树脂基纤维增强复合材料在绝缘领域的研究进展

摘 要 随着科学技术的发展，复合材料逐渐被应用于高压输电、电子器件等电气电子相关领域。在这种特殊工况中，设备或材料的绝缘问题成为影响其使用性能和寿命的关键。环氧树脂、聚丙烯等多种热固性、热塑性材料及其复合材料表现了出色的绝缘性能，并同时具备良好的机械性能，为电气电力电子设备提供了新的选择。本文针对复合材料在绝缘领域中的应用，综述了材料本征性能及材料改性技术等方面的研究进展，并对不同绝缘复合材料的应用进行了总结。

关键词 复合材料；电绝缘；材料改性；界面处理

Research Progress of Resin-based Fiber Reinforced

Composites in the Field of Insulation

ZHANG Runbo， YIN Yue， YU Jiayun

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.，" Harbin 150028）

ABSTRACT With the advancement of science and technology， composite materials have been gradually employed in electrical and electronic-related fields such as high-voltage power transmission and electronic devices. In such special working conditions， the insulation issue of equipment or materials becomes a crucial factor influencing their performance and lifespan. A variety of thermosetting and thermoplastic materials like epoxy resin and polypropylene， as well as their composites， exhibit outstanding insulation properties and concurrently possess favorable mechanical properties， offering new options for electrical and power electronic equipment. This article focuses on the application of composite materials in the insulation domain， reviews the research progress in aspects such as the intrinsic properties of materials and material modification techniques， and summarizes the applications of different insulating composite materials.

KEYWORDS composite materials; electrical insulation; material modification; interface treatment

1 引言

随着工业技术的飞速发展，工程领域对对复合材料及其结构的性能要求逐步提高。在部分工况条件下，材料或设备的绝缘问题成为影响结构性能和使用寿命的关键问题[1-2]。复合材料自问世以来，便以其高强高刚、耐腐蚀等性能优势受到青睐，被广泛应用于绝缘领域，特别是在电气电子领域发挥着至关重要的作用。在电气绝缘方向，复合材料的应用主要体现在提高电气设备的安全性和稳定性。例如芳纶纤维因其优异的绝缘效果，可提高变压器对温度的存储以及谐波负载等能力，从而提高变压器的使用寿命和性能稳定性[3]。在电子领域，芳纶纤维与纸板共同组成电机产品的绝缘系统，使产品能在超负荷的状态下运行。此外，复合材料及其织物还在制造机载或星载雷达天线罩、微电子组装技术、雷达天线馈源功能结构部件桥梁结构加固等领域发挥着重要作用[4]。

常规复合材料虽具有优异的力学性能，但其绝缘性能仍需通过相关方法进行提升。提升材料的绝缘性能通常采用两种方法：（1）选取本征绝缘材料：基体如环氧树脂、酚醛树脂等，增强相如玻璃纤维、芳纶纤维等均具有良好的绝缘性能；（2）选取填料对复合材料进行改性处理：常见的填料有ZnO、SiO2、碳纳米管等，均能有效提升材料的绝缘性能[5]。绝缘材料性能评价指标主要有：绝缘电阻率、介电常数以及绝缘击穿性能[6]。除此外，其热稳定性也同样重要。因此，在选用电绝缘基体材料用于高电压绝缘领域时，常常需要满足热、力学和成型加工性能以及耐高压在内的绝缘性能要求。基于上述内容，本文从基础组份、材料改性两个方面综述复合材料在电绝缘领域的研究现状。复合材料在绝缘领域中的应用如图1所示。

2 基体材料的绝缘应用

2.1 热固性材料

热固性树脂是指在高温压环境下发生化学反应形成交联网状结构的一种高分子聚合物材料，具有耐热、绝缘、抗冲击、耐电击穿、耐腐蚀等优点，被广泛应用于电力及交通系统中。环氧树脂、酚醛树脂、硅树脂及聚酰亚胺等是较为常见的热固性材料，因其各自独特的性能被应用于不同的领域[7]。

2.1.1 环氧树脂

环氧树脂则是一种常用的工程塑料，具有高强度、高温度耐受性、优异的耐化学性和电气绝缘性能等优点，常用于制造电路板、电子器件、航空航天部件等[8-9]。环氧树脂通过开环交联反应形成具有一定强度的固化产物，其功能基团能够提供极性、反应性，为环氧树脂带来不同的应用性能，如机械性能、耐化学性、绝缘性等。根据自身官能团进行分类，环氧树脂包含双酚A型，双酚F型，多酚型缩水甘油醚型，脂肪族缩水甘油醚以及脂环族环氧树脂。各类环氧树脂由于自身结构的不同，其性能也存在差异，可分别应用于不同工业领域。各类环氧树脂材料的特性及其用途如表1所示[10-11]。

2.1.2 聚酰亚胺

聚酰亚胺（PI）作为一种高性能热固性塑料，具有高强度、耐高温和耐腐蚀性等优点，因此在制造航空、航天、汽车等领域的高温结构件和电子元器件方面有广泛应用[12-13]。近年来，随着半导体技术和电子封装技术的快速发展，电子器件逐渐向轻薄化、柔性化方向发展，逐渐被用作电子器件的基板等封装材料。目前，国内外主要的PI生产商如表2所示[14-15]。

