CN108711530B - 一种功能梯度型灭弧喷口及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功能梯度型灭弧喷口及其制备方法，属于高压断路器技术领域。本发明的功能梯度型灭弧喷口，包括沿轴向依次设置的第一功能层、第二功能层、第三功能层，所述第二功能层由聚四氟乙烯和无机填料组成；第一功能层和第三功能层中的至少一个功能层为聚四氟乙烯。本发明的功能梯度型灭弧喷口，采用三种功能层，可以实现灭弧喷口不同部位的不同功能，使灭弧喷口每个部位的性能最优化，以达到同时兼顾耐烧蚀性、机械韧性、产气性能均较优，确保断路器开断、运动、烧蚀等各项性能良好，同时满足高压开关断路器安装和开断的使用要求。

Description

一种功能梯度型灭弧喷口及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种功能梯度型灭弧喷口及其制备方法，属于高压断路器技术领域。

背景技术

灭弧喷口，主要应用于高压开关断路器的灭弧室中，在断路器开合过程中承担吹灭电弧的作用，要求该灭弧喷口具备耐烧蚀、产气、机械韧性等功能。现有技术中的灭弧喷口的结构如图1所示，包括第一区1、第二区2、第三区3，其中第一区可以为安装区、产气区，要求为机械性能高或产气性能好的材料。第二区为耐烧蚀区，要求为耐烧蚀材料。

灭弧喷口是SF₆断路器灭弧室中的重要零件之一。在断路器开断故障电流的过程中，与动触头仪器作高速运动的喷口，承受着4×10³K以上高温电弧的烧蚀及压气缸中被压缩气体的反力作用；是高速度、高压力SF₆气体的通道管壁。这就要求灭弧喷口两端安装部位对拉伸韧性要求较高、中间部位对耐烧蚀性能要求较高。

目前国内外高压开关设备使用的灭弧喷口各部位为同一配方体系，无法兼顾各项使用要求。在保证耐烧蚀性能的同时，无法保证机械韧性或产气性能；或者满足机械韧性时，又无法满足耐烧蚀性能；导致耐烧蚀性能、拉伸强度和韧性方面无法兼顾。如何使一件灭弧喷口可同时满足断路器开断时对灭弧喷口的各项性能要求，成为需要解决的问题。

申请公布号为CN 105470019A的中国发明专利公开了一种高压断路器灭弧喷口致密化烧结方法以及高压断路器灭弧喷口，该专利公开的高压断路器灭弧喷口毛坯由如下质量百分比的组分制成：氧化铝3％～20％，氮化硼3～20％，二硫化钼0.1％～1％，余量为聚四氟乙烯。该专利公开的高压断路器灭弧喷口致密化烧结方法，包括以下步骤：1)将高压断路器灭弧喷口毛坯升温至300～330℃，保温8h～12h；2)升温至350～370℃，保温5～8h；3)降温至300℃～330℃保温8h～12h，冷却即得；步骤1)～3)均在真空条件下进行。该专利公开的高压断路器灭弧喷口力学性能优异，但是其各部位均为同一配方体系，无法兼顾各项使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同时兼顾机械性能与耐烧蚀性能的功能梯度型灭弧喷口。

本发明的第二个目的在于提供一种功能梯度型灭弧喷口的制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种功能梯度型灭弧喷口，所述灭弧喷口包括沿轴向依次设置的第一功能层、第二功能层、第三功能层，所述第二功能层由聚四氟乙烯和无机填料组成；第一功能层和第三功能层中的至少一个功能层为聚四氟乙烯。

所述无机填料为氮化硼、二硫化钼、氧化铝中的任意一种。

所述第二功能层中聚四氟乙烯与无机填料的质量比为90～99.7：0.3～10。进一步优选为95～99.7：0.3～5。

本发明的功能梯度型灭弧喷口，按照灭弧喷口在断路器灭弧室内的使用功能要求，包括第一功能层、第二功能层、第三功能层三段，第二功能层由聚四氟乙烯和无机填料组成，满足灭弧喷口中间部位的耐烧蚀或促进烧蚀性能。

在高压开关设备上，灭弧喷口的作用是吸收开关开断瞬间产生的高温电弧，实现成功开断。在开断前，需要在喷口内部空腔内积聚一定的气体，便于在开断时实现快速吹拂，熄灭电弧。而聚四氟乙烯在烧蚀过程中会产生气体，因此需要先促进聚四氟乙烯烧蚀。

