao động c a thi t b ạ ủ ế ịcao tần Đối với loại thủy tinh này thì ε càng cao và tgδ càng nhỏ thì càng tốt

b Thủy tinh định vị dùng để chế tạo ra các chi ti t định v : th y tinh cách ế ị ủ

đ ệ đ ệi n ( i n tho i, ng ten, đỡ, xuyên, chu i, …) ạ ă ỗ

c Thủy tinh bóng đèn dùng làm bóng và chân đèn thắp sáng và làm nhi u ềloại ống đ ệi n tử khác nhau Yêu cầu đối v i loớ ại này phải có tính liên kết chặt chẽ tới mức tối đa với kim loại (vonfram, môlipđen v.v…) Tính chất này có liên quan tới việc lựa chọn giá trị cần thiết của hệ ố s nhi t n dài ệ ở

d Men thủy tinh là một loại thủy tinh đục và dễ nóng ch y, dùng để ph lên ả ủmặt ngoài của nhiều loại sản phẩm khác nhau

đ Th y tinh có chất độn Đây là những chủ ất dẻo được ép nóng bằng thủy tinh và bột mica, gọi là thủy tinh mica

e Xơ thủy tinh là thủy tinh được kéo thành sợi nhỏ dài và mềm dùng để sản xuất ra vật liệu dệt, làm nền cho v t liệu cách đ ệậ i n composite và dùng vào các mục đích khác nhau

2 Vật liệu cách đ ệi n bằng gốm, sứ

3 Mica và các vật liệu trên cơ ở ủ s c a mica

4 Amian và vật liệu chưa amian

5 Vật liệu xét-nhét đ ệi n, áp đ ệi n và êlectret

6 Cách đ ệi n oxít và cách đ ệi n florua

Vì vật liệu nghiên cứu là vật liệu composite nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh nên phần sau luận án sẽ đ i sâu nghiên cứu về nhựa epoxy và sợi thủy tinh

1.7 Cấu tạo và tính chất của vật liệu composite

Composite là một loại vật liệu nhân t o được hình thành và ng d ng ã t ạ ứ ụ đ ừlâu nhưng trong những thập niên gầ đn ây mới được phát triển mạnh Vật liệu composite so với các loại vật liệu truy n th ng nó có nhi u u i m n i b t nh ề ố ề ư đ ể ổ ậ ưphát huy được các ư đ ểu i m của vật liệu gốc: tính chấ đ ệt i n môi t t (góc t n hao nh , ố ổ ỏ

đ ệi n tr su t l n), đặc bi t chúng có được các tính ch t c họở ấ ớ ệ ấ ơ c r t t t [3], nh , kh ấ ố ẹ ảnăng chịu nhiệt, chịu mài mòn, chịu hồ quang, chịu tác dụng của môi trường hóa chất tương đối tốt, có thể chế tạo v i kích thước và hình dáng rấ đớ t a dạng như ố ng, tấm, thanh… [6], [8], [10], [40] Do đó vậ t liệu composite ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật và công nghiệp hiện đại như: hàng không

vũ trụ; đóng tàu; kỹ thuật đ ện; ô tô cơ khí; dầu khí; xây dựng dân dụng và trong đời isống v.v…

Dưới góc độ kỹ thu t, VLC là t hợậ ổ p c a 2 ho c nhi u v t li u thành ph n có ủ ặ ề ậ ệ ầbản chất hoàn toàn khác nhau Một trong các vật liệu thành phần làm nhiệm vụ liên kết được gọi là chất liên kết hay nền (matrix) Còn v t li u thành ph n chính th hai ậ ệ ầ ứ

có chức năng chính là truyền t i và ch u t i ( i n áp, nhi t độ …) được g i là c t ả ị ả đ ệ ệ ọ ốhay chất tăng cường Nhiệm vụ quan trọng của chất tăng cường là phát huy đặc tính

riêng của mình, đó là tính bền và tính cứng, khả năng ch u được i n áp cao, ch u ị đ ệ ịnhiệt cao, chịu mài mòn.v.v… Các tính chất tổ hợp và trội của VLC hoàn toàn khác với các tính chấ ủt c a v t li u thành ph n khi để riêng r tuy r ng trong VLC các tính ậ ệ ầ ẽ ằchất riêng của từng v t li u thành ph n không hoàn toàn b thay đổi [10] ậ ệ ầ ị

