Characterization of EPDM/micro-Silica/micro-Silicon Carbide (SiC)/nano-hBN Composites for HVDC Insulation
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि सतह-संशोधित नैनो-hBN को एक EPDM/माइक्रो-SiC कंपोजिट में शामिल करने से तापीय चालकता में उल्लेखनीय वृद्धि होती है और HVDC एवं HVAC ब्रेकडाउन स्ट्रेंथ अधिकतम होती है, जिससे 20 phr नैनो-hBN लोडिंग के साथ शिखर विद्युत प्रदर्शन प्राप्त होता है।
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उच्च-वोल्टेज डायरेक्ट करंट (HVDC) बिजली की लाइनें आधुनिक ग्रिड की शांत धमनियां हैं, जो अत्यधिक दक्षता के साथ विशाल दूरियों तक भारी मात्रा में बिजली ले जाती हैं। उस अल्टरनेटिंग करंट (AC) के विपरीत जो अधिकांश घरों को बिजली प्रदान करता है और जो लगातार अपनी दिशा बदलता रहता है, डायरेक्ट करंट (DC) एक एकल, स्थिर प्रवाह में बहता है। यह स्थिर प्रवाह उन इंसुलेटिंग सामग्रियों के लिए एक अनूठी चुनौती पैदा करता है जो केबलों के चारों ओर लिपटी होती हैं: यह सामग्री के भीतर अदृश्य विद्युत आवेशों को फंसने या जमा होने का कारण बनता है। समय के साथ, ये फंसे हुए आवेश विद्युत क्षेत्र को विकृत कर देते हैं, जिससे कमजोर बिंदु बन जाते हैं जो विनाशकारी विफलता का कारण बन सकते हैं। ग्रिड को सुरक्षित रूप से चलाने के लिए, इंजीनियरों को ऐसे इंसुलेटर की आवश्यकता होती है जो न केवल बिजली को रोक सकें बल्कि इन फंसे हुए आवेशों को प्रबंधित भी कर सकें और उच्च-वोल्टेज करंट से उत्पन्न होने वाली गर्मी को भी बाहर निकाल सकें। इन अनुप्रयोगों के लिए कई मामलों में चुनी जाने वाली सामग्री EPDM नामक एक मजबूत रबर है, जो अपनी स्थायथित्व और मौसम के प्रति प्रतिरोध के लिए जाना जाता है, लेकिन अकेले, यह आधुनिक उच्च-वोल्टेज प्रणालियों की तीव्र गर्मी और चार्ज संचय को संभालने में संघर्ष करता है।
जुंगबू यूनिवर्सिटी और हांगकांग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने इस रबर में दो बहुत ही अलग प्रकार के पाउडर मिलाकर इसे बेहतर बनाने का लक्ष्य रखा। उन्होंने सिलिकॉन कार्बाइड के सूक्ष्म कण मिलाए, जो एक ऐसी सामग्री है जो बिजली का संचालन इतना करती है कि फंसे हुए आवेशों को समान रूप से फैलाने में मदद मिल सके, जिससे उन्हें एक जगह इकट्ठा होने से रोका जा सके। गर्मी की समस्या से निपटने के लिए, उन्होंने हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड के नैनो-आकार के कणों को पेश किया, जो एक ऐसी पदार्थ है जिसे अक्सर "व्हाइट ग्रेफाइट" कहा जाता है क्योंकि इसके परमाणु पेंसिल की लीड के समान चपटी परतों में व्यवस्थित होते हैं, फिर भी यह एक आदर्श विद्युत इन्सुलेटर के रूप में कार्य करता है और गर्मी का संचालन भी बहुत अच्छी तरह से करता है। चुनौती इन छोटे कणों को बिना गुच्छे बनाए रबर में समान रूप से मिलाने की थी, इसलिए टीम ने कणों की सतह को रासायनिक रूप से उपचारित किया ताकि वे रबर के अनुकूल हो सकें, फिर मिश्रण को एक साथ रोल किया और एक ठोस शीट के रूप में पकाया।
