Characterization of EPDM/micro-Silica/micro-Silicon Carbide (SiC)/nano-hBN Composites for HVDC Insulation
本研究は、表面修飾されたナノhBNをEPDM/マイクロSiC複合体に組み込むことで、熱伝導率が大幅に向上し、20 phrのナノhBN添加量においてHVDCおよびHVACの絶縁破壊強度が最大化され、最高の電気的性能が達成されることを示している。
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高電圧直流送電線は、現代の電力網における静かな動脈であり、膨大な量の電気を驚異的な効率で広大な距離にわたって運びます。ほとんどの家庭に電力を供給している、常に方向を反転させる交流とは異なり、直流は単一の一定した流れとして流れます。この一定の流れは、ケーブルを包む絶縁材に対して特有の課題をもたらします。すなわち、目に見えない電荷が材料の中に留まったり、蓄積したりしてしまうのです。時間の経過とともに、これらの閉じ込められた電荷は電界を歪ませ、壊滅的な故障につながる弱点を作り出します。グリッドを安全に稼働させ続けるために、エンジニアは単に電気を遮断するだけでなく、これらの閉じ込められた電荷を管理し、高電圧電流によって発生する熱を逃がすことができる絶縁材を必要としています。これらの用途の多くで選ばれる材料は、EPDMと呼ばれる丈夫なゴムであり、その耐久性と耐候性で知られていますが、単体では、現代の高電圧システムによる激しい熱や電荷の蓄積に対処することに苦慮します。
中部大学と香港科技大学の研究者たちは、このゴムに2種類の非常に異なる種類の粉末を混合することで、このゴムを改良しようと試みました。彼らは、閉じ込められた電荷を均一に広げるのに適度な導電性を持ち、電荷が塊になるのを防ぐマイクロスケールの炭化ケイ素の粒子を添加しました。熱の問題に対処するため、彼らは、原子が鉛筆の芯のように平らなシート状に並んでいるため「ホワイトグラファイト」とも呼ばれる、優れた熱伝導性を持ちながら完全な電気絶縁体として機能する六方晶窒化ホウ素のナノ粒子を導入しました。課題は、これらの微細な粒子を塊にすることなくゴムの中に均一に混ぜ合わせることでした。そのため、チームは粒子の表面を化学的に処理してゴムに馴染みやすくした後、混合物を一緒に練り合わせ、固形のシートへと焼き固めました。
この混合プロセスの結果は驚くしいものでした。研究者がこの新しい複合材料をテストした際、熱伝導性粒子を添加することで、材料が電気的ストレスをどのように処理するかにおいて顕著な違いが生じることがわかりました。最高の性能を示したのは、ナノサイズの窒化ホウ素を特定の量、すなわちゴム100グラムに対して20グラム添加した場合でした。このレベルにおいて、新素材は正極性テストでミリメートルあたり最大95.4キロボルトの直流電圧に耐え、これは未改質のゴムが87.3キロボルト/mmで失敗したのと比較して、顕著な向上でした。この改善は負極性のテストにおいてさらに明白であり、新素材は元の89.3キロボルト/mmに対し、最大98.2キロボルト/mmまで耐え抜きました。このことは、これら2種類の粉末の組み合わせが、電気的な電荷を分散させることと熱を逃がすことの両方に優れた、故障を防ぐための重要な要因となる材料を作り出していることを示唆しています。
電気的な強度を超えて、この材料は熱を源から遠ざける明確な能力を示しました。研究者が熱伝導性を持つ窒化ホウ素の量を増やすにつれて、材料の熱伝達能力は着実に上昇しました。テストされた中で最も多くの窒化ホウ素を加えた場合、材料の熱伝導性は、炭化ケイ素のみを含むゴムよりも1.55倍向上しました。この熱性能の向上は、送電線によって発生する高温下でのゴムの劣化を防ぐために極めて重要です。また、材料は物理的な強度も維持しました。実際、窒化ホウ素を多く加えるほど、引張強度（材料を引き離すのに必要な力）はわずかに増加し、ベースとなる混合物の4.30メガパスカルから、最適化されたブレンドの4.58メガパスカルへと上昇しました。材料はわずかに伸びにくくなりましたが、実用的な使用には十分な堅牢性を保っていました。
この研究は、これら2つの添加物の量を慎重に調整することで、高電圧直流システムのための優れた絶縁材料を作ることが可能であることを裏付けています。チームは、ナノサイズの窒化ホウ素を加えすぎると実際に電気強度が低下することを発見し、メリットが減少する前に添加できる正確な限界があることを示しました。ナノ粒子をゴム100グラムあたり20グラム含む最適な混合物が、電気的破壊耐性、熱管理、および機械的耐久性のバランスの取れた改善を提供する、最も効果的な処方として浮上しました。この研究は、将来の高容量電力伝送ネットワークの過酷な条件に耐えうる絶縁体を開発するための、具体的な道筋を提供しています。
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