纳米技术改进环氧树脂基绝缘材料性能的研究进展

梅雨菲

（南京工程学院，江苏 南京 211167）

随着现代输配电系统智能化、电气设备集成化、控制保护设备微电子化的发展，电气设备逐渐向小型化、轻型化方向发展[1-2]。环氧树脂浇注式的电气设备因体积小、重量轻的优点而受到极大欢迎[3]。但是和所有的其他固体绝缘材料一样，环氧树脂在发生击穿后，会出现烧痕、裂缝或熔化的通道，去掉外加电压后，不会象气体或液体绝缘那样，能自行恢复电绝缘性能，并且固化后的环氧树脂会因为其内部产生的内应力等原因，出现脆性大、耐热不足等问题[4]，所以如何增强环氧树脂本身的性能，成为了研究热点。

目前针对环氧树脂电绝缘性能的改进研究，主要是从化学改性和物理改性出发[5]。前者通过化学方法，产生新型结构的环氧树脂与固化剂，后者通过物理共混技术进行改性。21世纪以来，纳米技术逐渐覆盖到各种领域，从基础材料科学到电气电子领域，再到医学航空都可见对纳米技术的研究[6-8]。该技术为环氧树脂性能这一电气、材料、化学等多个学科交叉的课题，提供了从微纳米填料进行研究的契机，国内外学者采用物理共混的方法，以环氧树脂为基体，添加不同种类、不同量级的纳米材料，以实现环氧树脂的改性。不同纳米填料在环氧树脂中经过物理共混后，不仅能够弥补不足，增强优势，还会给基体材料带来其他功能[9]。但是如何综合环氧树脂各方面的性能进行改进，成为了一个难题。本文对几种常见的纳米填料对环氧树脂各方面性能的影响进行阐述，并对未来的发展方向进行了一定的展望。

1 纳米氧化硅

1.1 电气性能

闫双双等人[10]以纳米二氧化硅作为填料，制备了环氧树脂纳米复合材料，并对其电树枝及击穿特性进行了研究。由表1可知，尽管纳米二氧化硅的质量分数对环氧树脂电树枝的影响不同，但是相较于纯环氧树脂，共混纳米二氧化硅对环氧树脂的电树枝生长有所抑制。就导电性能而言，仅在玻璃转化温度120℃以下，就有效提高了其击穿性能，观察SEM图可以发现，是因为出现了纳米颗粒团聚现象。

表1 电树枝生长随质量分数变化趋势

律方成等人[11]在对纳米氧化硅质量分数添加量研究的基础上，进一步研究了介电常数随纳米颗粒粒径的变化。实验结果表明，介电常数随质量分数的增加而先减后增，也随着粒径的减小先增后减，并且与闪络电压呈负相关。这是因为伴随粒径减小，比表面积越来越大，使得纳米颗粒与环氧树脂间的界面相互作用更强，从而限制了极化。

1.2 机械性能

Morshuis等人[12]研究了颗粒粒径对环氧树脂力学性能的影响，冲击试验结果表明，随着粒径减小，冲击强度和弯曲强度不断增大，这也是比表面积较大的缘故。少于10%添加量的纳米颗粒，就能够带来比微米级填料更大的环氧-填料界面面积。纳米氧化硅加入后，在复合材料受到外力冲击或者拉伸时，能够有效阻止裂纹进一步发展，通过产生塑性变形，起到增强韧性的效果。朱德智的研究也证明了这一点[13]。

2 纳米氧化锌

2.1 电气性能

张埼炜[14]以纳米氧化锌为掺杂填料，对电树枝的生长展开了研究，实验结果与程羽佳[15]一致，发现共混氧呼吸后，明显提升了环氧树脂抗电树枝的老化性能，随着质量分数的不断提高，介电常数也在不断增加。程羽佳的实验发现，这是氧化锌本身极性较强的原因，而纳米分散处理改善了纳米颗粒的团聚情况，改善更为明显。

玻璃化转变温度用来表征环氧树脂及其复合材料的耐热性，因为玻璃化转变温度是聚合物高分子运动形式转变的温度点，直接影响到复合材料在实际应用时的使用性能。王雅芸[16]研究了不同形貌的纳米氧化锌对热导率的影响。相较于球状纳米氧化锌，针状纳米氧化锌不仅能明显降低环氧树脂复合材料的玻璃化转化温度，并且显著提高了热导率。这说明导热网络更容易沿某一方向传递，而球状纳米颗粒缺少方向性。

2.2 机械性能

纳米氧化锌也能够增强环氧树脂的韧性和耐磨性等力学性能。胡幼华等人[17]制备了纳米氧化锌/环氧树脂复合材料，通过摩擦磨损试验测定，发现添加10%质量分数的复合材料其耐磨性最高。在此基础上，柳亚输等人[18]进一步研究了纳米氧化锌/环氧树脂复合材料的拉伸强度和弯曲强度，发现质量分数为4%时，弯曲强度和冲击强度均达到最大值。

