Characterization of EPDM/micro-Silica/micro-Silicon Carbide (SiC)/nano-hBN Composites for HVDC Insulation
本研究表明，将表面改性的纳米级hBN引入EPDM/微米级SiC复合材料中，显著提高了热导率并使HVDC和HVAC击穿强度达到最大化，在添加20 phr纳米级hBN时实现了峰值电性能。
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高压直流输电线路是现代电网中沉默的动脉，以极高的效率将海量电力输送到遥远的距离。与为大多数家庭供电、方向不断改变的交流电不同，直流电以单一且稳定的流向流动。这种稳定的流动给包裹电缆的绝缘材料带来了独特的挑战：它会导致看不见的电荷在材料内部滞留或积聚。随着时间的推移，这些被困住的电荷会扭曲电场，产生薄弱点，从而导致灾难性的故障。为了确保电网安全运行，工程师需要既能阻断电流，又能管理这些滞留电荷并散发高压电流所产生热量的绝缘材料。这类应用中常用的材料是一种名为 EPDM 的坚韧橡胶，它以耐用和耐候性著称，但仅靠其自身，很难应对现代高压系统产生的剧烈热量和电荷积聚。
中武大学（Joongbu University）和香港科技大学的研究人员致力于通过混合两种截然不同的粉末来改良这种橡胶。他们加入了碳化硅的微观颗粒，这种材料具有微弱的导电性，有助于均匀分散那些被困住的电荷，防止其聚集。为了解决热量问题，他们引入了六方氮化硼的纳米级颗粒，这种物质因其原子排列成类似于铅笔芯的扁平片状结构而被誉为“白石墨”，它在作为完美绝缘体的同时，还具有极佳的导热性能。研究中的挑战在于如何让这些微小颗粒在橡胶中均匀混合而不发生团聚，因此团队对颗粒表面进行了化学处理，使其更亲和橡胶，然后将混合物通过辊压并烘烤成固体薄片。
这种混合过程的结果令人瞩目。当研究人员测试这种新型复合材料时，他们发现添加导热颗粒对材料处理电应力的能力产生了显著影响。表现最佳的配比是在每 100 克橡胶中加入 20 克纳米级氮化硼。在此水平下，该材料在正极性测试中可承受高达每毫米 95.4 千伏的直流电压，相比于在 87.3 千伏时失效的未改性橡胶有了显著提升。在负极性测试中，这种改进更为明显，新材料可承受高达每毫米 98.2 千伏的电压，而原始材料为 89.3 千伏。这表明，这两种粉末的结合创造出了一种既能更好地分散电荷，又能有效消散热量的材料，而这两者都是防止绝缘失效的关键因素。
除了电气强度外，该材料还展现出了明显的导热能力。随着研究人员增加导热氮化硼的含量，材料的传热能力稳步上升。在使用最高含量的氮化硼时，该材料的导热能力是仅含有碳化硅橡胶的 1.55 倍。这种改进的热性能至关重要，因为它有助于防止橡胶在输电线路产生的高温下发生降解。此外，该材料还保持了物理强度；事实上，随着氮化硼含量的增加，其抗拉强度（即拉断材料所需的力）略有上升，从基础混合物的 4.30 兆帕增加到优化混合物的 4.58 兆帕。虽然材料变得稍微没那么具有弹性，但对于实际用途而言依然足够坚固。
这项研究证实，通过仔细平衡这两种添加剂的比例，可以制造出一种更优越的用于高压直流系统的绝缘材料。团队发现，添加过量的纳米级氮化硼实际上会降低电气强度，这表明在收益递减之前存在一个精确的限度。包含 20 克纳米颗粒/100 克橡胶的最佳混合比例脱颖而出，成为了最有效的配方，它在击穿电阻、热管理和机械耐久性方面提供了平衡的提升。这项工作为开发能够承受未来高容量输电网络严苛条件的绝缘材料提供了一条切实可行的路径。
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