发电机定子绕组用环氧胶的微波固化模具及工艺研究

Research on Microwave Curing Mold and Process for Epoxy Adhesive in Generator Stator Windings

摘要

为分析微波固化模具和工艺对样品制备的影响，以某国产环氧胶为试验对象，对其进行耐热性、电性能分析，在此基础上从模具和工艺两个方面分别进行探究性试验。首先，对比几种常用微波固化模具的制备效果，提出一种适合于环氧胶的微波固化模具制造方法，进而基于该种模具计算不同工艺下环氧胶样品的固化度，从而明确合适的固化工艺。结果表明：采用硅脂作为脱模剂并结合玻璃培养皿作为固化模具可获得外观良好的胶饼，采用三步加热与静置的微波固化工艺能够制备性能良好的环氧胶固化样品，固化度达95.89%。

Abstract

To analyze the influence of microwave curing molds and processes on sample preparation, a certain domestic epoxy adhesive was taken as the test object. Based on the analysis of its heat resistance and electrical properties, exploratory experiments were conducted from the aspects of molds and processes, respectively. Firstly, the preparation effects of several commonly used microwave curing molds were compared, and a manufacturing method suitable for epoxy adhesive microwave curing molds was proposed. Subsequently, based on this mold, the curing degrees of epoxy adhesive samples under different processes were calculated, thereby identifying an appropriate curing process. The results showed that when silicone grease was used as a release agent combined with glass petri dishes as the curing mold, well-appearance adhesive cakes could be obtained. A three-step heating standing could prepare epoxy adhesive cured samples with good performance, achieving a curing degree of 95.89%.

Graphical abstract

关键词

微波固化 / 环氧胶 / 固化模具 / 固化工艺

Key words

Microwave curing / Epoxy adhesives / Curing mold / Curing process

定子线棒是大型发电机定子绕组的重要组成部分，其绝缘性能直接影响发电机组的安全稳定运行^[1]。在运行过程中，受电、热、机械应力等因素影响，定子线棒绝缘可能出现磨损、损伤等异常现象，给发电机定子绕组的安全运行带来隐患^[2-4]。因此，发电机定子绕组的绝缘修复工作至关重要，快速、稳定、安全的绝缘修复技术具有重要的工程应用价值。

目前，定子绕组绝缘损伤修复主要采用复合材料胶接成型，而修复过程中的固化环节多采用传统热固化方法，其具有固化速率慢、修复成本高等特点，导致定子绕组绝缘修复工期较长^[5-6]。相比传统热固化方法，微波固化技术凭借其高效性、加热均匀性以及可控性等优势，近年来已成为替代传统加热方式、用于环氧树脂等绝缘胶料快速固化的重要手段^[7-9]。

现有研究分析了环氧树脂的微波固化行为^[10-12]。普遍认为，在微波场下环氧树脂的固化速率可明显提升，有效缩短固化时间，但在不同固化期内固化速率将发生改变^[13]。除固化行为本身的研究外，相比热固化，微波固化具有微波反射等特点，导致无法使用金属模具作为微波固化模具^[7]。同时，现有研究也指出微波固化模具需要专门设计，这是推进微波技术应用于聚合物复合材料固化的主要挑战^[14]。研究合适的模具以保障环氧胶固化样品制备的可靠性和稳定性具有重要意义。不同固化工艺下制备的环氧胶样品性能差异较大，应进一步探究适合环氧胶的固化工艺，从而获得固化度良好的样品。

因此，本研究针对发电机定子绕组用环氧胶微波固化过程中固化模具和工艺两方面的问题开展探究性试验。针对环氧胶开展固化物耐热性及其电性能分析，对比几种常用微波固化模具的制备效果，提出一种适合于环氧胶的微波固化模具制造方法。对比多种微波固化工艺下制备的环氧胶的固化度，从而明确适合于环氧胶的固化工艺。

1 发电机定子绕组用环氧胶性能分析及微波固化试验

1.1 试验材料及性能分析

本研究使用的环氧胶由东方电气集团东方电机有限公司制造，其类型为双酚A型环氧，固化剂为胺类固化剂，工业生产中常温(25 ℃)固化48 h，热风固化8 h。图1为按比例调配好的环氧胶样品。

