納米技術改進環(huán)氧樹脂基絕緣材料性能的研究進展

梅雨菲

（南京工程學院，江蘇 南京 211167）

隨著現代輸配電系統(tǒng)智能化、電氣設備集成化、控制保護設備微電子化的發(fā)展，電氣設備逐漸向小型化、輕型化方向發(fā)展[1-2]。環(huán)氧樹脂澆注式的電氣設備因體積小、重量輕的優(yōu)點而受到極大歡迎[3]。但是和所有的其他固體絕緣材料一樣，環(huán)氧樹脂在發(fā)生擊穿后，會出現燒痕、裂縫或熔化的通道，去掉外加電壓后，不會象氣體或液體絕緣那樣，能自行恢復電絕緣性能，并且固化后的環(huán)氧樹脂會因為其內部產生的內應力等原因，出現脆性大、耐熱不足等問題[4]，所以如何增強環(huán)氧樹脂本身的性能，成為了研究熱點。

目前針對環(huán)氧樹脂電絕緣性能的改進研究，主要是從化學改性和物理改性出發(fā)[5]。前者通過化學方法，產生新型結構的環(huán)氧樹脂與固化劑，后者通過物理共混技術進行改性。21世紀以來，納米技術逐漸覆蓋到各種領域，從基礎材料科學到電氣電子領域，再到醫(yī)學航空都可見對納米技術的研究[6-8]。該技術為環(huán)氧樹脂性能這一電氣、材料、化學等多個學科交叉的課題，提供了從微納米填料進行研究的契機，國內外學者采用物理共混的方法，以環(huán)氧樹脂為基體，添加不同種類、不同量級的納米材料，以實現環(huán)氧樹脂的改性。不同納米填料在環(huán)氧樹脂中經過物理共混后，不僅能夠彌補不足，增強優(yōu)勢，還會給基體材料帶來其他功能[9]。但是如何綜合環(huán)氧樹脂各方面的性能進行改進，成為了一個難題。本文對幾種常見的納米填料對環(huán)氧樹脂各方面性能的影響進行闡述，并對未來的發(fā)展方向進行了一定的展望。

1 納米氧化硅

1.1 電氣性能

閆雙雙等人[10]以納米二氧化硅作為填料，制備了環(huán)氧樹脂納米復合材料，并對其電樹枝及擊穿特性進行了研究。由表1可知，盡管納米二氧化硅的質量分數對環(huán)氧樹脂電樹枝的影響不同，但是相較于純環(huán)氧樹脂，共混納米二氧化硅對環(huán)氧樹脂的電樹枝生長有所抑制。就導電性能而言，僅在玻璃轉化溫度120℃以下，就有效提高了其擊穿性能，觀察SEM圖可以發(fā)現，是因為出現了納米顆粒團聚現象。

表1 電樹枝生長隨質量分數變化趨勢

律方成等人[11]在對納米氧化硅質量分數添加量研究的基礎上，進一步研究了介電常數隨納米顆粒粒徑的變化。實驗結果表明，介電常數隨質量分數的增加而先減后增，也隨著粒徑的減小先增后減，并且與閃絡電壓呈負相關。這是因為伴隨粒徑減小，比表面積越來越大，使得納米顆粒與環(huán)氧樹脂間的界面相互作用更強，從而限制了極化。

1.2 機械性能

Morshuis等人[12]研究了顆粒粒徑對環(huán)氧樹脂力學性能的影響，沖擊試驗結果表明，隨著粒徑減小，沖擊強度和彎曲強度不斷增大，這也是比表面積較大的緣故。少于10%添加量的納米顆粒，就能夠帶來比微米級填料更大的環(huán)氧-填料界面面積。納米氧化硅加入后，在復合材料受到外力沖擊或者拉伸時，能夠有效阻止裂紋進一步發(fā)展，通過產生塑性變形，起到增強韌性的效果。朱德智的研究也證明了這一點[13]。

2 納米氧化鋅

2.1 電氣性能

張埼煒[14]以納米氧化鋅為摻雜填料，對電樹枝的生長展開了研究，實驗結果與程羽佳[15]一致，發(fā)現共混氧呼吸后，明顯提升了環(huán)氧樹脂抗電樹枝的老化性能，隨著質量分數的不斷提高，介電常數也在不斷增加。程羽佳的實驗發(fā)現，這是氧化鋅本身極性較強的原因，而納米分散處理改善了納米顆粒的團聚情況，改善更為明顯。

玻璃化轉變溫度用來表征環(huán)氧樹脂及其復合材料的耐熱性，因為玻璃化轉變溫度是聚合物高分子運動形式轉變的溫度點，直接影響到復合材料在實際應用時的使用性能。王雅蕓[16]研究了不同形貌的納米氧化鋅對熱導率的影響。相較于球狀納米氧化鋅，針狀納米氧化鋅不僅能明顯降低環(huán)氧樹脂復合材料的玻璃化轉化溫度，并且顯著提高了熱導率。這說明導熱網絡更容易沿某一方向傳遞，而球狀納米顆粒缺少方向性。