所述第一功能层和第三功能层均为聚四氟乙烯。当灭弧喷口对端部安装部位的机械强度要求不高时，第一功能层和第三功能层均选用聚四氟乙烯材料，不掺杂无机填料，避免现有技术中都选用聚四氟乙烯与无机填料的复合材料带来的成本高的缺陷。

所述第一功能层由聚四氟乙烯和无机填料组成；第三功能层为聚四氟乙烯。当灭弧喷口对端部安装部位的机械强度要求较高时，第一功能层(对应灭弧喷口的端部)选用聚四氟乙烯和无机填料的复合，满足对端部的较高的要求。

所述第一功能层中的无机填料为氮化硼、二硫化钼、氧化铝中的任意一种。

所述第一功能层中聚四氟乙烯和无机填料的质量比为90～99.7：0.3～10。进一步优选为95～99.7：0.3～5。

上述第一功能层、第二功能层、第三功能层的长度可根据使用要求进行调整。

本发明的功能梯度型灭弧喷口，包括三段功能层，根据具体需要选择不同的功能层原料，可以实现灭弧喷口不同部位的不同功能，使灭弧喷口每个部位的性能最优化，以达到同时兼顾耐烧蚀性、机械韧性、产气性能均较优，确保断路器开断、运动、烧蚀等各项性能良好，同时满足高压开关断路器安装和开断的使用要求。

在对安装位置的技术指标要求较低时，第一功能区和第三功能区不加填料，可以降低制造成本。第二功能层选用聚四氟乙烯+不同的无机填料可以提高材料的耐烧蚀性、产气能力等。不同的无机填料添加，得到的性能不同。通过选择合适的无机填料，可以得到对应的性能提高。产气性能具体表现为促进烧蚀。二硫化钼填料的加入，可以促进产气，增加开关开断前的腔体压力，便于后续快速开断。

上述功能梯度型灭弧喷口的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将第一功能层对应的原料装入模具，将原料压平形成第一原料层，之后在第一原料层上方装入第二功能层对应的原料，压平后形成第二原料层，在第二原料层上方装入第三功能层对应的原料，压平，得灭弧喷口毛坯；

2)将步骤1)所得的灭弧喷口毛坯进行烧结，冷却，即得。

上述第二功能层对应的原料为聚四氟乙烯和无机填料。

所述聚四氟乙烯和无机填料的质量比为90～99.7：0.3～10。进一步优选为95～99.7：0.3～5。所述无机填料为氮化硼、二硫化钼、氧化铝中的任意一种。

上述第一功能层和第三功能层对应的原料均为聚四氟乙烯。

上述第一功能层对应的原料为聚四氟乙烯与无机填料；第三功能层对应的原料为聚四氟乙烯。

上述第一功能层对应的原料聚四氟乙烯与无机填料的质量比为90～99.7：0.3～10。进一步优选为95～99.7：0.3～5。

上述第一功能层对应的原料中无机填料为氮化硼、二硫化钼、氧化铝中的任意一种。

步骤1)中的模具为筒状模具。

上述制备方法中，根据需要调整或设置第一功能层、第二功能层、第三功能层的长度。按照各功能层的原料配方计算各原料所用重量。

所述压平采用聚四氟乙烯平板。所述聚四氟乙烯平板为采用聚四氟乙烯制成的平板。该材料质软，可以避免平板摩擦模具壁，形成杂质。

所述压平使用的力度根据材料种类确定，确保界面平整。

为确保各功能层的原料均匀，每种配方体系的原料装料时，不能大幅度捣料。

原料装入并压平后的压制工艺为：压力为1kN，压制高度为装入高度的20％-40％。

所述烧结为：升温至260～280℃保温300～400min，之后升温至300～320℃保温1000～1200min，再升温至365～375℃保温200～300min，然后降温至335～320℃保温1200～1500min。上述烧结工艺，采用多段升温工艺，确保不同功能层间界面位置不出现裂纹、分层现象，界面区域性能满足使用要求。

上述先升温至260～280℃保温，此时聚四氟乙烯还未开始熔融，材料中进入的空气有通道可以释放，避免空气中的杂质残留在材料中；且该温度段保温时间短，保证了材料熔融后重结晶环节的性能，可以使多种配方材料的性能都达到最优。

所述升温至260～280℃所用的时间为400～600min；升温至300～320℃所用的时间为200～300min；升温至365～375℃所用的时间为300～400min。