采用热重分析(TG)和基于差示扫描量热法(DSC)的热转变分析来探究环氧胶固化物的耐热性。TG曲线是在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，用来研究材料的热稳定性和组分^[15]。DSC曲线是研究材料热转变行为的主要手段，可确定材料的热性能参数、相转变过程、评估材料的纯度和杂质含量等^[16]。图2为环氧胶固化样品的耐热性。从图2a可以看出，受热发生侧链及链段的断裂离开本体，导致质量快速降低，环氧胶样品在340 ℃左右开始出现明显的热失重(对应失重率为5%左右)。环氧胶作为高度交联的环氧树脂材料，分子链形成空间网状结构，分子量几乎无穷大，耐热性良好，可以满足发电机绝缘对于耐热性的基本要求。450 ℃后，样品质量变化率低，质量保留率接近0，表明绝大部分胶料已完成分解。从图2b可以看出，样品在340 ℃左右各吸热/放热峰主要对应材料的剧烈分解甚至燃烧，而在200 ℃前样品的DSC曲线变化平缓，总体上处于吸热升温及相转变阶段，其玻璃化温度在83 ℃附近，耐热性良好。

表1为环氧胶样品的电性能测试结果。从表1可以看出，改变测试条件使环氧胶样品绝缘电阻发生明显变化。高温条件下胶漆料的高分子链段发生运动甚至流动，故电阻率急剧下降；而浸水24 h后电阻率降低的主要原因是水分子进入胶漆料内部，形成电流的部分通道，降低宏观的电阻率。胶料在热态时的介质损耗远高于常态，增加近乎2倍。主要原因在于随着温度的升高，高分子材料的分子链段运动加剧，介质损耗增加。最后，通过相比电痕化指数(CTI)来反映环氧胶在电气环境下抵抗电痕形成的能力^[17]。本研究使用的固化环氧胶在2 kV测试条件下，其CTI超过600 V，表明其具有良好的介电性能。

1.2 微波固化原理

目前，对于微波固化的机理主要有两种解释：一种是致热效应；另一种是非致热效应^[18]。非致热效应认为离子与极性分子的洛伦兹力与微波场的电磁波相互作用改变了反应动力学，降低反应活化能^[19]。致热效应是指在电磁场的作用下，环氧树脂中的极性分子被偏转，使偏振矢量与电场成不同的角度，与电场相同方向产生的电流发生在非常高的频率，造成材料内部的功率消散，并将微波的能量转化为热能^[20]。分子极性越强，介质损耗因数越大，表示其具有更强的微波吸收能力。对环氧树脂而言，极性基团含量的增加有助于微波性能的提高，这些基团包括环氧基、醚键和多个羟基。

介质对微波的吸收转化为热量，随着穿透深度的增加，微波能量呈现指数衰减的趋势。微波穿透深度随波长的增大而增大，微波频率越高，波长越短，穿透能力越弱，常用的微波频率可有效实现环氧胶的快速固化^[21]。

1.3 微波固化试验仪器

表2为试验仪器。试验前，由于没有基础参数作为支撑，从微波炉的最低挡位开始试验，探究该环氧胶能承受的最高功率(试验使用的微波炉输出功率为700 W，配有P10、P30、P50、P80、P100的档位输出功率，P10表示输出功率为总功率的10%，即70 W)。在大量探究试验的基础上，本研究得到的最高功率上限为P30档，继续增加档位会使环氧胶在固化过程中出现气泡聚集、剧烈收缩甚至碳化的现象。

1.4 固化度测量方法

工业生产中对定子绕组绝缘漆、胶的固化条件一般是先常温固化后热风固化，时间短则十几个小时长则一周时间。为了定量评价环氧胶的微波固化效果，采用索氏提取法测试装置对样品进行固化度测试^[22]。图3为固化度测量装置。通过固化度结果，结合固化环氧胶的外观定性分析，从而研究最适合环氧胶的固化模具及其固化工艺。

2 结果与讨论

2.1 不同模具下环氧胶微波固化结果对比

为保障环氧胶固化后的性能，本研究建立一种新型模具，并与几种常用模具进行对比，包括硅胶盘、聚四氟乙烯盘、玻璃培养皿。所有模具均采用相同的微波固化条件，得到的成品及其定性分析结果如下。

(1)采用硅胶盘、聚四氟乙烯盘、玻璃培养皿作为模具的固化成品分析。实验室中常见的硅胶盘具有易脱模、不吸收微波、耐高温等优点，因而被广泛采用。但本研究不断调整优化固化条件后，无法获得固化完整的环氧胶饼。图4为环氧胶固化后在硅胶盘上形成的气泡。从图4可以看出，采用硅胶盘的问题在于无法避免胶饼底部产生大量气泡，这些气泡的存在严重影响成品的电气和机械性能。气泡产生的原因是当硅胶盘作为模具时，由于其热导率较低，局部温度骤升使环氧胶黏度明显下降，导致微波固化过程中的气体被困于界面区，阻碍气体溢出形成气泡^[22]。

图5为采用聚四氟乙烯盘脱模前后的环氧胶。从图5可以看出，在脱模前，环氧胶表面平顺，未发现明显的气泡等现象。然而，胶饼脱模后，透光发现底部气泡更小、更密集。同时，相比硅胶盘，采用聚四氟乙烯盘会导致胶饼难以脱模，在脱模过程中较易对胶饼本身造成损伤。