Ngày nay vật liệu cốt (chất tăng cường) thường là vật liệu sợi thủy tinh, kim loại, polymer và gốm sứ Đối với các chi tiết và kết cấu làm vi c trong môi trường ệ

đ ệi n áp và nhi t độ cao, vi c ch n v t liệệ ệ ọ ậ u c t (chấ ăố t t ng cường) là s i th y tinh, ợ ủmica, polymer và gốm sứ Chất tăng cường có thể ở dạng h t, d ng s i, d ng dây ạ ạ ợ ạmảnh hoặc được dệt ở dạng vải, chúng được sắp xếp và bố trí theo phương tác dụng của lực Thông thường vật liệu tăng cường là pha gián đ ạo n và n n là pha liên t c ề ụDạng đơn giản nhất của VLC chỉ bao gồm từ hai vật liệu thành phần Tuy nhiên trong ứng dụng thực tế, khi cần thiết ta thường cho thêm chất ph gia, ví d nh ụ ụ ưchất tăng cường bám dính, chất độn, chất màu, chấ đt óng r n, ch t làm m m v.v… ắ ấ ềVật liệu cốt (chất tăng cường) có 3 nhiệm vụ sau [3], [74]:

+ Tạo ra hình dáng và giữ được hình dáng của chi tiết và kế ất c u

+ Giữ cho sợ ổi n định trong lòng VLC, bảo vệ sợi trước s tác d ng bên ự ụngoài của môi trường

+ Phân bố đều ng suất và truyền lực cho chất tăng cường ứ

Mặc dù hầu như toàn bộ độ bền và độ cứng do ch t t ng cường quy t định, ấ ă ếnhưng vật liệu nền cũng có thể gây nên phá hủy VLC nếu ứng suất quá lớn xuất

hi n ệ ở các hướng không được tăng cường bằng vật liệu cốt Trong thiết kế các kết

cấu và chi tiế t nếu dùng VLC ta có một ưu đ ểm lớn là có thể tự do lựa chọn kết cấu icủa các lớp, qua đó ta có thể thực hiện được mức độ trực hướng và dị hướng của v t ậliệu composite theo ý muốn chủ quan, có nghĩa là ta có th i u khi n theo ý mu n ể đ ề ể ốhướng của sợi theo hướng tác dụng của ngoại lực hay đường i c a l c trong kết đ ủ ự

cấu Qua đó ta có thể đ ều khiển được độ cứng và độ bề i n theo t ng v trí và từng ừ ịvùng của chi tiết cũng như ế k t cấu Vì vậy, các kết cấu cũng như chi tiết có th được ể

thiết kế có hình thù, kích thước, bề dày từở ng vùng, t ng ch phù h p v i độ bền, ừ ỗ ợ ớ

độ cứng, độ bi n d ng phù h p với yêu cầu kỹ thu t ế ạ ợ ậ

Vật liệu composite cốt sợi/nhựa hữu cơ (sợi thường dùng là sợi thủy tinh, cacbon, kevlar ; nhựa thường dùng là nhựa epoxy, polyeste …) có rất nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp hiện đại và đời sống [4], [10] Tùy thuộc vào sự phân bố ủ c a sợi trong nhựa, người ta phân biệt v t liậ ệu composite ra:

• Composite đồng phương (hình 1.2a),

• Composite “Mat” (hình 1.2b),

• Composite vải (hình 1.2c)

c) b)

a)

Hình 1.2: Lớp vật liệu composite

Dưới góc độ cơ học, vật liệu composite được xếp vào 3 nhóm chính:

• Composite đẳng hướng (hình 1.3a),

• Composite đẳng hướng ngang (hình 1.3b),

• Composite trực hướng (hình 1.3c)

Hình 1.3 : Vật liệu composite lớp

Trong thực tế, ta thường gặp VLC lớp dưới dạng tấm hoặc vỏ, chẳng hạn tấm

có thể gồm nhi u l p đồng phương, nhi u l p v i, nhi u l p “Mat”, ho c là t hợp ề ớ ề ớ ả ề ớ ặ ổcủa các lớp đồng phương, vải và “Mat” ; vật liệu trong mỗi lớp có thể khác nhau,

phương của cốt trong các lớp cũng khác nhau vv … Hình 1.4 giới thiệu mô hình của vật liệu composite lớp

