高导热BNNS／ANF复合绝缘纸的结构设计及性能分析.docx

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1、第55卷第4期工程科学与技术Vo1.55No.42023年7月ADVANCEDENGINEERINGSCIENCESJu1y2023面向双碳目标的环保型电力设备DOI:10.15961j.jsuese.202300967高导热BNNS/ANF复合绝缘纸的结构设计及性能分析赵莉华I滕富莉I卓然2,高萌2,任俊文产(I.四川大学电气工程学院，四川成都610065；2.南方电网公司电力科学研究院，广东广州510623)摘要：随着电力设备逐渐向高电压、大容量、高集成化方向发展，对其绝缘材料的导热性能提出了更高的要求。本文借鉴天然珍珠母的仿生结构，以耐高温的I维芳纶纳米纤维(ANF)组成骨架网络，以高导

2、热的2维氮化硼纳米片(BNNS)为功能基元，构筑复合绝缘纸。首先，利用柠檬酸锂充当表面活性剂，将六方氮化硼(h-BN)通过超声与水热反应相结合的方法剥离成BNNS,并对其微观形貌及分散特性进行研究；然后，采用浓碱去质子化法剥离KeVIar纤维(AF)制得(ANF)；分别以ANF、BNNS为纳米基元，通过真空辅助抽滤技术制备出Bnnszanf复合绝缘纸，并对其微观形貌结构、导热性能、力学性能、击穿性能进行了分析。结果表明：所剥离制备的薄层BNNS具有高长径比，BNNS与ANF之间均匀堆积形成致密的砖泥结构，这种砖泥结构有助于改善复合绝缘纸的击穿性能和力学性能；当BNNS填充质量分数为20%时，B

3、NNS/ANF复合绝缘纸的标准击穿场强达到313.04kVmm,抗拉强度达到216.64MPa,分别是纯ANF绝缘纸的166.47%和126.38%：此外，BNNS在ANF网络中定向分布形成连续导热的桥联，显著提高了复合绝缘纸的导热性能，当BNNS填充质量分数为30%时，复合绝缘纸的热导率达到5.31W(mK),是纯ANF绝缘纸的211.55%。该复合绝缘纸具有高导热性、良好的力学性能以及优异的电绝缘性，能有效解决设备绝缘散热问题，有望在电气设备中推广应用。关键词：氮化硼纳米片；芳纶纳米纤维：复合绝缘纸：砖泥结构：导热性能中图分类号：TM215文献标志码：A文章编号：2096-3246(202

4、3)04-0030-08StructureDesignandPerformanceAna1ysisofHighTherma1ConductivityBNNS/ANFCompositeInsu1ationPaperZHAo1ihuai,TENGFu1i1,ZHUORan2,GAOMeng2,RENJunwen(1.Co11egeofE1ectrica1Eng.,SichuanUniv.Chengdu610065,China：2.E1ectricPowerResearchInst.ChinaSouthernPowerGrid.Guangzhou510623.China)Abstract:Witht

5、hegradua1deve1opmentofpowerequipmenttowardshighvo1tage,1argecapacity,andhighintegration,higherrequirementshavebeenputforu,ardfortheinsu1ationmateria1sofitstherma1conductivity.Thisartic1edrewinspirationfromthebiomimeticstructureofthenatura1pear1.Thecompositeinsu1ationpaperwasconstructedbyusingtheone-

6、dimensiona1aramidnanofibers(ANF)withhigh-temperatureresistanceastheske1etonnetwork,andthetwo-dimensiona1boronnitridenanosheets(BNNS)withhightherma1conductivityasthefunctiona1units.First1y,the1ithiumcitratewasusedasasurfactanttopee1hexagona1boronnitride(h-BN)intoBNNSthroughacombinationofu1trasoundand

7、hydrotherma1reaction.Itsmicrostructureanddispersioncharacteristicswerea1sostudied.Then,theconcentrateda1ka1ideprotonationmcth(iwasusedtopee1theKev1arfiber(AF)intoANF.UsingANFandBNNSasnanocomposiies.theBNNS/ANFcompositeinsu1ationpaperwaspreparedthroughIhevacuumassistedI11trationtechno1ogy.Itsmicrostr

8、ucture,therma1conductivity,mechanica1properties,andbreakdownperformancewerefurtherana1yzed,eresu1tsshowthatthethin1ayerBNNSpreparedbypee1inghasahighaspectratio,andtheuniformaccumu1ationbetweenBNNSandANFformsadensebrickmudstructure.Thisbrickmudstructurehe1pstoimprovethebreakdownperformanceandmechan-收