所述冷却为先降温至150～120℃，再降至室温。

所述降温至150℃所用的时间为600～800min。

所述降至室温为自然冷却至室温。

本发明的功能梯度型灭弧喷口，采用三种功能层，可以实现灭弧喷口不同部位的不同功能，使灭弧喷口每个部位的性能最优化，以达到同时兼顾耐烧蚀性、机械韧性、产气性能均较优，确保断路器开断、运动、烧蚀等各项性能良好，同时满足高压开关断路器安装和开断的使用要求。

本发明的功能梯度型灭弧喷口的制备方法，按照功能梯度分布的需求，按先后顺序将各功能层原料依次放入模具中，且是采用聚四氟乙烯平板将功能层的原料压平后再放入另一功能层原料，聚四氟乙烯平板材料质软，可以避免平板摩擦模具壁，形成杂质，之后进行烧结即得。

进一步的，本发明的功能梯度型灭弧喷口的制备方法，其中烧结采用多阶段升降温工艺，升温相对平缓，确保不同功能层界面位置不出现裂纹、分层现象，界面区域性能满足使用要求。

附图说明

图1为背景技术中灭弧喷口的结构示意图；

图2为实施例1中的功能梯度型灭弧喷口的结构示意图；

图3为实施例1中的功能梯度型灭弧喷口的第二功能层和第三功能层的界面拉伸实验后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

实施例1

本实施例的功能梯度型灭弧喷口，如图2所示，包括沿轴向依次设置的第一功能层11、第二功能层22、第三功能层33；其中第一功能层和第三功能层均为聚四氟乙烯；第二功能层由以下质量百分比的组分组成：95％聚四氟乙烯和5％氮化硼。

本实施例的功能梯度型灭弧喷口的制备方法，包括以下步骤：

1)根据灭弧喷口不同功能层的尺寸，计算各功能层所需原料的质量并称取备用；将第二功能层对应的原料聚四氟乙烯和氮化硼混匀，备用；

2)将第一功能层对应的原料聚四氟乙烯装入尺寸为φ115×φ25的筒状模具，用聚四氟乙烯平板压平形成第一原料层，将聚四氟乙烯平板取出，之后在第一原料层上方装入第二功能层对应的原料聚四氟乙烯和氮化硼，装入后用聚四氟乙烯平板压平形成第二原料层，将聚四氟乙烯平板取出，再在第二原料层上方装入第三功能层对应的原料聚四氟乙烯，用聚四氟乙烯平板压平，取出聚四氟乙烯平板，得灭弧喷口毛坯；

3)将步骤2)所得的灭弧喷口毛坯升采用400min从室温升温至260℃并保温400min，之后用200min升温至320℃并保温1000min，再用300min升温至375℃并保温300min，然后降温至325℃保温1500min，再用600min降温至130℃，自然冷却至室温，即得。

实施例2

本实施例的功能梯度型灭弧喷口，包括沿轴向依次设置的第一功能层、第二功能层、第三功能层；其中第一功能层和第三功能层均为聚四氟乙烯；第二功能层由以下质量百分比的组分组成：99.7％聚四氟乙烯和0.3％二硫化钼。

本实施例的功能梯度型灭弧喷口的制备方法，包括以下步骤：

1)根据灭弧喷口不同功能层的尺寸，计算各功能层所需原料的质量并称取备用；将第二功能层对应的原料聚四氟乙烯和二硫化钼混匀，备用；

2)将第一功能层对应的原料聚四氟乙烯装入尺寸为φ115×φ25的筒状模具，用聚四氟乙烯平板压平形成第一原料层，将聚四氟乙烯平板取出，之后在第一原料层上方装入第二功能层对应的原料聚四氟乙烯和二硫化钼，装入后用聚四氟乙烯平板压平形成第二原料层，将聚四氟乙烯平板取出，再在第二原料层上方装入第三功能层对应的原料聚四氟乙烯，用聚四氟乙烯平板压平，取出聚四氟乙烯平板，得灭弧喷口毛坯；

3)将步骤2)所得的灭弧喷口毛坯升采用600min从室温升温至280℃并保温300min，之后用300min升温至320℃并保温1200min，再用400min升温至375℃并保温200min，然后降温至325℃保温1200min，再用880min降温至130℃，自然冷却至室温，即得。

实施例3

本实施例的功能梯度型灭弧喷口，包括沿轴向依次设置的第一功能层、第二功能层、第三功能层，其中第一功能层由聚四氟乙烯和氮化硼组成，聚四氟乙烯和氮化硼的质量比为95：5；第三功能层为聚四氟乙烯；第二功能层由以下质量百分比的组分组成：97％聚四氟乙烯和3％二硫化钼。

