Characterization of EPDM/micro-Silica/micro-Silicon Carbide (SiC)/nano-hBN Composites for HVDC Insulation

Hoogspanningsgelijkstroomkabels zijn de stille slagaders van het moderne elektriciteitsnet, die enorme hoeveelheden elektriciteit over grote afstanden met opmerkelijke efficiëntie transporteren. In tegen tegenstelling tot de wisselstroom die de meeste huizen van stroom voorziet, die constant van richting verandert, stroomt gelijkstroom in een enkele, constante straal. Deze constante stroom vormt een unieke uitdaging voor de isolatiematerialen die om de kabels worden gewikkeld: het zorgt ervoor dat onzichtbare elektrische ladingen vast komen te zitten, of accumuleren, binnen het materiaal. Na verloop van tijd vervormen deze gevangen ladingen het elektrische veld, wat zwakke plekken creëert die kunnen leiden tot catastrofaal falen. Om het elektriciteitsnet veilig draaiende te houden, hebben ingenieurs isolatoren nodig die niet alleen elektriciteit kunnen blokkeren, maar ook deze gevangen ladingen kunnen beheren en de warmte kunnen afvoeren die door de hoogspanningsstroom wordt gegenereerd. Het materiaal van keuze voor veel van deze toepassingen is een taai rubber genaamd EPDM, bekend om zijn duurzaamheid en weerstand tegen weersomstandigheden, maar op zichzelf worstelt het met het aanpakken van de intense hitte en de ladingsopbouw van moderne hoogspanningssystemen.

Onderzoekers van de Joongbu Universiteit en de Hong Kong University of Science and Technology probeerden dit rubber te verbeteren door het te mengen met twee zeer verschillende soorten poeder. Ze voegden microscopische korrels siliciumcarbide toe, een materiaal dat elektriciteit net genoeg geleidt om de gevangen ladingen gelijkmatig te verspreiden, waardoor wordt voorkomen dat ze samenklonteren. Om het hitteprobleem aan te pakken, introduceerden ze nano-deeltjes hexagonaal boornitride, een substantie die vaak "wit grafiet" wordt genoemd omdat de atomen zijn gerangschikt in platte vellen die lijken op potloodlood, terwijl het als een perfect elektrische isolator werkt en tegelijkertijd uitstekend warmte geleidt. De uitdaging was om deze minuscule deeltjes gelijkmatig in het rubber te mengen zonder dat ze klonteren; daarom behandelde het team het oppervlak van de deeltjes chemisch om ze vriendelijk te maken voor het rubber, waarna ze het mengsel samenrolden en bakten tot een solide plaat.

De resultaten van dit mengproces waren opmerkelijk. Wanneer de onderzoekers het nieuwe composietmateriaal testten, ontdekten ze dat het toevoegen van de warmtegeleidende deeltjes een aanzienlijk verschil maakte in hoe het materiaal met elektrische spanning omging. De beste prestaties werden behaald bij het toevoegen van een specifieke hoeveelheid van het nano-sized boornitride — 20 gram voor elke 100 gram rubber. Op dit niveau weerstond het materiaal directe gelijkstroomspanningen tot 95,4 kilovolt per millimeter in een test met positieve polariteit, een opmerkelijke verbetering ten opzichte van het ongewijzigde rubber dat faalde bij 87,3 kilovolt per millimeter. De verbetering was nog uitgesprokener in tests met negatieve polariteit, waarbij het nieuwe materiaal tot 98,2 kilovolt per millimeter standhield vergeleken met de oorspronkelijke 89,3. Dit suggereert dat de combinatie van de twee poeders een materiaal creëert dat beter is in zowel het verdelen van elektrische ladingen als het afvoeren van warmte, twee cruciale factoren voor het voorkomen van isolatiefalen.

Naast elektrische sterkte vertoonde het materiaal een duidelijke bekwaamheid om warmte weg te bewegen van de bron. Terwijl de onderzoekers de hoeveelheid van het warmtegeleidende boornitride verhoogden, steeg het vermogen van het materiaal om warmte over te dragen gestaag. Met de hoogste hoeveelheid boornitride die werd getest, geleidde het materiaal warmte 1,55 keer beter dan het rubber dat alleen siliciumcarbide bevatte. Deze verbeterde thermische prestatie is van vitaal belang omdat het helpt voorkomen dat het rubber degradeert onder de hoge temperaturen die door de hoogspanningskabels worden gegenereerd. Het materiaal behield ook zijn fysieke sterkte; sterker nog, de treksterkte, oftewel de kracht die nodig is om het materiaal uit elkaar te trekken, nam licht toe naarmate er meer boornitride werd toegevoegd, van 4,30 megapascal in het basismengsel naar 4,58 megapascal in de geoptimaliseerde blend. Hoewel het materiaal iets minder rekbaar werd, bleef het robuust genoeg voor praktisch gebruik.

De studie bevestigt dat het door zorgvuldig de hoeveelheid van deze twee additieven te balanceren, mogelijk is om een superieur isolatiemateriaal voor hoogspanningsgelijkstroomsystemen te creëren. Het team kwam tot de conclusie dat het toevoegen van te veel nano-sized boornitride de elektrische sterkte daadwerkelijk verminderde, wat aangeeft dat er een precieze limiet is aan hoeveel er kan worden toegevoegd voordat de voordelen afnemen. De optimale mix, bestaande uit 20 gram van de nano-deeltjes per 100 gram rubber, bleek de meest effectieve formulering, die een gebalanceerde verbetering biedt in elektrische doorslagweerstand, thermisch beheer en mechanische duurzaamheid. Dit werk biedt een concreet pad vooruit voor de ontwikkeling van isolatie die bestand is tegen de veeleisende omstandigheden van toekomstige hoogcapaciteit elektriciteitsnetwerken.