इस मिश्रण प्रक्रिया के परिणाम आश्चर्यजनक थे। जब शोधकर्ताओं ने नई मिश्रित सामग्री का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि गर्मी-संचालक कणों को जोड़ने से सामग्री के विद्युत तनाव को संभालने के तरीके में महत्वपूर्ण अंतर आया। सबसे अच्छा प्रदर्शन तब हुआ जब उन्होंने नैनो-आकार के बोरॉन नाइट्राइड की एक विशिष्ट मात्रा—प्रत्येक 100 ग्राम रबर के लिए 20 ग्राम—जोड़ी। इस स्तर पर, सामग्री सकारात्मक ध्रुवता (positive polarity) परीक्षण में 95.4 किलोवोल्ट प्रति मिलीमीटर तक के डायरेक्ट करंट वोल्टेज को झेल सकी, जो बिना संशोधित रबर की तुलना में एक उल्लेखनीय सुधार है जो 87.3 किलोवोल्ट प्रति मिलीमीटर पर विफल हो गया था। सुधार नकारात्मक ध्रुवता (negative polarity) परीक्षणों में और भी अधिक स्पष्ट था, जहाँ नया पदार्थ 89.3 किलोवोल्ट प्रति मिलीमीटर के मूल मान की तुलना में 98.2 किलोवोल्ट प्रति मिलीमीटर तक टिका रहा। यह सुझाव देता है कि दोनों पाउडर का संयोजन एक ऐसी सामग्री बनाता है जो विद्युत आवेशों को बिखेरने और गर्मी को दूर करने, दोनों में बेहतर है, जो इंसुलेशन विफलता को रोकने के लिए दो महत्वपूर्ण कारक हैं।
विद्युत शक्ति के अलावा, सामग्री ने स्रोत से गर्मी को दूर ले जाने की स्पष्ट क्षमता दिखाई। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने गर्मी-संचालक बोरॉन नाइट्राइड की मात्रा बढ़ाई, सामग्री की गर्मी स्थानांतरित करने की क्षमता लगातार बढ़ती गई। बोरॉन नाइट्राइड की उच्चतम मात्रा के साथ, सामग्री की गर्मी संचालित करने की क्षमता सिलिकॉन कार्बाइड वाले रबर की तुलना में 1.55 गुना बेहतर रही। यह बेहतर थर्मल प्रदर्शन अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह बिजली लाइनों द्वारा उत्पन्न उच्च तापमान के तहत रबर के क्षरण को रोकने में मदद करता है। सामग्री ने अपनी भौतिक शक्ति भी बनाए रखी; वास्तव में, जैसे-जैसे अधिक बोरॉन नाइट्राइड जोड़ा गया, इसकी तन्यता शक्ति (tensile strength), या सामग्री को खींचकर अलग करने के लिए आवश्यक बल, थोड़ा बढ़ गया, जो आधार मिश्रण के 4.30 मेगापास्कल से बढ़कर अनुकूलित मिश्रण में 4.58 मेगापास्कल हो गया। हालांकि सामग्री थोड़ी कम लचीली हो गई, लेकिन यह व्यावहारिक उपयोग के लिए पर्याप्त मजबूत बनी रही।
यह अध्ययन पुष्टि करता है कि इन दोनों योजकों (additives) की मात्रा को सावधानीपूर्वक संतुलित करके, उच्च-वोल्टेज डायरेक्ट करंट प्रणालियों के लिए एक बेहतर इंसुलेटिंग सामग्री बनाना संभव है। टीम ने पाया कि नैनो-आकार के बोरॉन नाइट्राइड की बहुत अधिक मात्रा जोड़ने से वास्तव में विद्युत शक्ति कम हो गई, जो यह दर्शाता है कि लाभ कम होने से पहले इसे जोड़ने की एक सटीक सीमा है। सबसे प्रभावी फॉर्मूलेशन के रूप में 20 ग्राम नैनो-कणों प्रति 100 ग्राम रबर वाला इष्टतम मिश्रण उभरा, जो विद्युत ब्रेकडाउन प्रतिरोध, थर्मल प्रबंधन और यांत्रिक स्थायित्व में संतुलित सुधार प्रदान करता है। यह कार्य भविष्य के उच्च-क्षमता वाले बिजली ट्रांसमिशन नेटवर्क की कठिन परिस्थितियों का सामना करने के लिए इंसुलेशन विकसित करने हेतु एक ठोस मार्ग प्रदान करता है।
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