电力复合脂的研究进展及其应用

何丽娟　陈宇　田付强　曾均吉　杨翔宇　叶战争

摘要：电力复合脂是一种新型的电工材料，在输变电系统中发挥着至关重要的作用。在电气连接中涂抹电力复合脂能有效降低接触电阻，对导电体起到抗氧化、防腐蚀和减摩抗磨作用，有效提高电力设备的稳定性和可靠性。研究人员通过对电力复合脂填料的调制和改性，从而达到提升电力复合脂的导电性和润滑性的目的。文中介绍了电力复合脂的导电机理和应用领域。综述了碳纳米管型电力复合脂、锂盐型电力复合脂和石墨烯型电力复合脂在摩擦学性能和导电性能方面的研究现状，展望了电力复合脂用在电力设备连接中的发展前景。

关键词：电力复合脂;碳纳米管;锂盐;石墨烯; 摩擦学性能; 导电性

DOI：10.15938/j.jhust.2022.02.017

中图分类号： TB332;TH117

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2022）02-0133-09

Research Progress and Application of Conductive Grease

HE Li-juan CHEN Yu TIAN Fu-qiang ZENG Jun-ji YANG Xiang-yu YE Zhan-zheng

（1.School of Sciences， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China;

2.Hegang Zhenjin Graphene New Materials Research Institute， Hegang 154100， China）

Abstract：Conductive grease is a new type of electrical material， which plays a vital role in power transmission and transformation systems. Applying conductive grease in the electrical connection can effectively reduce the contact resistance， and play an anti-oxidation， anti-corrosion， anti-friction and anti-wear effect on the conductor， and effectively improve the stability and reliability of the electrical equipment. Researchers achieve the purpose of improving the conductivity and lubricity of the conductive grease by modulating and modifying the conductive grease filler. The paper introduces the conductive mechanism and application fields of conductive grease. The research status of tribological properties and electrical conductivity of carbon nanotube type conductive grease， lithium salt type conductive grease and graphene type conductive grease are reviewed， and the development prospect of conductive grease used in electrical equipment connection is prospected.

Keywords：conductive grease; carbon nanotubes; lithium salt; graphene; tribological properties; conductivity

0引言

高壓输变电设备由于长期处于高负荷运行，使其电压等级和电流过大，容易造成电力连接处存在过热现象，这主要受到环境中腐蚀性气体、电化学腐蚀、维护不到位等因素的影响。电接触区域异常发热会改变元器件的电阻值，干扰输电信号的正常传输，导致电连接失效造成设备停运，甚至会导致起火等严重的灾害事故[1]。因此，解决电力设备异常发热现象迫在眉睫。

电力复合脂又称为导电膏，是一种新型电工材料[2]。常用的基础脂包括硅油、聚醚和石蜡油等。基础脂加入稠化剂增稠后，添加导电颗粒，再经过修饰改性和分散工艺等一系列步骤，最终制备成软状膏体。目前，导电膏可分为5类，分别为可动电接触型、超高温电接触型、灭弧电接触型、高温固定电接触型、宽温固定电接触型[3]。电力复合脂在隔离开关、触指、断路器、线夹等一系列电力金具电连接接头处等有广泛的应用空间。

过去为了解决电力设备异常发热问题，采取的主流措施是在电连接处进行搪锡工艺涂抹、涂抹工业凡士林以及镀银等方法。但由于滴点低易流淌、造价高和使用寿命短等问题限制了其进一步发展。直到1999年，杨守生[4-5]运用化学反应生成银的方法，制得了一种银系电力复合脂，涂敷在导线接头处，可有效降低接触电阻，减小发热。龚炳林等[6]研究发现，当大容量输配电系统的电连接处发生过热现象时，在该部位涂敷一定量的电力复合脂能有效地降低接触区的接触电阻，明显降低电连接处在使用过程中的发热。陈河山[7]等人通过实验发现，在电连接处涂抹电力复合脂能够解决发热问题，并且电力复合脂中导电微粒分散越均匀，其导电性能越优异，从而使得电能输送质量变高，有效降低电能损失，起到节约经济的作用。