3 纳米氧化铝

3.1 电气性能

Zhe Li等人[19]在环氧树脂中分别掺杂了氧化铝的微米、纳米以及微纳米混合颗粒，实验发现，微纳米颗粒确实对环氧树脂的击穿场强有提高作用，纯纳米颗粒的效果更为显著。

受纳米材料本身具备的优异粒子特性的影响，纳米复合环氧树脂通常表现出优异的击穿特性，但是掺杂中不可避免的杂质、缺陷，也降低了击穿场强。Saei Shirazi等人[20]在双酚A型环氧树脂中，通过超声搅拌，均匀掺杂了质量分数分别为2%、5%与10%的纳米氧化铝，并对其不同温度下的击穿强度进行检测，结果见图1。

图1 不同电场下击穿电压随温度变化的趋势

结果证明，掺杂入少量纳米氧化铝填料，对提高环氧树脂的击穿场强有明显的改善作用，但是掺杂到10%后，击穿场强和纯环氧树脂持平。

氧化铝作为金属材料，其微纳米颗粒也表现出了较好的导热率。虞锦洪等人[21]研究了氧化铝纳米颗粒及其表面改性技术，研究结果证明，导热系数随纳米氧化铝颗粒质量分数的增加而上升，并且经过表面改性技术后，不仅导热性能越来越强，也表现出了优异的电气性能。

3.2 机械性能

张小博[22]通过混杂一定质量比的纳米氧化铝和纳米氧化硅，探讨了环氧树脂的摩擦磨损机理，并成功制备出了增强改性的环氧树脂耐磨材料。陈允等人[23]则探讨了不同粒径的氧化铝颗粒对环氧树脂浇注的黏度和力学性能的影响，结果证明，氧化铝粒径对黏度的影响随粒径变小而增大，添加微米级别的氧化铝，力学性能最佳但是冲击强度下降明显，而纳米氧化铝则明显提高了冲击强度，并且纳米颗粒的添加量远小于微米颗粒。

4 纳米氮化硼

4.1 电气性能

马万里等人[24]研究了不同质量分数下，纳米氮化硼对复合材料的介电常数与介质损耗因数的影响，介电常数ε r随填料质量分数的提高而增大，而介质损耗因数tanδ随填料质量分数的提高而逐渐减小，证明纳米氮化硼的掺杂起到了抑制复合材料的介质损耗的作用。他们同时还研究了不同粒径下氮化硼共混对热导率的影响，为尽可能减少填料分布不均带来的影响，研究采用了换面测试的方法，取其平均值后发现，热导率随质量分数的上升而上升，且增速加大。相较于微米颗粒，纳米颗粒的表现更为明显，这是因为粒径越小，形成的导热网链越容易成片。

陈赟等人[25]在采用微米氧化铝作为填料的基础上，又添加了微米氮化硼，发现混杂后的复合材料表现出了更好的电阻率。微米氮化硼的添加会使组合物的黏度上升，以至于导热性能反而不如纯氧化铝作为填料时的环氧树脂。牟其伍等人[26]选择了超细氮化硼作为研究对象，其制备的环氧树脂导热系数随质量分数的变化趋势见图2。观察扫描电镜图发现，氮化硼与环氧树脂的相容性很好。张誉元[27]采用不同形状的氮化硼纳米颗粒作为填料，研究发现，采用多组分混合填料后，由于出现了导热协同作用，复合材料的热学性能不断提升。

图2 超细BN质量分数对导热率的影响

4.2 机械性能

金星[28]分别选择氮化硼微米片、氮化硼纳米纤维、氮化硼纳米球作为填料进行研究，结果发现，杂化2种纳米氮化硼颗粒时，不仅不会影响电绝缘性能，还能使复合材料的拉伸强度和冲击强度达到最大值。高建等[29]的实验发现，添加7%的氮化硼纳米片可提高复合材料的强度。Rajesh Kumar等人[30]的实验也证明了这一点，他们在填料中还混杂了石墨颗粒，结果两种填料的混杂对强度优化效果更佳。

5 结语

环氧树脂作为当今绝缘材料的研究热点，其电气、机械性能可否进一步优化，是未来的研究方向。从前面的论述可以发现，常用于提升电气性能的纳米填料，对其机械性能改性的研究较少，难以判断其对机械性能的影响，未来可以在以下方面开展进一步研究：①纳米技术在改进电气、机械性能中，能否达到平衡；②杂化不同种类、不同粒径的纳米填料后，共混环氧树脂的性能能否实现进一步优化。