2.1.3 有机硅树脂

有机硅树脂兼具有机材料与无机材料的双重特性，具有十分优异的电绝缘、耐高温、防水性能，被广泛应用于绝缘复合材料浸渍、变压器线圈等相关领域[16-17]。有机硅浸渍制品如玻璃布、玻布丝、石棉布等可制成电机套管、电器绝缘绕组等产品，为电气设备提供绝缘保障。随着工业技术的发展，电机工业对有机硅绝缘材料的要求逐渐提高，这同时也带动了有机硅树脂的基础研究。Zhou等人[18]以Al2O3填充甲基乙烯基硅橡胶制备了高导热系数的有机硅复合材料，其电绝缘性能及力学性能优良。刘闻凤[19]等以水解缩聚合成的甲基苯基乙烯基硅树脂为基体，以Al2O3、BN、AlN为导热填料，制备不同种类的填充型有机硅导热复合材料，并对各产物的导热性能进行比较分析。

2.2 热塑性材料

热塑性材料作为工业领域常见的电气绝缘材料，其优异的力学性能、低密度、高绝缘性等特性使其在大至高压电力运输，小至日常开关插座等方面均具有十分广泛的应用。常见的热塑性材料包括低密度聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯等，均被应用于制造绝缘复合材料[20]。

2.2.1 聚乙烯

聚乙烯作为最常见的热塑性材料，常被作为高压直流电缆的主要材料，但由于长期受到空间电荷聚集作用，会导致材料加速老化，这也是聚乙烯材料在电气领域中的主要问题[21]。目前，已有许多学者对聚乙烯材料进行改性，提升其绝缘性能，减缓材料老化进程。赵青洋等[22]以KH550偶联剂改性硅微粉（mSiO2）为改性剂，对低密度聚乙烯进行改性，其电气强度提升至35.1 kV/mm，体积电阻率提升为3.63×1015 Ω/cm。郑昌佶等[23]通过掺杂纳米SiO2引入深陷阱能级的方法改善LDPE的直流介电性能，其直流击穿强度提高约43 %。

2.2.2 聚丙烯

聚丙烯材料由于其优异的介电性能、耐热性及可回收特性，在高压直流电缆领域具有十分客观的商业化前景。目前国内外学者对聚丙烯材料进行改性处理，以期提升聚丙烯的力学及绝缘性能[24-25]。高鹏等人[26]综述了聚乙烯材料的不同改性方法及其力学、热学和电气性能的改善情况，并针对国内外聚乙烯材料在电气行业中的应用进行了总结。

3 纤维的绝缘应用

除基体外，纤维作为复合材料的重要组成部分同样可以对材料的电绝缘性能起到重要影响。常见的绝缘纤维有玻璃纤维、石英纤维及玄武岩纤维。

3.1 玻璃纤维

玻璃纤维在绝缘材料行业中是一种重要的原材料，通常占绝缘材料总质量的30 %～50 %，具有电绝缘性好、化学性质稳定、耐腐蚀性强，耐高温性好及机械强度高等优点，同时价格也较为低廉、容易加工，在绝缘材料行业占有举足轻重的地位，成为二十世纪以来化工领域的重要分支[27-29]。玻纤常用的制品及其用途如表3所示。

3.2 石英纤维

石英纤维是一种无机纤维，以高纯石英或天然水晶为原料，SiO2质量分数高达99.9 %以上。石英纤维具有十分优良的耐热性、电绝缘性、耐烧蚀、介电性能及化学稳定性，其体积电阻率电阻可达1012～1014 Ω·m，绝缘强度达11万伏／毫米，介电损耗极小，约为0.02。因此，石英纤维被广泛应用于航空航天、电气绝缘、国防军事领域[30-32]。

3.3 玄武岩纤维

玄武岩纤维由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成，是一种由天然玄武岩拉制的新型无机环保材料。玄武岩纤维具有优异的力学性能、电绝缘性、耐腐蚀性、耐高温特性，由其组成的纤维增强复合材料已被广泛应用于船舶海洋、汽车制造、高温隔热、电气绝缘等相关领域[33-34]。

陈宇飞等[35]以环氧树脂和聚氨酯为基体，短切玄武岩纤维为增强体，制备了介电性能优良的玄武岩纤维增强环氧树脂团状模塑料（BF-BMC），其电气强度、体积电阻率、介电常数与介质损耗因数分别为11.8 MV/m、2.6×1013 Ω·cm、6.3和0.014。除了作为单一纤维增强聚合物外，玄武岩纤维还常被用来与其他纤维或增强体共同增强聚合物基体。T P Sathishkumar等[36]综述了杂化纤维增强聚合物基复合材料的发展状况。杂化纤维相对于单一纤维而言，在增强聚合物基体材料方面往往可以表现出更为全面的改性效果。在提高某一方面性能的同时，杂化纤维增强聚合物复合材料的热性能、力学性能、阻尼性能、蠕变性能等也可以得到保持或者提高。H M Gajiwala[37]研究了采用玄武岩纤维、聚苯并咪唑纤维与纳米粘土共同增强聚合物弹性体制备火箭发动机隔热材料。性能测试表明，该材料的表面电阻率约为7.0×1011 Ω，体积电阻率约为3.3×1011 Ω·cm，介电常数为6～7（ASNBR：8.75）。由于具有良好的综合性能，这类材料在火箭发动机隔热材料中具有较好的应用前景。