本实施例的功能梯度型灭弧喷口的制备方法，包括以下步骤：

1)根据灭弧喷口不同功能层的尺寸，计算各功能层所需原料的质量并称取，将第一功能层对应的原料聚四氟乙烯和氮化硼混匀备用，将第二功能层对应的原料聚四氟乙烯和二硫化钼混匀备用；

2)将第一功能层对应的原料聚四氟乙烯和氮化硼装入尺寸为φ115×φ25的筒状模具，用聚四氟乙烯平板压平形成第一原料层，将聚四氟乙烯平板取出，之后在第一原料层上方装入第二功能层对应的原料聚四氟乙烯和二硫化钼，装入后用聚四氟乙烯平板压平形成第二原料层，将聚四氟乙烯平板取出，再在第二原料层上方装入第三功能层对应的原料聚四氟乙烯，用聚四氟乙烯平板压平，取出聚四氟乙烯平板，得灭弧喷口毛坯；

3)将步骤2)所得的灭弧喷口毛坯升采用500min从室温升温至270℃并保温350min，之后用250min升温至320℃并保温1100min，再用350min升温至375℃并保温250min，然后降温至325℃保温1300min，再用700min降温至150℃，自然冷却至室温，即得。

实施例4

本实施例的功能梯度型灭弧喷口，包括沿轴向依次设置的第一功能层、第二功能层、第三功能层，其中第一功能层和第三功能层均为聚四氟乙烯；第二功能层由以下质量百分比的组分组成：90％聚四氟乙烯和10％氧化铝。

本实施例的功能梯度型灭弧喷口的制备方法，包括以下步骤：

1)根据灭弧喷口不同功能层的尺寸，计算各功能层所需原料的质量并称取备用；将第二功能层对应的原料聚四氟乙烯和氧化铝混匀，备用；

2)将第一功能层对应的原料聚四氟乙烯装入尺寸为φ115×φ25的筒状模具，用聚四氟乙烯平板压平形成第一原料层，将聚四氟乙烯平板取出，之后在第一原料层上方装入第二功能层对应的原料聚四氟乙烯和氧化铝，装入后用聚四氟乙烯平板压平形成第二原料层，将聚四氟乙烯平板取出，再在第二原料层上方装入第三功能层对应的原料聚四氟乙烯，用聚四氟乙烯平板压平，取出聚四氟乙烯平板，得灭弧喷口毛坯；

3)将步骤2)所得的灭弧喷口毛坯升采用550min从室温升温至275℃并保温380min，之后用230min升温至320℃并保温1150min，再用370min升温至365℃并保温280min，然后降温至335℃保温1400min，再用820min降温至150℃，自然冷却至室温，即得。

实施例5

本实施例的功能梯度型灭弧喷口，包括沿轴向依次设置的第一功能层、第二功能层、第三功能层，其中第一功能层由聚四氟乙烯和氮化硼组成，聚四氟乙烯和氮化硼的质量比为95：5；第三功能层为聚四氟乙烯；第二功能层由以下质量百分比的组分组成：92％聚四氟乙烯、5％氮化硼3％二硫化钼。

本实施例的功能梯度型灭弧喷口的制备方法，包括以下步骤：

1)根据灭弧喷口不同功能层的尺寸，计算各功能层所需原料的质量并称取，将第一功能层对应的原料聚四氟乙烯和氮化硼混匀备用，将第二功能层对应的原料聚四氟乙烯、氮化硼和二硫化钼混匀备用；

2)将第一功能层对应的原料聚四氟乙烯和氮化硼装入尺寸为φ115×φ25的筒状模具，用聚四氟乙烯平板压平形成第一原料层，将聚四氟乙烯平板取出，之后在第一原料层上方装入第二功能层对应的原料聚四氟乙烯、氮化硼和二硫化钼，装入后用聚四氟乙烯平板压平形成第二原料层，将聚四氟乙烯平板取出，再在第二原料层上方装入第三功能层对应的原料聚四氟乙烯，用聚四氟乙烯平板压平，取出聚四氟乙烯平板，得灭弧喷口毛坯；

3)将步骤2)所得的灭弧喷口毛坯升采用500min从室温升温至270℃并保温350min，之后用250min升温至320℃并保温1100min，再用350min升温至375℃并保温250min，然后降温至325℃保温1300min，再用700min降温至150℃，自然冷却至室温，即得。

对比例

本对比例的功能梯度型灭弧喷口，包括沿轴向依次设置的第一功能层、第二功能层、第三功能层，其中第一功能层和第三功能层均为聚四氟乙烯，第二功能层由95％聚四氟乙烯和5％氮化硼组成。