随着科技的不断发展，对电力复合脂的综合性能要求越来越高，众多学者进行了一系列的技术改进。王国刚等[8]提供了一种硅油电力复合脂，具备成本低，耐高温220 ℃的条件下做到不流淌等优点。陈宜斌等[9]进一步将电力复合脂的耐高温滴点达到了312 ℃，具备良好的耐高温稳定性。孙运滨等[10]将高分子硬脂酸盐作为基础油，制备的电力复合脂，温度达到330 ℃时仍可以保持良好的触变性，并且抗氧化性能得到了极大提升。汪建军等[11]改善了电力复合脂的防腐蚀性能。郑哲等[12]将石墨烯添加到电力复合脂中，导电性能得到极大提升，有效降低了电连接处的接触电阻，使得发热现象得到了极大的解决。电力复合脂在外界环境中使用，紫外线是导致其老化的主要因素，王志勇等[13]研发了一种耐辐射电力复合脂，有效提高了抗老化性能。赵冬梅[14]解决了在高电场条件下涂抹电力复合脂能有效降低电网接触部位的发热量，同时在使用过程中不易降解劣化等问题。

为了进一步提升电力复合脂的综合性能，开发新兴材料迫在眉睫。近年来发展比较热门的材料，如具有优异电学性能和润滑性能的碳纳米管、离子液和石墨烯等新兴材料，使其成为电力复合脂最有效的导电润滑添加剂。因此，本文将分别论述碳纳米管型电力复合脂、锂盐型电力复合脂和石墨烯型电力复合脂的电学性能和摩擦学性能的研究进展。

1电力复合脂的导电机理及使用

1.1电力复合脂的导电机理

电力设备相互接触的两个导体在压力的作用下看似紧密连接在一起，但在接触区域的接触表面实际上是凹凸不平的，可以看做是点接触。在载流条件下，电流只能从两个导体接触面的一点通过，导电通道大幅度变窄，导体接触面之间电阻变大，相当于增加了一个新电阻，这一电阻称为收缩电阻[15]，如图1所示。收缩电阻的增加势必会造成接触电阻增大。接触电阻长期存在电力设备连接处，造成连接处发热，增加电能损耗。降低接触电阻的有效方法就是在凹凸不平的接触区域填充适量的电力复合脂。

电力复合脂本身是不导电的，在其基础油中添加了导电填料后，增加了内部的电流通路，如图2 所示，内部的导电颗粒一部分会直接接触，形成连续的链状导电通路，相当于电流流过导电颗粒自身电阻Ra和收缩电阻Ra1。另一部分导电颗粒距离很近，在“隧道效应”的作用下形成隧穿电流，其阻值由导电颗粒自身电阻Rb、收缩电阻Rb1和隧道效应电阻Rb2串联组成。剩余的导电颗粒距离较远，相当于断路状态。前两条通路的共同作用，从而使得电力复合脂能够导电[16]。

量子隧道效应指电子在电压的作用高速运转，即使电子的能量低于势垒的能量，也可以实现部分电子穿过势垒达到流动的物理现象。在电接触区域涂抹电力复合脂后可以有效填充空隙，使得点接触变为面接触，增大了有效导电面积，电连接处导电性增强。

1.2电力复合脂的使用方法

在涂抹电力复合脂前，用细砂纸打磨电力金具的电接触面，去除表面油污、毛刺和氧化膜，保证接触面平整。打磨过程不可用力过大，防止对接触面造成划痕。打磨结束后，用丙酮（或无水乙醇）擦洗干净，待丙酮挥发后，涂抹一层厚度为0.1～0.2mm的电力复合脂，最后将接触面重合紧固，擦去表面流出多余膏体即可。

