梅雨菲

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

隨著現(xiàn)代輸配電系統(tǒng)智能化、電氣設(shè)備集成化、控制保護(hù)設(shè)備微電子化的發(fā)展，電氣設(shè)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(shè)備因體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)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(huì)出現(xiàn)燒痕、裂縫或熔化的通道，去掉外加電壓后，不會(huì)象氣體或液體絕緣那樣，能自行恢復(fù)電絕緣性能，并且固化后的環(huán)氧樹脂會(huì)因?yàn)槠鋬?nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力等原因，出現(xiàn)脆性大、耐熱不足等問題[4]，所以如何增強(qiáng)環(huán)氧樹脂本身的性能，成為了研究熱點(diǎn)。

目前針對環(huán)氧樹脂電絕緣性能的改進(jìn)研究，主要是從化學(xué)改性和物理改性出發(fā)[5]。前者通過化學(xué)方法，產(chǎn)生新型結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂與固化劑，后者通過物理共混技術(shù)進(jìn)行改性。21世紀(jì)以來，納米技術(shù)逐漸覆蓋到各種領(lǐng)域，從基礎(chǔ)材料科學(xué)到電氣電子領(lǐng)域，再到醫(yī)學(xué)航空都可見對納米技術(shù)的研究[6-8]。該技術(shù)為環(huán)氧樹脂性能這一電氣、材料、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科交叉的課題，提供了從微納米填料進(jìn)行研究的契機(jī)，國內(nèi)外學(xué)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(shí)現(xiàn)環(huán)氧樹脂的改性。不同納米填料在環(huán)氧樹脂中經(jīng)過物理共混后，不僅能夠彌補(bǔ)不足，增強(qiáng)優(yōu)勢，還會(huì)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(jìn)行改進(jìn)，成為了一個(gè)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(jìn)行闡述，并對未來的發(fā)展方向進(jìn)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(fù)合材料，并對其電樹枝及擊穿特性進(jìn)行了研究。由表1可知，盡管納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(dǎo)電性能而言，僅在玻璃轉(zhuǎn)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(xiàn)，是因?yàn)槌霈F(xiàn)了納米顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。

表1 電樹枝生長隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢

律方成等人[11]在對納米氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加量研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了介電常數(shù)隨納米顆粒粒徑的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，介電常數(shù)隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(luò)電壓呈負(fù)相關(guān)。這是因?yàn)榘殡S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(qiáng)，從而限制了極化。

1.2 機(jī)械性能

Morshuis等人[12]研究了顆粒粒徑對環(huán)氧樹脂力學(xué)性能的影響，沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著粒徑減小，沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)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(fù)合材料受到外力沖擊或者拉伸時(shí)，能夠有效阻止裂紋進(jìn)一步發(fā)展，通過產(chǎn)生塑性變形，起到增強(qiáng)韌性的效果。朱德智的研究也證明了這一點(diǎn)[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(shí)驗(yàn)結(jié)果與程羽佳[15]一致，發(fā)現(xiàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷提高，介電常數(shù)也在不斷增加。程羽佳的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這是氧化鋅本身極性較強(qiáng)的原因，而納米分散處理改善了納米顆粒的團(tuán)聚情況，改善更為明顯。

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度用來表征環(huán)氧樹脂及其復(fù)合材料的耐熱性，因?yàn)椴ＡЩD(zhuǎn)變溫度是聚合物高分子運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)變的溫度點(diǎn)，直接影響到復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用時(shí)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(dǎo)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(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度，并且顯著提高了熱導(dǎo)率。這說明導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)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(jī)械性能

納米氧化鋅也能夠增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的韌性和耐磨性等力學(xué)性能。胡幼華等人[17]制備了納米氧化鋅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，通過摩擦磨損試驗(yàn)測定，發(fā)現(xiàn)添加10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料其耐磨性最高。在此基礎(chǔ)上，柳亞輸?shù)热薣18]進(jìn)一步研究了納米氧化鋅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均達(dá)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微納米顆粒確實(shí)對環(huán)氧樹脂的擊穿場強(qiáng)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(fù)合環(huán)氧樹脂通常表現(xiàn)出優(yōu)異的擊穿特性，但是摻雜中不可避免的雜質(zhì)、缺陷，也降低了擊穿場強(qiáng)。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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(qiáng)度進(jìn)行檢測，結(jié)果見圖1。

圖1 不同電場下?lián)舸╇妷弘S溫度變化的趨勢

結(jié)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(qiáng)有明顯的改善作用，但是摻雜到10%后，擊穿場強(qiáng)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(xiàn)出了較好的導(dǎo)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(shù)，研究結(jié)果證明，導(dǎo)熱系數(shù)隨納米氧化鋁顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而上升，并且經(jīng)過表面改性技術(shù)后，不僅導(dǎo)熱性能越來越強(qiáng)，也表現(xiàn)出了優(yōu)異的電氣性能。

3.2 機(jī)械性能

張小博[22]通過混雜一定質(zhì)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(jī)理，并成功制備出了增強(qiáng)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(xué)性能的影響，結(jié)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(xué)性能最佳但是沖擊強(qiáng)度下降明顯，而納米氧化鋁則明顯提高了沖擊強(qiáng)度，并且納米顆粒的添加量遠(yuǎn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)下，納米氮化硼對復(fù)合材料的介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因數(shù)的影響，介電常數(shù)ε r隨填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而增大，而介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ隨填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而逐漸減小，證明納米氮化硼的摻雜起到了抑制復(fù)合材料的介質(zhì)損耗的作用。他們同時(shí)還研究了不同粒徑下氮化硼共混對熱導(dǎo)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(xiàn)，熱導(dǎo)率隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xiàn)更為明顯，這是因?yàn)榱皆叫?，形成的?dǎo)熱網(wǎng)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(chǔ)上，又添加了微米氮化硼，發(fā)現(xiàn)混雜后的復(fù)合材料表現(xiàn)出了更好的電阻率。微米氮化硼的添加會(huì)使組合物的黏度上升，以至于導(dǎo)熱性能反而不如純氧化鋁作為填料時(shí)的環(huán)氧樹脂。牟其伍等人[26]選擇了超細(xì)氮化硼作為研究對象，其制備的環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱系數(shù)隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢見圖2。觀察掃描電鏡圖發(fā)現(xiàn)，氮化硼與環(huán)氧樹脂的相容性很好。張譽(yù)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(xiàn)，采用多組分混合填料后，由于出現(xiàn)了導(dǎo)熱協(xié)同作用，復(fù)合材料的熱學(xué)性能不斷提升。

圖2 超細(xì)BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)對導(dǎo)熱率的影響

4.2 機(jī)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(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雜化2種納米氮化硼顆粒時(shí)，不僅不會(huì)影響電絕緣性能，還能使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值。高建等[29]的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加7%的氮化硼納米片可提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。Rajesh Kumar等人[30]的實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)，他們在填料中還混雜了石墨顆粒，結(jié)果兩種填料的混雜對強(qiáng)度優(yōu)化效果更佳。

5 結(jié)語

環(huán)氧樹脂作為當(dāng)今絕緣材料的研究熱點(diǎn)，其電氣、機(jī)械性能可否進(jìn)一步優(yōu)化，是未來的研究方向。從前面的論述可以發(fā)現(xiàn)，常用于提升電氣性能的納米填料，對其機(jī)械性能改性的研究較少，難以判斷其對機(jī)械性能的影響，未來可以在以下方面開展進(jìn)一步研究：①納米技術(shù)在改進(jìn)電氣、機(jī)械性能中，能否達(dá)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(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化。