本实施例的功能梯度型灭弧喷口的制备方法，包括以下步骤：

1)根据灭弧喷口不同功能层的尺寸，计算各功能层所需原料的质量并称取备用；将第二功能层对应的原料聚四氟乙烯和氮化硼混合均匀，备用；

2)将第一功能层对应的原料聚四氟乙烯装入尺寸为φ115×φ25的筒状模具，用聚四氟乙烯平板压平形成第一原料层，将聚四氟乙烯平板取出，之后在第一原料层上方装入第二功能层对应的原料聚四氟乙烯和氮化硼，装入后用聚四氟乙烯平板压平形成第二原料层，将聚四氟乙烯平板取出，再在第二原料层上方装入第三功能层对应的原料聚四氟乙烯，用聚四氟乙烯平板压平，取出聚四氟乙烯平板，得灭弧喷口毛坯；

3)将步骤1)所得的灭弧喷口毛坯升采用1000min从室温升温至320℃并保温2500min，之后用500min升温至370℃并保温350min，再降温至325℃并保温2500min，再用880min降温至150℃，自然冷却至室温，即得。

实验例

对实施例1-4和对比例中的功能梯度型灭弧喷口进行拉伸强度标准实验研究。测试方法为：拉伸强度按照GB/T1040.2-2006进行，测试结果见表1所示。此实验分别对三个功能层进行测试：分别对三个功能层进行切面，按照上述标准进行拉伸强度测试。

表1实施例1-4和对比例的功能梯度型灭弧喷口的拉伸强度

实验证明，本发明的烧结工艺使所得灭弧喷口的拉伸强度得到明显的改善。

对实施例1中的功能梯度型灭弧喷口的第二功能层和第三功能层的界面进行拉伸，拉伸后如图3所示，实验证明，实施例1中的功能梯度型灭弧喷口的界面拉伸强度大于19MPa。

Claims (8)

1.一种功能梯度型灭弧喷口，其特征在于，所述灭弧喷口包括沿轴向依次设置的第一功能层、第二功能层、第三功能层，所述第二功能层由聚四氟乙烯和无机填料组成；第一功能层和第三功能层中的至少一个功能层为聚四氟乙烯；

所述功能梯度型灭弧喷口的制备方法，包括以下步骤：

1）将第一功能层对应的原料装入模具，将原料压平形成第一原料层，之后在第一原料层上方装入第二功能层对应的原料，压平后形成第二原料层，在第二原料层上方装入第三功能层对应的原料，压平，得灭弧喷口毛坯；

2）将步骤1）所得的灭弧喷口毛坯进行烧结，冷却，即得；

其中，步骤2）中所述烧结为：升温至260~280℃保温300~400min，之后升温至300~320℃保温1000~1200min，再升温至365~375℃保温200~300min，然后降温至335~320℃保温1200~1500min；所述升温至260~280℃所用的时间为400~600min；升温至300~320℃所用的时间为200~300min；升温至365~375℃所用的时间为300~400min。

2.根据权利要求1所述的功能梯度型灭弧喷口，其特征在于，所述无机填料为氮化硼、二硫化钼、氧化铝中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的功能梯度型灭弧喷口，其特征在于，所述第二功能层中聚四氟乙烯与无机填料的质量比为90~99.7：0.3~10。

4.根据权利要求1所述的功能梯度型灭弧喷口，其特征在于，所述第一功能层和第三功能层均为聚四氟乙烯。

5.根据权利要求1所述的功能梯度型灭弧喷口，其特征在于，所述第一功能层由聚四氟乙烯和无机填料组成；第三功能层为聚四氟乙烯。

6.一种如权利要求1所述的功能梯度型灭弧喷口的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将第一功能层对应的原料装入模具，将原料压平形成第一原料层，之后在第一原料层上方装入第二功能层对应的原料，压平后形成第二原料层，在第二原料层上方装入第三功能层对应的原料，压平，得灭弧喷口毛坯；

2）将步骤1）所得的灭弧喷口毛坯进行烧结，冷却，即得；

其中，步骤2）中所述烧结为：升温至260~280℃保温300~400min，之后升温至300~320℃保温1000~1200min，再升温至365~375℃保温200~300min，然后降温至335~320℃保温1200~1500min；所述升温至260~280℃所用的时间为400~600min；升温至300~320℃所用的时间为200~300min；升温至365~375℃所用的时间为300~400min。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述压平采用聚四氟乙烯平板。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述冷却为先降温至150-120℃再降至室温。