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研究背景

特高压直流输电系统中，换流变压器绝缘材料的性能至关重要。传统间位芳纶（PMIA）绝缘纸虽绝缘性好，但导热性低 (<0.21 W/(m·K))，易导致热量积聚，引发故障。掺杂无机陶瓷填料（如AlN、BN）可提升导热性，但过量掺杂易造成填料团聚，影响绝缘和机械性能，且填料与基体介电常数失配可能导致电场畸变，降低绝缘强度。

论文所解决的问题及意义

基于此，华北电力大学庾翔课题组提出一种氮化铝/氮化硼表面修饰、复配改性策略解决上述问题。

该研究选取了AlN、BN两种填料，分别对两种填料表面进行了聚多巴胺（Polydopamine，PDA）包覆和KH550硅烷偶联剂修饰，制备了一系列不同掺杂浓度的单一填料芳纶纸与AlN/BN复配芳纶纸，观察了各样品表面与截面微观形貌，测试了各复合芳纶纸击穿场强、体积电导率与面外热导率。基于密度泛函理论进一步分析了AlN/BN复合体系的能带结构，阐明了AlN和BN的引入在基体和填料界面形成“阶梯陷阱”、提高电子跃迁势垒、抑制漏电流发展的机理。最后，通过相场法分析了不同复配浓度的复合体电流密度与电场强度分布情况。

相关成果以《氮化铝/氮化硼复配改性间位芳纶绝缘纸的使役性能及机理分析》为题发表在《电工技术学报》2025年11期。

论文方法及创新点

图1 填料改性示意图

首先对AlN进行磷酸钝化处理，以防止其在后续过程中水解改性，而后对AlN、BN填料进行PDA包覆、KH550接枝，形成三层结构的KH550-PDA-AlN/BN填料。而后将不同质量分数比例的复配填料加入芳纶纤维溶液中，利用湿法抄造技术制备了一系列复合芳纶纸。

图2 AlN/BN典型复配比例下的复合芳纶纸表面形貌

对于AlN单一填料掺杂芳纶纸，可以看出，随着掺杂浓度增加，材料表面粗糙度增大，当掺杂浓度到达30 wt%甚至40 wt%时，填料团聚已经严重影响复合体结构。相比单一AlN掺杂芳纶纸，AlN/BN复合体在40 wt%的总掺杂浓度下表面形貌的损伤有所减轻。复配比例为AlN:BN = 3:7时，薄膜表现出了最好的表面形貌。

图3 各复合芳纶纸的击穿场强威布尔分布和击穿场强值

图4 各复合芳纶纸的体积电导率

单一AlN掺杂、浓度为40 wt%的芳纶纸的绝缘性能因填料团聚和基体损伤而有所下降。对于AlN/BN复配芳纶纸，在复配比例为AlN:BN = 3:7时，其性能超过了20 wt%掺杂浓度的AlN复合芳纶纸，击穿场强达到最高值186 kV/mm，体积电导率减小至1.2×10-16 S/m。这一结果与SEM观察到的各样品表面形貌特征一致，显示出AlN/BN复配体系成功提高了芳纶纸绝缘性能。

图5 各复合芳纶纸的面外热导率

面外热导率的测试结果显示，增加填料掺杂浓度有效提高了复合芳纶纸的导热性能。AlN填料对于形成导热网络、提高导热性能具有重要作用，而采用BN与AlN复配可以较好弥补AlN对于绝缘性能提升不足的缺点，使得改性后的芳纶纸具有更加优异的使役性能。复配比例为AlN:BN = 7:3的芳纶纸表现出了最高的法向导热性能，面外热导率达到了0.671 W/(m·K)，较纯芳纶样品提升213.5%。

图6 PMIA、AlN和BN的能带结构计算分析

为了研究复合材料击穿场强提升的机理，通过密度泛函理论分析了PMIA、AlN和BN三种物质的能带结构。掺入AlN填料后，在PMIA/AlN界面形成了势垒I，使得落入界面深陷阱的电子需要更大的激发能量才能逸出；掺入BN填料后，在AlN/BN界面形成了势垒II，进一步提高了电子跃迁的势垒，使得部分电子被“禁锢”在界面深陷阱中。在AlN/BN复配改性的芳纶绝缘纸中，这些势垒形成了阶梯陷阱，使得电子需要获得更多的能量才能完成电子激发。这种机制有效地阻止了电子的跃迁，抑制了漏电流路径的形成，从而增强了复合材料的绝缘强度。

团队介绍

华北电力大学电气学院高电压与绝缘技术律方成教授团队，共有研发人员15人，其中14人具有博士学位，具有教授（博导）职称人员3人，具有副教授职称人员6人，高级工程师职称人员1人。几年来，课题组围绕国家在新能源开发利用、电力装备和智能电网领域发展的重大科学技术需求，以国家级重大科研项目为载体，以解决基础科学问题与关键技术瓶颈为目的，重点开展电气设备状态监测与故障诊断技术、输变电设备绝缘技术、超特高压输变电等关键技术研究。