9、稿日期:2023-09-07基金项目:国家自然科学基金项14(52107020)；四川省科技计划项目(2023YFG0284)；中国博士后科学基金项目(2018M643475)作者简介:赵莉华(1968),女，副教授,研究方向：电力设备状态监测；电能质量.E-mai1：IyOrika*通信作者：任俊文，E-mai1：myboyry1网络出版时间:2023061917:58:10网络出版地i1h:ht(ps:/ica1propertiesofthecompositeinsu1ationpaper.Whenthe11ingmassfractionofBNNSis20%,thestandardbre

10、akdownfie1dstrengthoftheBNNS/ANFcompositeinsu1ationpaperreaches313.04kVmm,anditstensi1estrengthreaches216.64MPa,whichare166.47%and126.38%of(hecorrespondingparametersofthepureANFinsu1ationpaper,respective1y.Inaddition,thedirectiona1distributionofBNNSintheANFnetworkformsacontinuoustherma1conductivityb

11、ridge,whichsignificant1yimprovingthetherma1conductivityofthecompositeinsu1ationpaper.Whenthefi11ingmassfractionofBNNSis30%,theherma1conductivityofIhecompositeinsu1ationpaperreaches5.31W(mK).whichis211.55%ofthatofthepureANFinsu1ationpaper.Thus,thecompositeinsu1ationpaperhashightherma1conductivity,goo

12、dmechanica1propertiesandexce11ente1ectrica1insu1ation,whichcaneffective1yso1vetheprob1emofequipmentinsu1ationandheatdissipation.Itisexpectedtobewide1yusedine1ectrica1equipment.Keywords:boronnitridenanosheets;aramidnanofibers;compositeinsu1atingpaper:brickandmortarstructure;therma1conductivity随着超高压和特

13、高压技术的快速发展，变压器、发电机等电气设备电压等级和容量不断提高，需要其绝缘系统有更高的耐热性能。而高耐热绝缘系统对电介质材料的导热性能提出了更加严格的要求。作为一种高性能纤维材料，芳纶纤维（AF）于1960年由美国杜邦公司研发生产以来备受关注。因为AF高度规整的分子结构及分子间氢键，使得芳纶绝缘纸具有耐高温性、热稳定性、抗老化性及优异的力学性能和电绝缘性能，且易加工成型，因此广泛应用于大中型变压器及发电机等重要电气设备中。然而，AF表面光滑，呈化学惰性，纤维之间界面作用差，且热导率低，传统的芳纶绝缘纸已无法满足高绝缘等级中电气设备的散热需求。因此，为了保证电气设备的运行稳定性网以及延长其使

14、用寿命，亟需开发高导热芳纶绝缘纸。国内外专家学者在提高芳纶绝缘纸性能方面做了大量研究，其方法主要有“3：1）制纸工艺参数调控。通过改变AF种类的选择和配比、分散剂的选择和用量以及热压处理阿的温度、压力和时间等工艺参数提高芳纶绝缘纸的致密度和力学性能。2）AF表面改性。AF表面呈化学惰性，对其进行表面改性处理可改善其界面黏结力口21,提高芳纶绝缘纸的力学性能。3）纸张内部的结构设计。天然珍珠母的外壳微观结构是基于文石薄片、蛋白质和甲壳素纤维之间相互堆积、交错排列形成的砖泥结构，因此天然珍珠母展现出优异的力学性能1网。另外，构建连续的导热通道有望实现复合电介质热导率的大幅度提升。Zeng等同在复合

15、电介质中构建砖泥结构，显著提升其导热性能和力学性能。Shi等网采用固态挤压法制备出氮化硼/聚乙烯（BN/PE）复合材料，其中六方氮化硼（h-BN）和PE分子链定向排列，呈现出珍珠层结构，其机械强度和导热性能得到显著增强。4）纳米增强。通过引入芳纶纳米材料（ANF）或填充功能性纳米粒子可以大幅度提升芳纶绝缘纸的综合性能。Yang等I网采用去质子化法，在KoH/DMSO体系中成功将AF剥离成1维ANF,并得到均一的ANF/DMS0分散液。相较于AF,ANF具有更高的比表面积和丰富的表面活性基团，为灵活设计高性能的复合电介质材料提供了可能U1目前，向聚合物基体中加入高热导率的纳米颗粒是提高其导热性能的常用手段。Wang等I网将POSSNPS加入到ANF中，得到ANFPS纳米复合膜。结果表明，填入POSS后，复合膜保持着良好的透明性和柔韧性，并且提升了复合薄膜（ANFPS）的力学性能及热稳定性等，这得益于POSS充当ANF之间的交联剂。Zhu等【四将h-BN粉末置于异丙醉（IPA）溶液中，通过超声处理得到大量2D氮化硼纳米片（BNNS）oBNNS具有超高热导率、宽能级间隙及高热稳定性等优点，是理想的纳米填料，已被用于增强电介质材料Kev1ar29,美国DUPont公司：柠檬酸锂，上海阿拉丁生h-BN剥离成BNNS；接着，采用浓碱去质子