由于玻璃培养皿具有耐高温、不吸收微波等优势，将其作为模具进行对比。图6为采用玻璃培养皿脱模前的环氧胶。从图6可以看出，采用玻璃培养皿作为模具得到的样品完整，表面平顺无气泡，但其脱模难度较大。因此，相比硅胶盘和聚四氟乙烯盘，玻璃培养皿更适合于作为微波固化环氧胶的模具，但需要解决难脱模的问题。

(2)基于玻璃培养皿的环氧胶新型固化模具。首先考虑采用离型膜以解决难以脱模的问题。使用竹片、木片等多孔材料制作一个厚度2~5 mm、高度10 mm、内径90~150 mm的圆环，圆环用聚四氟乙烯膜包裹，然后在玻璃板上铺设一层离型膜，并用双面胶固定在玻璃板上，最后将圆环置于离型膜上，外围采用热熔胶固定。图7为采用玻璃培养皿结合离型膜脱模后的环氧胶。从图7可以看出，使用该模具后，胶饼容易从平板上取下且不被损坏。虽然这种方法解决了难以脱模的问题，但得到的胶饼底部不够平整，存在大量褶皱。造成褶皱的因素可能包含以下3点：(1)离型膜被双面胶固定后无法充分延展，因而在微波固化过程中出现褶皱。(2)固化温度在一般在130 ℃以上，使不耐高温的离型膜在高温下收缩出现褶皱。(3)微波固化环氧胶本身反应剧烈且过程中存在无方向性的收缩行为，从而形成褶皱。

为验证胶饼褶皱的原因是否为以上3点因素，分别采用改变离型膜固定方式和换用耐高温的黄金膜两种方式重新对环氧胶进行固化。图8为环氧胶固化过程中形成的褶皱。从图8可以看出，褶皱仍然存在。离型膜在常规热固化条件下效果良好，但上述结果表明，在面向微波固化条件时的瞬时热冲击，其在界面行为、热响应机制及应力调控能力上的主动调控能力弱于脱模剂^[23]。

在以上试验的基础上，本研究使用硅脂作为脱模剂，把离型膜更换为硅脂，将硅脂尽可能薄地涂敷在玻璃平板上，仍然使用上述模具制作方法，得到新模具。图9为采用新模具后制备的微波固化样品。从图9可以看出，采用新模具后得到厚度2 mm、直径100 mm、表面平整光滑，内部无气泡的胶饼。后续均采用该模具制备微波固化的环氧胶样品。

2.2 不同工艺下环氧胶微波固化结果对比

确定环氧胶固化模具后，研究固化工艺对环氧胶固化效果的影响。一方面要找到环氧胶在连续微波辐照下的极限承受时间。连续的辐照使固化反应异常剧烈从而不可控，间隔时间能够很好地控制反应温度并且放缓反应速度，因而间隔时间是必要的。另一方面的关键点在于找到增加辐照功率的时间节点。通过大量预实验发现，增加功率的关键节点在环氧胶温度升温至90 ℃左右。如果温度过低，增加功率会导致得到的样品产生气泡；超过90 ℃，不增加功率会让反应停滞不前，难以实现快速固化。控制好以上两个因素后，在环氧胶基本固化成型后增加辐照时间可提高固化效果。

现有研究已证明了循环交变微波固化工艺的优越性^[24]。结合上述预实验结论，本研究以环氧胶的微波辐射极限承受时间、增加辐照功率的时间节点为核心，设置不同的工步数、功率及时间、间隔时间、循环次数作为变量，建立5套工艺并制备5个胶饼，分别编号为1~5号样品。表3为环氧胶固化工艺对比。

采用不同工艺制备胶饼后，通过胶饼固化度来定量反映固化效果，从而明确最合适的固化工艺。按照前文所述方法定量测量固化度。表4为不同固化工艺下环氧胶固化度。从表4可以看出，2号样品采用的工艺使环氧胶固化度最低，5号样品对应的工艺使环氧胶具备相对更高的固化度，证明其明显具有更优良的固化效果。因此，在本研究涉及的5种微波固化工艺中，得到的最优固化工艺为：先采用70 W(P10)功率固化10 min并静置3 min，循环2次；再采用210 W(P30)功率固化3 min并静置2 min，循环3次；最后采用210 W(P30)功率固化5 min并静置2 min，循环3次。

3 结论

本研究对比以硅胶盘、聚四氟乙烯盘及玻璃培养皿为模具的环氧胶固化效果，结果表明：采用硅脂为脱模剂，结合玻璃培养皿，可获得表面平整光滑、内部无气泡的胶饼。在此基础上，定量对比5种微波固化工艺下环氧胶的固化度，明确包含三步加热与静置的最优固化工艺。下一步将对微波固化后的样品进行性能表征，并与传统热固化样品对比分析，结合实际工况优化老化参数及条件，进一步评估微波固化样品的实际使用性能。

参考文献

[1] 高俊国, 孟睿潇, 胡海涛, 等. 电机定子绝缘老化寿命预测研究进展[J]. 电工技术学报, 2020, 35(14): 3065-3074.

