کامپوزیت پلیمری در ولتاژ بالا

دسته: مقالات منتشر شده در 23 تیر 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 182

خواص کامپوزیت های پلیمری در برنامه های ولتاژ بالا

این مقاله به بررسی جامع میکرو/ نانوکامپوزیت های پلیمری می پردازد که در برنامه هایی با ولتاژ بالا کاربرد دارند. همچنین بر رابطه بین ساختار و خواص مواد کامپوزیتی مورد استفاده در مهندسی قدرت با بهره گیری از نظریه بنیادی، مدل های عددی- تحلیلی و تأثیر طراحی مواد بر خواص الکتریکی، مکانیکی و حرارتی متمرکز است. علاوه بر تفسیر توسعه عملی خواص الکتریکی میکرو/ نانوکامپوزیت های پلیمری بکار رفته در مهندسی قدرت، به بررسی خواص الکتریکی مواد عایق مانند پلی اتیلن مشبک (XLPE) و رزین های اپوکسی پرشده/ نشده با انواع مختلف فیلرها نیز می پردازد. فیلر میکرو/ نانوکامپوزیت های پلیمری حاوی XLPE و اپوکسی معمولآ بعنوان سیستم های عایق در برنامه هایی با ولتاژ بالا من جمله کابل ها، ژنراتورها، موتورها، ترانسفورماتورهای نوع خشک رزین ریخته گری و غیره استفاده می شوند. با این حال، اهداف این مطالعه تعیین تأثیر اندازۀ فیلر، تأثیر نوع و توزیع ذرات پلیمری بر خواص الکتریکی، مکانیکی و حرارتی میکرو/ نانوکامپوزیت پلیمری در مقایسه با پلیمرهای سنتی بکار رفته بعنوان سیستم های عایق در مهندسی با ولتاژ بالا است. خواصی همچون هدایت الکتریکی، گذر دهی نسبی، اتلاف دی الکتریک، تخلیه جزئی، مقاومت در برابر فرسایش، اثر پتانسیل بار فضایی، شکست الکتریکی، ردیابی و مقاومت درخت الکتریکی، رسانایی حرارتی، استحکام کششی و مدول، ازدیاد طول در حین شکست میکرو و نانوکامپوزیت با پایه رزین اپوکسی و XLPE تجزیه و تحلیل می شوند. در نتیجه، میتوان گفت که استفاده از میکرو/ نانوکامپوزیت های پلیمری در مهندسی برق (قدرت) بسیار امیدوارکننده بوده و بایستی تحقیقات بیشتری به منظور تنوع بخشیدن به ماتریس های کامپوزیت پلیمری و بهبود خواص آنها انجام شود.

 

در دو دهه اخیر، طراحی مواد کامپوزیتی حاوی ذرات معدنی در مقیاس میکرو یا نانو در حوزه مهندسی برق و برنامه هایی با ولتاژ بالا بسیار مورد توجه قرار گرفته است. استفاده از فناوری های میکرو و نانو رویکردهای جدیدی را با هدف بهبود سیستم های عایق ارائه می دهد که در دماهای بالاتر و فشار الکتریکی کاربرد دارند. در کنار عملکرد مواد، تحقیق و توسعۀ مواد "پیشرفته" در کامپوزیت پلیمری مسیرهای تولید کم هزینه با انرژی کارآمد را دنبال می کند تا مفاهیم جدید مواد را در قالب محصولات قابل عرضه به بازار بیان کند. مواد کامپوزیتی معمولآ از دو یا چند جزء تشکیل شده اند که از خواص فیزیکی و یا شیمیایی کاملآ متفاوتی برخوردار هستند. با توجه به ترکیب کنترل شدۀ اجزاء، مواد جدید با خواص متمایز از اجزای منفرد به دست می آیند. اگر دست کم یکی از این اجزای ترکیبی دارای ابعاد نانومتر باشد، مواد حاصل شده را "نانوکامپوزیت" می نامند. در مرجع سوم از این مقاله، نانوکامپوزیت بعنوان یک ماده جامد چند فازی تعریف شده است که یکی از فازها دارای یک، دو یا سه بُعد کمتر از 100 نانومتر، یا ساختارهایی با فواصل تکرار شوندۀ بین فازهای مختلف در مقیاس نانو است که مواد نهایی را تشکیل می دهند. نانوکامپوزیت ها از سه جنبۀ مهم با کامپوزیت های سنتی متفاوت هستند: الف) آنها حاوی فیلر کمتری هستند (معمولآ در هر 50 درصد وزنی کامپوزیت، حجم فیلر کمتر از 10 درصد وزنی است)؛ ب) اندازه فیلرها بر حسب نانومتر؛ و پ) عملکرد سطحی بسیار خاصی در مقایسه با کامپوزیت های مقیاس میکرو دارند.