Hình 1.4 : Mô hình của vật liệu composite lớp

Vật liệu composite nền nhựa cốt sợi còn có ưu đ ểm là khả năi ng d p t t dao ậ ắđộng của c u trúc t t h n, tính dãn n nhi t th p, tính d n nhi t nh , kh năng ấ ố ơ ở ệ ấ ẫ ệ ỏ ảchống ăn mòn cao Một số vấn đề cầ ưn l u ý trong k t c u b ng VLC: tuy VLC n n ế ấ ằ ề nhựa có nhiề ư đ ểu u i m nhưng VLC nền nhựa có độ bền nhi t tương đối th p, r t ệ ấ ấnhạy cảm với ảnh hưởng của độ ẩm, của môi trường n c và chất lỏng cũng như ướánh sáng

Do cấu trúc của VLC hoàn toàn khác so với cấu trúc của các loại v t liệu ậtruyền th ng cho nên ng su t phá hủố ứ ấ y c a c u trúc VLC c ng khác so v i ng su t ủ ấ ũ ớ ứ ấphá hủy của các cấu trúc kim loạ Ởi kim loại, phá hủy thường được mở đầu bằng việc hình thành các vết nứt và sau đó là sự phát triển của các vết nứt, còn VLC có ởthể có rất nhiều cơ chế phá hủy Việc phân bố ngẫu nhiên các cơ chế phá hủy dẫn

đến việc xác nh các hằng số đặc trưđị ng c a VLC có các giá tr khá t n m n [3], ủ ị ả ạ[74]

1.7.1 Cấu tạo và tính chất lý hoá của nh a epoxy ự

1.7.1.1 Các tính chất lý học

Trong các chất dẻo, một số các loại nh a sau ây thường được sử dụng làm ự đvật liệu nền cho vật liệu composite:

- Nhựa Polyester không no

- Nhựa Epoxy (EP)

- Nhựa Phenol

- Nhựa Melamin

- Nhựa Silicone và một số lo i nhạ ựa khác

Trong các loại nhựa thường hay chọn làm v t liệậ u n n cho v t li u ề ậ ệcomposite, nhựa epoxy được dùng với phạm vi rộng nhất do có nhiề ư đ ểu u i m nổi bật so với các loại nền nhựa khác Khi cần sử ụ d ng loạ ậi v t li u composite n n nh a ệ ề ự

có các tính chất cách điện tốt [21], [70], tính cơ học cao ngay c nhi t độ trên ả ở ệ

1000C, người ta chọn epoxy làm vật liệu nền

Các tính chất chính của nhựa epoxy là [100] :

- Hấp thụ và mất nước kém, đảm bả ổo n định kích thước tốt;

- Tính chất cơ khí đảm bảo tốt ở nhiệt độ lên tới 100°C;

- Tính chấ đ ệt i n môi tốt: góc tổn hao tanδ = 2,5.10-2

; hằng số đ ệ i n môi tương đối εr=4,2; đ ệi n trở suất ρ = 5.1015 Ω.cm ; độ bề đ ện i n Uc ≈18 ÷ 20kV/mm;

- Khả ă n ng dính kết cao với nhiều loạ ật liệu (nhóm hydroxila); i v

- Khả ă n ng chịu nhiệt cao do có các nhân thơm;

- Chịu tốt với nhiều tác nhân hoá học tùy thuộc vào nhân tố đ óng rắn mà epoxy chịu được nhiều tác nhận hóa học khi sử ụ d ng

Đặc biệt epoxy có tính bám dính r t t t đối v i r t nhi u lo i v t li u So v i ấ ố ớ ấ ề ạ ậ ệ ớcác loại nhựa khác, epoxy có độ co ngót sau khi đóng rắn thấp, vì vậy VLC sau khi chế tạo xong có ưu đ ểi m lớn là ứng suất dư nhỏ, kích thước sản ph m ít b thay đổi ẩ ịThực tế cho thấy VLC nền nhựa epoxy sẽ đạt được độ bền c họ ấ ốơ c r t t t n u ch n ế ọđược loại nhựa epoxy có tính chấ ơ ọt c h c và có độ bám dính v i b m t s n th t tốt ớ ề ặ ơ ậ[74] Tuy nhiên, các tính chất cơ ọ h c của nhựa epoxy và độ bám dính v i b m t s i ớ ề ặ ợlại phụ thuộc vào công ngh ch tạệ ế o VLC và m t s ch t khác nh : ch t t ng cường ộ ố ấ ư ấ ăbám dính, chất làm mềm, chấ đt óng rắn.vv…So với nhựa polyester, epoxy có độ co