2电力复合脂的类型

2.1碳纳米管型电力复合脂

碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）主要分为单壁碳纳米管（single wall carbon nanotube，）、多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes）和羧基化多壁碳纳米管（carboxylated multi-walled carbon nanotubes）[17-18]。碳纳米管作为碳材料中的一员，具有高长径比和中空卷曲状的特殊结构[19]。碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）的导电性能和润滑性能十分优秀，因此将其作为导电润滑填料添加在润滑脂中，大幅提高润滑脂的减磨抗磨和导电能力[20]。

Hong等[21-22]通过自制CNTs作为导电润滑添加剂到聚α—烯烃油中制备了润滑脂。在低载荷条件下，考察了不同浓度碳纳米管添加量和不同温度的润滑脂的導电性能和摩擦磨损性能。发现该润滑脂在导电性和耐磨性均表现出了优异的性能，并且在最高177℃的温度下不会与铜发生反应，随着纳米管质量和纯度的提高，碳纳米管润滑脂的综合性能更加优异。厉敏宪[23]进一步研究了不同含量、管长和管径的碳纳米管作为添加剂对锂基润滑脂的摩擦性能影响，研究发现质量分数为0.05%的碳纳米管添加量下锂基润滑脂的摩擦性能最佳，并且管径小和管长越大的碳纳米管更容易填充到摩擦副的凹槽，从而展现出了更加优异的学擦磨损性能。

朱莉莉[24]研究了油酸修饰多壁碳纳米管后作为添加剂填充到膨润土润滑脂中的摩擦性能。数据表明，经油酸修饰的多壁碳纳米管在超声和球磨综合作用下其分散稳定性最好，当多壁碳纳米管质量分数为0.03%时，膨润土润滑脂的摩擦磨损性能最优，磨斑直径最小为0.69mm，与美孚28号航空润滑脂（符合美国军方规格M1L一G81322 C，磨斑直径0.807mm）相比，降低了14.7%。由此可见，CNTs用量小就能使得润滑脂具备良好的抗磨损性能。

碳纳米管在具备优良润滑性能的同时是否具备良好的导电性能，吴海平等[25]研究了以碳纳米管（CNTs）作为导电填料制备的导电胶在铜基板和铝基板上的电学性能。从图 3 中可以看出 ， 随着CNTs含量的增加， 两种电极下的导电胶的电阻率开始下降，但当CNTs质量分数达到0.3%左右时 ， 导电胶的体积电阻率又迅速增加。主要原因是当碳纳米管含量增加时， 树脂固化收缩形成的压力不能保证管与管之间紧密接触，因此又出现了体积电阻率增加的情况。导电胶在铜电极的体积电阻率要低于铝电极， 是因为铜片电极的本征电阻比铝片小，将导电胶涂抹在铜片上的接触电阻小于铝电极的缘故。

为了探究碳纳米管的导电特性是否优于其它碳系材料，刘椿等[26]分别研究了碳纳米管和导电炭黑作为添加剂制备的电力复合脂。从图 4 中可以看出，随着3种导电填料含量逐渐增加，润滑脂的体积电阻率均呈现下降趋势。当导电填料质量分数为0.5%时，体积电阻率趋于稳定，碳纳米管质量分数为1%时，润滑脂体积电阻率出现明显变化，降低到至5.34×10Ω·m，导电性优于两种炭黑，同等导电填料含量下，碳纳米管比导电炭黑更易于形成导电网络。

这种添加少量碳纳米管的电力复合脂具有很强的导电性，有学者开始研究不同类型碳纳米管对电力复合脂的导电增强作用。2016年，Cao等[27]分别将单壁碳纳米管（SWCNTs）、多壁碳纳米管（MWCNTs）、羧基化多壁碳纳米管（CWCNTs）和炭黑（Carbon black）为导电填料，加入到润滑脂中。如图5所示，随着导电填料浓度的增加，电力复合脂的电导率逐渐增大，发现当填料浓度为1.5%时，四种电力复合脂的电导率均达到最大，其中添加单壁碳纳米管的电力复合脂电导率远远大于其它几种，导电性能达到最优。

