来源：DeepTech深科技
芳纶作为一种特种纤维，因其优异的绝缘、机械和热稳定性已被广泛应用于国民经济的支柱产业中。
近几年来，华北电力大学樊思迪副教授团队一直致力于对芳纶基先进电工材料的探索，先后开展了国产化芳纶纸、芳纶纳米薄膜、复合芳纶环氧树脂等工作研究，以期使其更好服务新型电力系统的建设发展。
然而，作为高分子聚合物的固有痛点，低导热系数是限制芳纶长远应用的关键短板，而导热和绝缘又是电介质材料的一对内禀性矛盾，很难进行解耦同步提升。
围绕这一挑战，该课题组希望探索一种能够协同增强芳纶薄膜绝缘和导热性能的有效策略，充分延拓芳纶薄膜的功能性和应用价值。
在已经发表的论文中，他们基于高热导纳米填料改性策略尝试了掺杂诸如氮化硼、氮化铝、氟化石墨烯等许多填料种类，也做了不少填料复配的探索。
虽在提升导热方面取得了一定进展，但始终无法摆脱高浓度掺杂这一束缚条件，因此常常伴随着绝缘和机械性能损失的代价。
在前期研究基础上，他们通过进一步解析纳米薄膜微观形貌，分析制备工艺过程，并依照“砖瓦”结构设计灵感重新进行了掺杂设计，有效实现了在相对较低的掺杂浓度下，导热和绝缘的协同提升。
受传统高导热材料掺杂改性的思路影响，研究之初他们选取了许多大尺寸和高纵横比的填料进行了尝试，发现改性效果均不理想。
在偶然的一次电镜拍摄中，他们发现了芳纶纳米薄膜的横截面呈现出了部分蜂窝微孔的形貌特征，而这在他们所知的以往报道中是没有深入提及和研究的。
为此，他们重新追溯分析了薄膜制备工艺的各环节，最终推断出是由质子化和热处理过程所致。而这个看似不可避免的结构缺陷却为他们提供了设计灵感。
如果仿照“砖瓦”结构将在其蜂窝空腔中嵌入高导热纳米填料，既可以解决其结构疏松问题，又可以将这些蜂窝空腔原位“改造”为彼此交接的导热网格，实现功能上的一举两得。
本着这一想法，他们重新筛选了掺杂填料，最终选定了纳米金刚石。
这是出于以下考虑：
一是纳米金刚石特有的零维结构使其不必拘泥于孔洞形状，能够做到游刃有余的完美镶嵌；
二是其本征原子结构使其兼具高导热和绝缘特性，因而成为他们研究的不二之选，最终的结果也验证了设想的可行性。
“我想这也是科学研究中的美妙之处，那就是缺陷和完美其实并无绝对定义，表面上‘山重水复、困难重重’，只要善于转换思维，更迭视角亦能够‘柳暗花明、点石成金’。”樊思迪说。
（来源：Applied materials today）审稿人认为该成果体现了巧妙的结构设计思路，制得材料性能提升较为出色。
论文中的分子模拟和有限元的仿真分析直观展现了构效关系的变化规律，为高性能芳纶基复合薄膜的制备提供了指导意义。
据了解，油浸式变压器中线圈绕组的绝缘和散热对变压器的安全运行至关重要，目前绕组外包仍以纤维素纸为主，难以适应日益攀升的电力电压等级和复杂的运行工况。
而该成果有望成为传统纤维素绝缘纸的理想替代，为 500kV 以上超高压油浸式变压器绕组匝间绝缘薄膜提供可行方案。
其既能耐受高电场环境，又能及时消散设备运行积聚的热量，同时芳纶特有的优异耐候性也使其具备长期服役的可能性。
鉴于该成果展现了出色的绝缘、导热以及热稳定性，他们下一步计划继续关注其介电特性，特别是在高温储能领域的应用。
具体来说，他们准备充分挖掘纳米金刚石高介电常数和宽禁带的这两种本征优势，通过进一步细化调控掺杂浓度和材料结构设计开展芳纶基高温储能薄膜的探索应用。
参考资料：
1.https://doi.org/10.1016/j.apmt.2024.102183
运营/排版：何晨龙
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