[发明专利]一种光固化介电功能梯度复合材料、其制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种光固化介电功能梯度复合材料及其制备方法。所述光固化介电功能梯度复合材料的原料包括光敏树脂和无机粉末，其中，光敏树脂包括20～80质量份的丙烯酸齐聚物、30～70质量份的丙烯酸酯单体、1～6质量份的光引发剂和0‑2质量份的助剂。本发明结合了光固化树脂和介电复合材料的制备，同时结合了3D打印技术。本发明根据高压电场分布制备单层介电常数可调控的复合材料，在电场较强部分使用高介电材料，在电场较弱部分使用低介电材料，有效保持高压电场的均匀性。本发明的复合材料可广泛应用于高压绝缘。

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种光固化介电功能梯度复合材料、其制备方法及应用。

背景技术

在电气领域，电场分布不均匀是导致绝缘击穿破坏、耐电性差的主要原因。传统控形的方法的效果往往有限，通过调整绝缘材料的介电性能即采用控性的方法可能是解决局部电场应力集中的根本途径。使用介电梯度材料，作为一种控制材料特性的方法，在调控电场分布、提高绝缘子耐电性能上有着巨大的潜力。长期以来，介电梯度材料是高电压绝缘领域中众多研究者追求的目标。介电梯度实现工艺一直是介电梯度材料研究的关键所在，也是介电梯度材料研究难点。

近年来，以材料累积成型为特点的增材制造(常被称为3D打印)技术为介电梯度材料提供了全新的实现手段。3D打印是随信息、材料与制造等多学科融合发展起来的一种先进制造技术，具有“逐点累积形成面、逐面累积成体”的核心技术特点。若将3D打印技术与介电梯度材料的制备相结合，通过控制逐面甚至逐点累积材料的混合比例，调整介电常数ε，实现控形与控性的结合，有望实现介电梯度材料的制造。在多种3D打印技术中，立体光固化(SLA)是目前研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种技术。该技术以光敏树脂为原材料，通过计算机控制紫外激光束使其固化成型，具有加工精度高、表面质量好等特点。

单一的无机陶瓷材料，其介电常数高，但制备过程中需高温烧结，工艺繁琐，材料的击穿强度低，且材料介电性能单一，无法从根本上解决高压绝缘子击穿破坏、耐电性差的问题。聚合物材料具有优异的加工性能、低介电损耗以及高击穿场强等优点，但其自身介电常数普遍较低(小于10)，显然单一的聚合物材料满足不了高介电领域的需求。近年来，研究表明，将聚合物和无机材料以一定配比复合，可以制备出介电常数高、介电损耗低，且击穿场强高的聚合物基复合材料。

目前，对于聚合物基复合材料的制备，大多数也是采用热固化法，热固化法需要大量有机溶剂，能耗高，制备的材料表面易粗糙，目前的研究也仅限于3～5层的梯度，层间粘结以及多层化的问题亟待解决。与热固化相比，UV光固化技术具有固化快、节能、环保等优势，在高科技领域有着巨大的应用潜力。材料是实现介电梯度材料3D打印的基础。然而，光固化的主要材料为光敏树脂，但光敏树脂材料的介电常数单一且不可调控，这限制了光固化技术在聚合物基介电材料制备中的应用。

发明内容

为了解决介电梯度材料制备工艺繁琐、材料介电性能单一以及层间不易粘结等问题，本发明采用光敏树脂为聚合物基体，采用无机材料为填料，结合3D打印中的数字光处理(DLP)技术，通过计算机控制各层累积材料的混合比例，调整介电常数ε，使控形与控性相结合，实现了介电功能梯度绝缘子的制造。

具体而言，本发明提供一种3D打印制备光固化介电功能梯度复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)混合20～80重量份的丙烯酸酯齐聚物、30～70重量份的丙烯酸酯单体、1～6重量份的光引发剂和0～2重量份的助剂，得到树脂基体；按照不同的配比混合无机粉末和所述树脂基体，得到无机粉末含量不同的复合材料混合物浆料；对无机粉末含量不同的各个复合材料混合物浆料进行光固化，得到无机粉末含量不同的复合材料；测量无机粉末含量不同的各个复合材料的介电性能；确定适合该种复合材料的有效介电性能理论模型；