为了进一步增强碳纳米管作为润滑脂添加剂的导电性能，王伟等[28]用离子液改性碳纳米管作为导电添加剂，研究了载流条件下，载荷为5N和10N 的润滑脂接触电阻。研究发现，不同载荷下，改性碳纳米管制备的电力复合脂的接触电阻明显要优于纯碳纳米管作为导电添加剂制备的电力复合脂。目前，为了进一步增强碳纳米管的润滑性和导电性，用其它材料改性碳纳米管后作为电力复合脂的导电润滑添加剂，在碳纳米管领域是一个重要的研究方向。

2.2锂盐型电力复合脂

离子液体是一种有机盐[29]，完全由阴阳离子组成，在常温下呈液态。相比于碳系材料，虽然碳系材料价格便宜，导电能力强，但是制备的电力复合脂颜色较深，限制了电力复合脂的使用环境。研究表明，离子液随着功能化基团的引入，不仅有着优良的润滑性能，同时还具备良好的导电性。当离子液通电后，内部的自由电子和离子进行有序排列，相當于形成一条链状导电通路，大大增强导电性。离子液具备热稳定性高、挥发性低、润滑性好和离子电导率高等优点。凭借自身离子基团制备的离子液电力复合脂导电性能更加优异，逐渐成为主流的研究对象。

吴礼宁等[30]以l-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（LB104）、l-乙基-3甲基咪唑四氟硼酸盐（LB106）两种离子液为导电添加剂加入聚醚中，制备了离子液体电力复合脂。分析数据得出，随着离子液体质量百分数（0%～100%）的增加，摩擦系数近似线性降低，从0.113降至0.061（LB106）和0.071（LB104）。与此同时，随着两种离子液的加入，电力复合脂的电导率都呈现增高趋势，导电性能增强。如图6所示，LB104离子液体电导率比LB106离子液电导率更高，LB106制备出润滑脂电导率为876μS/cm，LB104制备出润滑脂电导率高达2260μS/cm。主要是因为当液体通电后，自由电子和离子形成一个有序排列的结构，相当于一根导线，随着离子液浓度的增大，带电离子不断增多，大大提高了电力复合脂的电导率，保证了离子液电力复合脂的导电性。LB014离子液体阳离子侧链碳原子数量比LB106小，离子移动速率越快，电导率因此越大。

相比于直接将离子液添加到聚醚基础油中制备电力复合脂，葛翔宇[31]将聚醚进行加工，制备锂基润滑脂基脂，然后分别加入四氟硼酸锂（LiBF4）、六氟磷酸锂（LiPF6）和双三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiNTf2）三种不同新型离子液体。对比基础脂分析发现（表1），加入三种离子液后，基础脂的体积电阻率从10减少到10，降低了7个数量级。与此同时电导率得到了显著提升，并且接触电阻也降低十分明显，三种离子液的导电性能相差不大，均有效提升了基础脂的电学性能，从而使电能的传输更加平稳。

将离子液填充基础脂提升导电性是一个可行的办法，随着研究的深入，众多学者不断开发出新型的离子液。王国刚等[32]以LiBF4和LiNTf2通过原位法形成新型离子液体，添加到高碱值复合磺酸钙中制备电力复合脂。发现LiBF4的减摩抗磨性能优于LiNTf2，当添加2%浓度的LiBF4制备的电力复合脂，其摩擦性能最好。图7和8所示，随着离子液添加浓度的增加，两种离子液的高碱值复合磺酸钙基脂的体积电阻率呈现明显的降低趋势，从10降低到10，降低了4个数量级。其电导率逐渐上升，当添加浓度为5%时，电导率最好。添加了LiBF4的润滑脂电导率优于LiNTf2。

相比于单纯开发新型离子液作为导电添加剂，曹正峰等[33]将导电性能更好的 LB104离子液功能化聚苯胺，添加到聚脲润滑脂中。研究发现，加入离子液体功能化聚苯胺的润滑脂明显降低体积电阻率，提高了润滑脂的导电能力。从基础脂的7.1×10μΩ·cm降低到9.2×10μΩ·cm，减少了2个数量级，主要是因为LB104离子液在润滑脂中形成较多的导电接触点，增加导电通路，从而提高润滑脂的导电能力。将离子液与其它导电材料进行功能化处理，是大幅度提升电力复合脂导电性的一个重要手段。