 

با این حال، نانوکامپوزیت ها دارای خواص متمایزی همچون ساختار همگن، عدم گسیختگی الیاف، شفافیت نوری، قابلیت پردازش بهبود یافته یا بدون تغییر هستند. نانوکامپوزیت ها را می توان با توجه به ماده ماتریس به سه دسته اصلی طبقه بندی کرد: نانوکامپوزیت های سرامیکی، فلزی و پلیمری. در مرجع چهارم از همین مقاله، نانوکامپوزیت های پلیمری بعنوان پلیمرهایی تعریف شده اند که حاوی فیلر کمتری بوده و به صورت همگن پراکنده شده اند. مواد کامپوزیت معمولآ به دلیل عملکرد مواد بهبود یافته از خواصی همچون استحکام بالا، چقرمگی، مقاومت حرارتی، وزن سبک، نفوذناپذیری در برابر گازها، پایداری حرارتی، پایداری شیمیایی در حضور مواد شیمیایی تهاجمی، آب و هیدروکربن ها، مقاومت سایشی، قابلیت بازیافت پردازش، نشت کمتر مولکول های کوچک مانند تثبیت کننده ها برخوردار هستند و به همین دلیل، جایگزین کامپوزیت های سنتی شده اند. مواد کامپوزیت در زمینه مهندسی پلاستیک بعنوان تابعی از مدول یانگ در برابر چگالی یا قدرت تسلیم در برابر چگالی انتخاب می شوند. از مواد سبک وزن با افزایش استحکام مکانیکی در صنعت خودرو، هواپیما یا دریانوردی استفاده می شود. این مقاله به بررسی میکرو و نانوکامپوزیت های پلیمری می پردازد که در در برنامه هایی با ولتاژ بالا استفاده می شوند و یک نمای کلی از خواص الکتریکی، مکانیکی و حرارتی این مواد با توجه به ساختار و ترکیب مواد ارائه می دهد. در صنعت برق از فیلر معدنی (به ویژه نیترید آلومینیوم (AIN))، نیترید بور (BN)، دی اکسید سیلیکون یا سیلیس (SiO₂)، اکسید آلومینیوم یا آلومینا (Al₂O₃)، اکسید تیتانیوم یا تیتانیا (TiO₂)، کاربید سیلیکون (SiC) و اکسید روی (ZnO) معمولآ برای دستیابی به خواص الکتریکی، مکانیکی و حرارتی در پلیمرهای عایق الکتریکی استفاده می شود. علاوه بر خواص الکتریکی، استحکام مکانیکی و همچنین هدایت حرارتی نقش مهمی در کاربردهای انتخابی مانند سیستم های عایق ماشین آلات الکتریکی بزرگ ایفا می کنند. این مطالعه به بیان جدیدترین مطالعات و یافته های حاصل از آنها درمورد مواد میکرو و نانوکامپوزیت در کاربردهایی با ولتاژ بالا پرداخته و از طرفی، به ارزیابی فرصت های احتمالی در آینده برای این مواد بعنوان فرصت های متمایز برای کامپوزیت های پلیمری (نانو) می پردازد که با توجه به شکل زیر، مفاهیم امیدوارکننده ای را برای نسل بعدی ژنراتورها، ترانسفورماتورها و ساید دستگاه های الکتریکی مانند کویل ها، آستر اسلات و اجزای چندمنظوره ارائه می دهد.

 

شکل 1:

 The next generation of high-voltage applications employing polymer based nanocomposites

 

تحقیق و توسعه کامپوزیت ها و مواد نانوکامپوریت مورد استفاده در برنامه های ولتاژ بالا چالش برانگیز است. اگرچه تلاش های زیادی در دو دهه اخیر به منظور بررسی مزایای الکتریکی بالقوۀ چنین مواد نوظهوری صورت گرفته و یافته های متعددی نیز گزارش شده است، اما بسیاری از ابهامات همچنان بی پاسخ مانده اند و نکات کشف نشده زیادی باقی مانده است. تکامل این مباحث به سمت همکاری چند رشته ای برق، مکانیک، مهندسی شیمی، علم مواد، فیزیک و یا سایر علوم است تا رابطه اساسی بین ساختار و خواص را بیان کرده و مزایای بیشتری از این مواد را برای جامعه علمی به ارمغان آورد. امیدواریم این همکاری نزدیک به درک بهتر پلیمرهای میکرو/ نانو کامپوزیت و مهمترین ترکیب این مواد منجر شود. در صورت شناسایی همه مکانیسم ها، مواد مورد نظر با خواص مناسب در کاربردهای با ولتاژ بالا حاصل خواهند شد.