2.2 機械性能

納米氧化鋅也能夠增強環(huán)氧樹脂的韌性和耐磨性等力學性能。胡幼華等人[17]制備了納米氧化鋅/環(huán)氧樹脂復合材料，通過摩擦磨損試驗測定，發(fā)現添加10%質量分數的復合材料其耐磨性最高。在此基礎上，柳亞輸等人[18]進一步研究了納米氧化鋅/環(huán)氧樹脂復合材料的拉伸強度和彎曲強度，發(fā)現質量分數為4%時，彎曲強度和沖擊強度均達到最大值。

3 納米氧化鋁

3.1 電氣性能

Zhe Li等人[19]在環(huán)氧樹脂中分別摻雜了氧化鋁的微米、納米以及微納米混合顆粒，實驗發(fā)現，微納米顆粒確實對環(huán)氧樹脂的擊穿場強有提高作用，純納米顆粒的效果更為顯著。

受納米材料本身具備的優(yōu)異粒子特性的影響，納米復合環(huán)氧樹脂通常表現出優(yōu)異的擊穿特性，但是摻雜中不可避免的雜質、缺陷，也降低了擊穿場強。Saei Shirazi等人[20]在雙酚A型環(huán)氧樹脂中，通過超聲攪拌，均勻摻雜了質量分數分別為2%、5%與10%的納米氧化鋁，并對其不同溫度下的擊穿強度進行檢測，結果見圖1。

圖1 不同電場下擊穿電壓隨溫度變化的趨勢

結果證明，摻雜入少量納米氧化鋁填料，對提高環(huán)氧樹脂的擊穿場強有明顯的改善作用，但是摻雜到10%后，擊穿場強和純環(huán)氧樹脂持平。

氧化鋁作為金屬材料，其微納米顆粒也表現出了較好的導熱率。虞錦洪等人[21]研究了氧化鋁納米顆粒及其表面改性技術，研究結果證明，導熱系數隨納米氧化鋁顆粒質量分數的增加而上升，并且經過表面改性技術后，不僅導熱性能越來越強，也表現出了優(yōu)異的電氣性能。

3.2 機械性能

張小博[22]通過混雜一定質量比的納米氧化鋁和納米氧化硅，探討了環(huán)氧樹脂的摩擦磨損機理，并成功制備出了增強改性的環(huán)氧樹脂耐磨材料。陳允等人[23]則探討了不同粒徑的氧化鋁顆粒對環(huán)氧樹脂澆注的黏度和力學性能的影響，結果證明，氧化鋁粒徑對黏度的影響隨粒徑變小而增大，添加微米級別的氧化鋁，力學性能最佳但是沖擊強度下降明顯，而納米氧化鋁則明顯提高了沖擊強度，并且納米顆粒的添加量遠小于微米顆粒。

4 納米氮化硼

4.1 電氣性能

馬萬里等人[24]研究了不同質量分數下，納米氮化硼對復合材料的介電常數與介質損耗因數的影響，介電常數ε r隨填料質量分數的提高而增大，而介質損耗因數tanδ隨填料質量分數的提高而逐漸減小，證明納米氮化硼的摻雜起到了抑制復合材料的介質損耗的作用。他們同時還研究了不同粒徑下氮化硼共混對熱導率的影響，為盡可能減少填料分布不均帶來的影響，研究采用了換面測試的方法，取其平均值后發(fā)現，熱導率隨質量分數的上升而上升，且增速加大。相較于微米顆粒，納米顆粒的表現更為明顯，這是因為粒徑越小，形成的導熱網鏈越容易成片。

陳赟等人[25]在采用微米氧化鋁作為填料的基礎上，又添加了微米氮化硼，發(fā)現混雜后的復合材料表現出了更好的電阻率。微米氮化硼的添加會使組合物的黏度上升，以至于導熱性能反而不如純氧化鋁作為填料時的環(huán)氧樹脂。牟其伍等人[26]選擇了超細氮化硼作為研究對象，其制備的環(huán)氧樹脂導熱系數隨質量分數的變化趨勢見圖2。觀察掃描電鏡圖發(fā)現，氮化硼與環(huán)氧樹脂的相容性很好。張譽元[27]采用不同形狀的氮化硼納米顆粒作為填料，研究發(fā)現，采用多組分混合填料后，由于出現了導熱協(xié)同作用，復合材料的熱學性能不斷提升。

圖2 超細BN質量分數對導熱率的影響

4.2 機械性能

金星[28]分別選擇氮化硼微米片、氮化硼納米纖維、氮化硼納米球作為填料進行研究，結果發(fā)現，雜化2種納米氮化硼顆粒時，不僅不會影響電絕緣性能，還能使復合材料的拉伸強度和沖擊強度達到最大值。高建等[29]的實驗發(fā)現，添加7%的氮化硼納米片可提高復合材料的強度。Rajesh Kumar等人[30]的實驗也證明了這一點，他們在填料中還混雜了石墨顆粒，結果兩種填料的混雜對強度優(yōu)化效果更佳。

5 結語

環(huán)氧樹脂作為當今絕緣材料的研究熱點，其電氣、機械性能可否進一步優(yōu)化，是未來的研究方向。從前面的論述可以發(fā)現，常用于提升電氣性能的納米填料，對其機械性能改性的研究較少，難以判斷其對機械性能的影響，未來可以在以下方面開展進一步研究：①納米技術在改進電氣、機械性能中，能否達到平衡；②雜化不同種類、不同粒徑的納米填料后，共混環(huán)氧樹脂的性能能否實現進一步優(yōu)化。