[2] 杨帅, 张跃, 胡波, 等. 基于紫外光固化技术发电机定子绕组快速修复绝缘材料研究[J]. 东方电气评论, 2024, 38(1): 7-10.

[3] 陈科元, 马山刚, 金福宝, 等. 热老化对水轮发电机定子线棒端部主绝缘局部放电特性的影响[J]. 绝缘材料, 2025, 58(1): 74-81.

[4] 徐明星. 发电机故障下定子—绕组系统的复杂力学特性及绝缘磨损规律[D]. 北京: 华北电力大学, 2024.

[5] 贾志伟, 汤文进, 刘华, 等. 丙烯酸改性环氧树脂的制备及其光热双重固化体系的性能[J]. 热固性树脂, 2024, 39(4): 18-24.

[6] 袁丽. 紫外光固化快速修复复合绝缘材料的研究[D]. 成都: 西华大学, 2023.

[7] 耿杰. 环氧树脂及其复合材料微波固化工艺研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2013.

[8] 成李冰, 徐伟伟, 李博, 等. 复合材料肋零件微波固化成型工艺研究[J]. 复合材料科学与工程, 2024(9): 82-86.

[9] 樊恒刚. 基于光固化增材制造协同微波烧结技术制备羟基磷灰石的性能研究[D]. 无锡: 江南大学, 2025.

[10] BOEY F Y C, YAP B H. Microwave curing of an epoxy-amine system: Effect of curing agent on the glass-transition temperature[J]. Polymer Testing, 2001, 20(8): 837-845.

[11] 吴轲, 张炜, 曾金芳. 微波固化环氧/酸酐体系的研究[J]. 固体火箭技术, 2002, 25(2): 74-76.

[12] ZHOU J, WANG N, RUAN R Z. Comparison of the E44 epoxy resins in different contents of curing agent by microwave and thermal curing methods[J]. Journal of Wuhan University of Technology (Materials Science), 2000, 15(2): 35-39.

[13] MARAND E, BAKER K R, GRAYBEAL J D. Comparison of reaction mechanisms of epoxy resins undergoing thermal and microwave cure from in situ measurements of microwave dielectric properties and infrared spectroscopy[J]. Macromolecules, 1992, 25(8): 2243-2252.

[14] 申子魁, 周濛, 贾志东, 等. 先进绝缘材料电场辅助性能调控及制备研究进展[J]. 中国电机工程学报, 2024, 44(2): 790-805.

[15] 李子由, 雷鸣东, 李强, 等. 热重分析法研究硅橡胶复合绝缘子热解动力学[J]. 塑料科技, 2024, 52(11): 30-36.

[16] 熊煦, 郭世成, 陈晓松, 等. PBAT/滑石粉复合材料的非等温结晶动力学研究[J]. 塑料科技, 2024, 52(11): 52-58.

[17] 刘亚丽. GB/T 4207—2022《固体绝缘材料耐电痕化指数和相比电痕化指数的测定方法》标准解读[J]. 电气技术与经济, 2023(1): 118-120.

[18] MGBEMENA C O, LI D N, LIN M F, et al. Accelerated microwave curing of fibre-reinforced thermoset polymer composites for structural applications: A review of scientific challenges[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2018, 115: 88-103.

[19] 初琳, 赵晓莉, 王丽娟. 树脂基复合材料固化技术发展现状[J]. 化工装备技术, 2013, 34(1): 43-46.

[20] 孙晓峰, 马世宁, 朱乃姝, 等. 环氧树脂胶黏剂微波固化研究[J]. 中国工程机械学报, 2010, 8(1): 107-110.

[21] 徐学宏, 王小群, 闫超, 等. 环氧树脂及其复合材料微波固化研究进展[J]. 材料工程, 2016, 44(8): 111-120.

[22] 刘晨阳, 徐位宏, 赵珍珍. 环氧树脂/酸酐体系的固化冷却工艺研究[J]. 电工材料, 2023(3): 23-26.

[23] WU X C, LI Y G, LI N Y, et al. Analysis of the effect and mechanism of microwave curing on the chemical shrinkage of epoxy resins[J]. High Performance Polymers, 2017, 29(10): 1165-1174.

[24] 陈静. 碳纤维/环氧树脂预浸料微波固化制备三维汽车异形外壳的基础研究[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2023.

基金资助

中国长江电力股份有限公司科研项目(2323020060)