4 材料的绝缘改性处理

材料改性作为一种常见的处理方法，是影响材料性能的重要技术手段。常用的材料改性方法主要有物理改性及化学改性。其中，物理改性包括吸收、包覆等方法，主要通过在基体内填充粒子等物质提升材料性能；化学改性包括表面接枝、表面修饰、等离子体处理等方法，主要通过加入不同官能团、过渡层等增加界面结合强度，进而提升材料相应特性[38]。

4.1 纳米颗粒改性

纳米材料常被作为材料改性的主要填料，用以提升材料整体的介电特性。纳米颗粒改性的作用原理主要依靠其与环氧基体之间固化反应生成交联长分子链，形成更加稳定的固化网络结构[39-40]。这种更加复杂的结构能够提高纳米颗粒与环氧树脂之间的界面结合强度，从而达到进一步提升材料性能的目的。

现有研究发现，较低含量的纳米填料如SiO2，ZnO，TiO2，MgO，Al2O3等可以提高聚合物的绝缘性能，主要的机理归因于两种途径：（1）纳米填料导致电子击穿的曲折路径；（2）纳米填料通过向聚合物中引入了深陷阱来捕获电子[41-42]。纳米颗粒被引入到基体中，与基体形成大量界面，这些界面在电场作用下可以束缚电子，提升材料的击穿电压。此外，还可通过改变纳米粒子的粒径、形态、类型和含量等方式，对纳米环氧复合材料综合应用性能进行进一步改善和提高。b-Al2O3/环氧树脂复合材料的制备流程如图2所示[41]。

纳米二氧化硅（silicon dioxide，SiO2）和纳米氧化锌（zinc oxide，ZnO）是目前填充聚合物常用的两种微粒。纳米SiO2微粒表面的大量残键和羟基基团能有效改善微粒在聚合物中的分散程度，能有效改善环氧基体和纳米粒子间的界面，从而降低复合材料的介电常数和介电损耗；纳米ZnO微粒则可在填充后使基体材料获得场致非线性电导与抗紫外性能，能有效提高EP的局放起始电压大小及耐电树脂老化的能力[43]。秦毅[44]探究了一种电压稳定剂m-ABA修饰纳米SiO2的功能化纳米颗粒（m-ABA-SiO2），用以改善基体的绝缘耐电压击穿性能，其击穿场强可达到53 kV/mm，相比于纯CE基体提高了40.8 %。

根据上述研究发现，将纳米颗粒填充至基体材料中可不同程度的提升基体材料的机械性能、导热性能及介电性能，但在实际应用中仍存在颗粒分散困难、易缠结团聚等现象，应在生产制备中注意用量。

4.2 等离子体处理

根据不同等离子体的气体温度，可以将产生的等离子体分为高温等离子体（106～108K）和低温等离子体（室温3×104K），其中低温等离子体又可分为热等离子体（3×103～3×104K）、非热等离子体（1000～200K）和冷等离子体（室温200 ℃）[45-47]。在材料改性领域，低温等离子的使用有两大形式：介质阻挡放电（DBD）和大气压等离子体射流（APPJ），如图3所示。这两种等离子体制造由于简单，灵活，稳定性高等特点，被广泛应用应用于材料改性实验。

张兴涛[48]研究DBD对PI薄膜表面进行不同时间改性，研究其化学结构变化。结果表明等离子体在PI薄膜表面引入了极性官能团，相对于未改性的PI膜提高了17.7 %。刘娟[49]研究了等离子体改性纳米粒子对于PI/Al2O3薄膜的绝缘性能的影响。刘阳[50]提出了一种低气压条件下KH550协同等离子体氟化联合改性技术，结果发现改性SiO2/EP的PDIV与击穿场强在低含量时比纯EP提高33.33 %与12.8 %，且体积电阻率在低质量分数时比KH550改性效果显著。由以上可知，等离子体改性技术由于其制作方便，环境要求低，效果显著等特点，在电气，机械等领域被广泛使用。

5 结语

随着工业技术的发展，工程领域对复合材料绝缘性能的要求逐渐提高，各类复合材料及其组分的基础性能已无法满足现阶段工业绝缘需求，各种无机填料、界面处理方法成为绝缘改性的主流技术。目前已有大量研究工作通过改变复合材料各组分特性及界面改性等方法提升材料的绝缘性能，进而实现结构的绝缘功能。相关的新型材料已被应用于电气绝缘和电子领域，目前如何进一步提升其材料性能成为复合材料领域研究的热点问题之一。

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