ngót nhỏ, độ bám dính tốt, khả năng ph màng t t cho nên trong lòng VLC ít hình ủ ốthành các mao mạch và lỗ hổng d c s i, đây là những u ọ ợ ư đ ểi m đối với vật liệu cách

đ ệi n, chính vì v y mà VLC được s dụậ ử ng r ng rãi trong ngành k thu t i n [10], ộ ỹ ậ đ ệ[73] Trước khi làm vật liệu nền cho VLC, nhựa epoxy ở một trong hai dạng sau:

- Dạng lỏng loãng với độ nhớt thấp hoặc lỏng đặc sệt với độ nhớt cao

- Dạng rắn như thuỷ tinh

Ở các lo i epoxy bình thường, v i nhi t độ bình thường và tu theo tr ng ạ ớ ệ ỳ ạthái lỏng loãng, lỏng đặc, đặc, đặc sệt và rắn mà màu của epoxy cũng thay đổi từ vàng nhạt, vàng, vàng đậm, nâu đến nâu đậm Tỷ trọng của các nhựa epoxy trong khoảng 1,14 – 1,2

1.7.1.2 Cấu tạo hoá học của nhựa epoxy

Trong cấu trúc nhựa epoxy bao giờ cũng có ít nh t t 2 nhóm ấ ừ

epoxy

O trở lên Đây là nhóm rất nhạy cảm với phả ứn ng và là phần hoạt động cơ bản c a t t c các loạủ ấ ả i nh a epoxy Nhóm này tham gia ch yếự ủ u vào c u ấtrúc của nhựa epoxy

Nhựa epoxy được sản xuất công nghiệp đầu tiên là nhựa polyglycidylether với cấu trúc hoá học sau:

• Nhóm thứ 2 được s n xu t qua vi c epoxy hoá các h p ch t không no vì v y ả ấ ệ ợ ấ ậ

mà các nhóm epoxy của nó có thể đứ ng gi a Qua các v trí khác nhau c a ữ ị ủcác nhóm epoxy (trong công thức phân tử hoá học) mà cả 2 loại nhóm nhựa

epoxy cũng được phân biệt bởi liên kết trong quá trình đóng rắn

a Cấu tạo và sự hình thành của nhựa epoxy thuộc nhóm 1

Các loại nhựa epoxy được dùng phổ biến trên thị trường th giế ới là các nhựa polyglycidylether Các loại nhựa này được sản xuất thông qua việc biến đổi các polyphenol và epichlorohydrin Trong môi trường giàu kim loại kiềm sau khi tách

HCl Chất polyphenol thường được dùng nhất là bisphenol A Ch t bisphenol A có ấthể đ iều chế được qua việc trùng ngưng từ aceton và phênol trong môi trường axit Chất bisphenol A còn được gọi là dian

(1.11) Các nhóm epoxy ở ỗ m i cực của chuỗi và các nhóm OH ở giữa phân tử tạo ra phản ứng mạnh của nhựa epoxy với các chất làm cứng dạng anđêhít

b Sự hình thành của nhựa epoxy thuộc nhóm 2

Phương pháp hình thành nhựa epoxy thuộc nhóm 2 là phương pháp epoxy hoá, bằng cách biến đổi các h p chất không no cùng với các axit thông qua việc ợphân chia các liên kế đt ôi Tại vị trí liên kết đôi bị phá vỡ, các nhóm epoxy sẽ được hình thành Cụ thể qua việc epoxy hoá polybutadien, nhựa polyepoxy được hình thành

1.7.1.3 Cơ chế hình thành đóng rắn của nhựa epoxy

Khái niệ đm óng rắ ở đn ây chính là sự tạo màng không gian 3 chi u (3D) c a ề ủnhựa epoxy trong quá trình chế tạo v t li u composite Các polyme được đ ềậ ệ i u chế,