高导热BNNS/ANF复合绝缘纸的结构设计及性能分析

赵莉华; 滕富莉; 卓然; 高萌; 任俊文

doi:10.15961/j.jsuese.202200967

工程科学与技术 ›› 2023, Vol. 55 ›› Issue (04) : 30 -37. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200967

高导热BNNS/ANF复合绝缘纸的结构设计及性能分析

赵莉华, 滕富莉, 卓然, 高萌, 任俊文

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摘要

随着电力设备逐渐向高电压、大容量、高集成化方向发展，对其绝缘材料的导热性能提出了更高的要求。本文借鉴天然珍珠母的仿生结构，以耐高温的1维芳纶纳米纤维（ANF）组成骨架网络，以高导热的2维氮化硼纳米片（BNNS）为功能基元，构筑复合绝缘纸。首先，利用柠檬酸锂充当表面活性剂，将六方氮化硼（h–BN）通过超声与水热反应相结合的方法剥离成BNNS，并对其微观形貌及分散特性进行研究；然后，采用浓碱去质子化法剥离Kevlar纤维（AF）制得（ANF）；分别以ANF、BNNS为纳米基元，通过真空辅助抽滤技术制备出BNNS/ANF复合绝缘纸，并对其微观形貌结构、导热性能、力学性能、击穿性能进行了分析。结果表明：所剥离制备的薄层BNNS具有高长径比，BNNS与ANF之间均匀堆积形成致密的砖泥结构，这种砖泥结构有助于改善复合绝缘纸的击穿性能和力学性能；当BNNS填充质量分数为20%时，BNNS/ANF复合绝缘纸的标准击穿场强达到313.04 kV/mm，抗拉强度达到216.64 MPa，分别是纯ANF绝缘纸的166.47%和126.38%；此外，BNNS在ANF网络中定向分布形成连续导热的桥联，显著提高了复合绝缘纸的导热性能，当BNNS填充质量分数为30%时，复合绝缘纸的热导率达到5.31 W/(m·K)，是纯ANF绝缘纸的211.55%。该复合绝缘纸具有高导热性、良好的力学性能以及优异的电绝缘性，能有效解决设备绝缘散热问题，有望在电气设备中推广应用。