2.3石墨烯型电力复合脂

石墨烯是由碳原子sp2杂化堆积成的二维层状结构，它独特的结构赋予其更加优异的性能。1TPa的杨氏模量和130GPa的弹性强度，使得石墨烯成为目前最坚硬的材料[34]。石墨烯内部的电子迁移速率为20000cm/（V·S），石墨烯晶体内部层间作用力为范德华力，极易发生层间滑动，优异的导电性能卓越的耐高温性，使其在众多材料中脱颖而出[35-36]。石墨烯不仅作为导热填料能够有效的提高复合材料的导热性能，但是同时也提高了其导电性能[37]。

因此，石墨烯被广泛应用于填料以制备各种高性能复合材料[38]。

Rafiee等[39]利用高温热还原法自制石墨烯，添加到环氧树脂中，制备成新型树脂材料。发现随着石墨烯含量的增加，复合材料的极限抗拉强度、断裂韧性等，得到了很大提升。为了进一步提升复合材料的特性，Ganguli等[40]制备了片状石墨填充环氧树脂的导电复合材料，利用KH550接枝到石墨片表面对片状石墨进行了化学改性。改性后的石墨烯虽然在导热性能方面略有下降，但在复合材料导电性能与改性前相比得到了很大的提升。

针对石墨烯导电性能强和韧性优异的研究，穆文雄[41]以石墨烯作为导电润滑填料加入到膨润土中，制备了电力复合脂。通过数据分析得出，载流条件下，在基础脂中加入0.2%浓度的石墨烯，制备的电力复合脂摩擦系数仅为0.155。在变流变载条件下，分别在铜基和铝基镀了铝膜、铜膜和银膜上涂抹电力复合脂，发现铜基上镀银膜的接触电阻明显小于其他条件下的测试结果，约为32mΩ，导电性能达到最优。对于铜铝材料的使用，在表面进行镀膜处理后，使得电接触区域的导电性得到极大的增强。

将石墨烯作为导电填料可以明显提升电力复合脂的导电性能，为了进一步提升石墨烯的导电性，刘洋等[42]通过使用有机硅对石墨烯进行功能化改性处理，并与纳米铜粉和银粉一起填充到有机硅油中，制备石墨烯电力复合脂。通过对石墨烯形貌分析（见图9和图10）发现，改性前颜色明暗变化突出，可能是结构缺陷导致其部分片层发生了弯曲和叠加。改性后的石墨烯团聚程度明显减弱。这是由于硅烷偶联剂的化学能降低了石墨烯片之间的相互作用力，使得石墨烯片的团聚程度有所降低。当有机硅改性石墨烯的质量分数由0～0.4%范围逐渐增加时，电力复合脂的体积电阻率由16.24TΩ·cm降低至14.65TΩ·cm。接触电阻系数由0.96降至0.86，导电性能明显增强。相比于石墨烯导电通路，石墨烯片与金属导电颗粒形成的球-片接触结构更有利于形成导电通路，全面体现了有机硅改性石墨烯电力复合脂优异的性能。

功能化改性石墨烯和导电金属粉的结合使得电力复合脂的导电性能得到極大的提升，随着研究的不断深入，马艾丽等[43]用多层改性片状石墨烯和球状微米银包铜作为导电添加剂制备的石墨烯环氧导电胶。如图 11 所示，随着石墨烯含量的增加，导电胶的表面电阻明显降低，当石墨烯质量分数为0.07%时导电胶的表面电阻最小，仅为300mΩ。主要是因为添加石墨烯和球形银包铜粉的相互作用，使得导电填料间隙更小，导电通路增加，电子传递更容易。

