Characterization of EPDM/micro-Silica/micro-Silicon Carbide (SiC)/nano-hBN Composites for HVDC Insulation
Diese Studie zeigt, dass die Einbindung von oberflächenmodifiziertem nano-hBN in ein EPDM/Mikro-SiC-Komposit die Wärmeleitfähigkeit signifikant erhöht und die HVDC- sowie HVAC-Durchschlagfestigkeit maximiert, wobei die Spitzenleistung der elektrischen Eigenschaften mit einer nano-hBN-Beladung von 20 phr erreicht wird.
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Hochspannungs-Gleichstromleitungen sind die stillen Arterien des modernen Stromnetzes, die enorme Mengen an Elektrizität über riesige Distanzen mit bemerkenswerter Effizienz transportieren. Im Gegensatz zum Wechselstrom, der die meisten Haushalte versorgt und ständig die Richtung wechselt, fließt Gleichstrom in einem einzigen, stetigen Strom. Dieser stetige Fluss stellt eine einzigartige Herausforderung für die Isoliermaterialien dar, die die Kabel umwickeln: Er führt dazu, dass sich unsichtbare elektrische Ladungen innerhalb des Materials festsetzen oder ansammeln. Im Laufe der Zeit verzerren diese gefangenen Ladungen das elektrische Feld und erzeugen Schwachstellen, die zu katastrophalen Ausfällen führen können. Um das Stromnetz sicher am Laufen zu halten, benötigen Ingenieure Isolatoren, die nicht nur Elektrizität blockieren, sondern auch diese gefangenen Ladungen bewältigen und die durch den Hochspannungsstrom erzeugte Hitze ableiten können. Das bevorzugte Material für viele dieser Anwendungen ist ein robuster Kautschuk namens EPDM, der für seine Haltbarkeit und Witterungsbeständigkeit bekannt ist, aber allein betrachtet Schwierigkeiten hat, die intensive Hitze und den Ladungsaufbau moderner Hochspannungssysteme zu bewältigen.
Forscher der Joongbu University und der Hong Kong University of Science and Technology setzten sich zum Ziel, diesen Kautschuk zu verbessern, indem sie ihn mit zwei sehr unterschiedlichen Arten von Pulver mischten. Sie fügten mikroskopisch kleine Körner aus Siliziumkarbid hinzu, ein Material, das gerade genug Elektrizität leitet, um jene gefangenen Ladungen gleichmäßig zu verteilen und so ein Klumpen bilden zu zu verhindern. Um das Hitzeproblem anzugehen, führten sie nano-dimensionierte Partikel aus hexagonalem Bornitrid ein, eine Substanz, die oft als „weißer Graphit“ bezeichnet wird, da ihre Atome in flachen Schichten ähnlich wie bei Bleistiftmine angeordnet sind, während sie gleichzeitig ein perfekter elektrischer Isolator sind und die Wärme außergewöhnlich gut leitet. Die Herausforderung bestand darin, diese winzigen Partikel gleichmäßig in den Kautschuk zu mischen, ohne dass sie verklumpen; daher behandelte das Team die Oberfläche der Partikel chemisch, um sie „freundlich“ für den Kautschuk zu machen, und walzte die Mischung anschließend zusammen und backte sie zu einem festen Blatt.
Die Ergebnisse dieses Mischprozesses waren beeindruckend. Als die Forscher das neue Verbundmaterial testeten, stellten sie fest, dass die Zugabe der wärmeleitenden Partikel einen signifikanten Unterschied in der Art und Weise machte, wie das Material elektrischer Belastung standhielt. Die beste Leistung wurde erzielt, als sie eine spezifische Menge des nano-dimensionierten Bornitrids hinzufügten – 20 Gramm auf 100 Gramm Kautschuk. Bei dieser Menge hielt das Material direkten Gleichspannungen von bis zu 95,4 Kilovolt pro Millimeter in einem Test mit positiver Polarität stand, was eine bemerkenswerte Verbesserung gegenüber dem unveränderten Kautschuk darstellte, der bei 87,3 Kilovolt pro Millimeter versagte. Die Verbesserung war bei Tests mit negativer Polarität noch ausgeprägter, wobei das neue Material bis zu 98,2 Kilovolt pro Millimeter hielt, verglichen mit den ursprünglichen 89,3. Dies deutet darauf ab, dass die Kombination der beiden Pulver ein Material schafft, das besser sowohl in der Verteilung elektrischer Ladungen als auch in der Ableitung von Wärme ist – zwei kritische Faktoren zur Vermeidung von Isolationsfehlern.
Über die elektrische Festigkeit hinaus zeigte das Material eine klare Fähigkeit, Wärme von der Quelle wegzubewegen. Als die Forscher die Menge des wärmeleitenden Bornitrids erhöhten, stieg die Fähigkeit des Materials zur Wärmeübertragung stetig an. Mit der höchsten Menge an Bornitrid leitete das Material die Wärme 1,55-mal besser als der Kautschuk, der nur Siliziumkarbid enthielt. Diese verbesserte thermische Leistung ist lebenswichtig, da sie hilft, den Kautschuk unter den hohen Temperaturen zu schützen, die durch die Stromleitungen entstehen. Das Material behielt auch seine physische Festigkeit bei; tatsächlich nahm die Zugfestigkeit, also die Kraft, die erforderlich ist, um das Material auseinanderzuziehen, mit zunehmender Zugabe von Bornitrid leicht zu und stieg von 4,30 Megapascal in der Basismischung auf 4,58 Megapascal in der optimierten Mischung. Obwohl das Material etwas weniger elastisch wurde, blieb es robust genug für den praktischen Gebrauch.
Die Studie bestätigt, dass es durch eine sorgfältige Abstimmung der Menge dieser beiden Zusatzstoffe möglich ist, ein überlegenes Isoliermaterial für Hochspannungs-Gleichstromsysteme zu schaffen. Das Team fand heraus, dass die Zugabe zu viel nano-dimensionierter Bornitride die elektrische Festigkeit tatsächlich verringerte, was darauf hindeutet, dass es eine präzise Grenze gibt, bis zu der hinzugefügt werden kann, bevor der Nutzen nachlässt. Die optimale Mischung, bestehend aus 20 Gramm der Nano-Partikel pro 100 Gramm Kautschuk, erwies sich als die effektivste Formulierung, die eine ausgewogene Verbesserung der Durchschlagfestigkeit, des Wärmemanagements und der mechanischen Beständigkeit bot. Diese Arbeit bietet einen konkreten Weg nach vorn für die Entwicklung von Isolierungen, die den anspruchsvollen Bedingungen zukünftiger Hochkapazitäts-Stromübertragungsnetze standhalten können.
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