目前我國電網(wǎng)系統(tǒng)輸電規(guī)模日益擴大，傳輸電壓不斷提高。環(huán)氧樹脂復合材料作為我國電網(wǎng)系統(tǒng)中的關鍵絕緣材料，維系著電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定，但其絕緣性能水平難以滿足逐步提高的電氣性能要求，急需進一步研發(fā)。為此，本文擬采用α-Al2O3納米顆粒提升環(huán)氧樹脂材料的電絕緣性能。主要研究內(nèi)容與結果如下:
(1)改善了α-Al2O3納米顆粒的制備工藝。利用高純Al與水在微波下反應制得AlOOH納米顆粒，對AlOOH納米顆粒制備Al2O3前驅體進行煅燒，在1000℃及以下生成γ-Al2O3，1100℃時γ-Al2O3開始轉化為α-Al2O3，至1150℃時完全轉化。制備的AlOOH、γ-Al2O3以及α-Al2O3三種納米顆粒粒徑均在100nm左右，α-Al2O3納米顆粒平均粒徑相對更小、粒徑分布更集中。SEM分析表明，α-Al2O3納米顆粒未發(fā)生團聚。XPS分析表明納米顆粒表面的氧元素按照結合能從低到高分別有晶格氧(Olatt)、吸附氧(Oads)和羥基氧(O-oH)三種存在形式。三種納米顆粒中只有AlOOH納米顆粒表面明顯存在羥基氧，表面羥基能夠與空氣中的氧氣形成氫鍵，這也為AlOOH表面帶來大量的吸附氧。三種納米顆粒中α-Al2O3納米顆粒的表面吸附氧最少而晶格氧最多，表明其結晶度最高，結構最穩(wěn)定。
(2)將制成的α-Al2O3納米顆粒與環(huán)氧樹脂復合，研究其各項性能。環(huán)氧樹脂中α-Al2O3含量從0%增加到1%時，其電阻率在不同溫度均基本呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，而α-Al2O3含量從1%繼續(xù)升高至2%時，電阻率變化不大。在30℃下，α-Al2O3含量2%的納米復合環(huán)氧樹脂電阻率最高，為2.2×1018Ω·cm，而在80℃下，α-Al2O3含量0.5%的納米復合環(huán)氧樹脂電阻率最高，為7.3×1017Ω·cm。納米α-Al2O3顆粒能夠有效的阻擋強電場對環(huán)氧樹脂材料的腐蝕，直流擊穿強度最高可提升至79.2kV·mm-1。納米α-Al2O3復合環(huán)氧樹脂的拉伸模量受α-Al2O3含量影響不大，而拉伸強度、玻璃化轉變溫度、玻璃化轉變活化能以及環(huán)氧分子鏈交聯(lián)密度均隨著α-Al2O3含量的升高先升高后降低，當納米α-Al2O3含量為1%時這些物理量均達到極大值，此時拉伸強度、玻璃化轉變溫度分別為78.64MPa和153.8℃。使用此納米α-Al2O3復合環(huán)氧樹脂按照±400kV規(guī)格制造的柱式絕緣子各項應用性能檢測結果均為通過。絕緣子可耐受的工頻電壓大于500 kV，雷電沖擊電壓大于903 kV，操作沖擊電壓大于825KV。絕緣子可耐受612 kV的直流電壓達120min，并且在此過程的最后30min中未發(fā)生超過2000pC的局部放電。多項數(shù)據(jù)表明，納米α-Al2O3在環(huán)氧樹脂中起到了影響環(huán)氧分子鏈間相互作用強弱以及分子鏈交聯(lián)狀態(tài)的作用。
(3)對比研究了AlOOH、γ-Al2O3以及α-Al2O3三種納米顆粒對于環(huán)氧樹脂復合材料各項性能的改善情況并以此為依據(jù)分析了α-Al2O3納米顆粒在未進行表面改性的狀況下對環(huán)氧樹脂性能的作用機理。在30℃到80℃的溫度范圍內(nèi)，納米α-Al2O3復合環(huán)氧樹脂電阻率在四種環(huán)氧樹脂材料中均為最高，在30℃下為2.2×1018Ω·cm，在80℃下為4.6×1017Ω·cm。四種材料電阻率隨著溫度的升高均會下降，α-Al2O3復合環(huán)氧樹脂電阻率下降最少。納米AlOOH以及納米γ-Al2O3對于環(huán)氧樹脂的直流擊穿性能產(chǎn)生了明顯的負面影響，而納米α-Al2O3復合環(huán)氧樹脂的擊穿強度及電場穩(wěn)定性相對純環(huán)氧樹脂都得到了有效的提高。納米α-Al2O3復合環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)與介電損耗均低于純環(huán)氧樹脂，而AlOOH復合環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)和介電損耗相對較高。當溫度升高時，納米γ-Al2O3復合環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)與介電損耗上升較快，而納米α-Al2O3復合環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)與介電損耗上升較慢。2%質量分數(shù)的納米α-Al2O3對環(huán)氧樹脂材料的拉伸模量影響相對較小，然而能夠提升材料的斷裂應變以及拉伸強度(達76.63MPa)，而納米AlOOH以及納米γ-Al2O3均使得環(huán)氧樹脂材料的斷裂應變以及拉伸強度明顯降低。三種納米填料對環(huán)氧樹脂在周期性電場以及周期性應力下的弛豫過程產(chǎn)生的影響均不相同。其中，AlOOH納米顆粒的存在使得環(huán)氧樹脂復合材料介電α弛豫以及玻璃化轉變的活化能明顯的降低，γ-Al2O3使兩者稍有降低，而α-Al2O3使這兩種過程的活化能有顯著的升高。
(4)根據(jù)Jonscher普適弛豫定律計算發(fā)現(xiàn)，α-Al2O3增強了環(huán)氧樹脂分子鏈間的相互作用。而AlOOH以及γ-Al2O3使環(huán)氧樹脂分子鏈間的相互作用減弱。環(huán)氧樹脂材料的介電絕緣性能與動力學性質具有內(nèi)在聯(lián)系，較高的玻璃化轉變溫度以及較高的玻璃化轉變活化均能說明α-Al2O3納米顆粒限制了α-Al2O3/環(huán)氧樹脂界面層中環(huán)氧樹脂分子鏈的運動。而分子鏈運動受限后，載流子在界面層中的傳遞同樣受到了阻礙，這提升了納米α-Al2O3復合環(huán)氧樹脂的絕緣性能。環(huán)氧樹脂材料力學性能的變化規(guī)律同樣與分子鏈交聯(lián)有關，即交聯(lián)密度越大，材料越難以斷裂，拉伸強度得到提高。AlOOH表面羥基可與酸酐固化劑發(fā)生副反應影響固化，降低環(huán)氧樹脂交聯(lián)密度，并在AlOOH/環(huán)氧樹脂界面層中留下酸根離子，形成雙電層，進而影響電阻性能。環(huán)氧樹脂分子鏈中的羥基與納米顆粒表面吸附氧產(chǎn)生氫鍵，不利于固化，使環(huán)氧樹脂材料的表觀交聯(lián)密度下降，影響電學、力學性能;反之若環(huán)氧樹脂分子鏈與納米顆粒表面晶格氧產(chǎn)生氫鍵，可加強環(huán)氧樹脂分子鏈與Al2O3納米顆粒間相互作用，增強電絕緣性能以及力學性能。因此表面晶格氧最多的納米α-Al2O3能夠成為高絕緣性環(huán)氧樹脂的最佳填料。