通过对碳纳米管型电力复合脂、锂盐型电力复合脂和石墨烯型电力复合脂的综述，可以发现，锂盐型电力复合脂，得益于离子电导性能高于普通电子的电导，并且制备的电力复合脂颜色较浅，这种高导电颜色浅的离子液电力复合脂能适用于大多数的应用场景。但是，离子液本身工艺复杂，制备环境苛刻也是今后需要提升的一个重要方向。相比于同为碳系材料的碳纳米管和石墨烯，石墨烯的导电性能更强，特殊的二维结构，改性石墨烯片层使其具有高的电导率和润滑性，作为导电润滑填料制备石墨烯电力复合脂的综合性能更为优异，并且制备工艺简单，是今后电力复合脂发展的主流方向。

3电力复合脂的应用领域

变电站高压输变电线路中各种引流接头、高压隔离开关和断路器等。例如2018年4月，博爱县供电公司35kV变电站一台VS1-12型真空断路器的静触头和母线铜排连接处发热温度高达103℃，接触电阻明显增大，在连接处涂抹一层厚度0.5mm的电力复合脂，有效降低电连接的接触电阻，减少发热，设备恢复正常[44]。西北地区某 110kV输电线路引流线线夹两个螺栓连接中段发生高温熔断，造成接触电阻增大，引起发热严重烧坏线路，涂抹一定电力复合脂后，消除故障，线路安全有效运行[45]。河北固安供电公司35kV有载调压电力变压器的三相母线涂抹电力复合脂后接触面温度明显降低[1]。温州电力局110kV变电站的高压隔离开关刀闸处涂抹ZC9411电力复合脂，接触电阻降低1.86%[1]。

轨道交通领域中电气设备的供电轨母排接头、变流器和接触网等。电气设备常常因为运行环境复杂，通过的电流大而容易烧坏设备。2017年8月广州轨道交通的接触网发生严重发热现象，经检测是接触网隔离开关主刀闸长期户外老化、磨损产生一层氧化膜导致接触电阻增大引起的发热，彻底擦除该处氧化膜，涂抹一层电力复合脂后接触网恢复正常[46]。中铁电气化局某高铁项目的接触网铜线夹受到环境腐蚀产生氧化膜造成接触电阻变大，用砂纸擦除氧化膜，涂抹一定量电力复合脂后接触电阻明显降低[46]。青海盐湖地区输电线路的电力接地网杆塔入地部分，受到当地土壤腐蚀， 造成设备腐蚀，在接地网的扁铁上涂上一层导电防腐电力复合脂， 达到防腐和导电双重效果， 寿命延长1倍以上[47]。

冶金工程领域中企业的矿热炉、大电流发生器、母线排等。首钢某钢铁公司的母线排盐雾腐蚀严重，用砂纸打磨干净后，涂抹一层电力复合脂，防止母线排再次被腐蚀[46]。设备长期处于高温高压环境、电接触区域易遭受电化学腐蚀等，在电接触区域涂抹耐高温、防腐蚀型电力复合脂可有效保护电力设备、延长设备使用寿命。

4结论与展望

通过上述文献可以看出，目前输变电系统领域中，在导体连接中涂抹电力复合脂是消除间隙，提高连接稳定性和可靠性最有效的方式。碳纳米管、离子液和石墨烯的独特结构致使其具有优异的润滑性能和导电能力，其作为导电润滑添加剂对电力复合脂的影响一直是该研究领域的热点之一。与此同时，要实现大规模产业化应用还要面临众多问题和挑战。离子液体易吸收空气中的水分，依赖惰性气体环境下操作，石墨烯生产成本高，碳纳米管等碳系材料普遍颜色较深，限制了其作为导电填料制备的电力复合脂的使用范围。如何满足特定环境的使用条件，如何改善电力复合脂在导体连接处的摩擦性能和导电性能，如何使电力复合脂有更广阔的作用，这都是电力复合脂将要面对的难点。总之，电力复合脂广泛应用于各种电接触区域，作为绿色环保、极具发展前途的新型导电材料，具有深入的研究价值和更为广阔的发展前景。

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（编辑：温泽宇）