耐高溫聚合物內(nèi)容簡介

非金屬礦物和固廢資源材料化利用北京市重點實驗室、北京交通大學電氣工程學院、中國科學院化學研究所高技術材料實驗室的研究人員劉金剛、張秀敏、田付強、楊士勇，在2017年第16期《電工技術學報》上撰文指出，耐高溫聚合物電介質材料以其優(yōu)良的耐高溫穩(wěn)定性、優(yōu)異的介電性能以及良好的耐環(huán)境穩(wěn)定性等在電工絕緣領域中具有廣闊的應用前景。

系統(tǒng)綜述了國內(nèi)外近年來在耐高溫聚合物電介質材料基礎與應用領域的最新研究進展。從耐高溫聚合物電介質材料的發(fā)展歷史、結構特性以及應用研究等方面進行了綜述。重點介紹了耐高溫聚合物電介質材料在軌道交通牽引電機、新能源電力設備以及航空航天電氣設備等電工絕緣領域中的應用狀況。最后對耐高溫聚合物電介質材料的未來發(fā)展前景進行了展望。

電介質（dielectrics）為電工元器件提供絕緣保護[1,2]，是電工絕緣領域中最為重要的基礎性材料品種之一。按照化學組成結構的不同，電介質材料一般可分為無機電介質、有機電介質以及有機-無機雜化電介質等三類。而按照存在狀態(tài)的不同可以分為流體、氣體以及固體電介質等幾類。在所有電介質材料中，固體有機聚合物電介質材料以其介電性能優(yōu)良、成本相對低廉、加工工藝多樣等特性而得到了廣泛的重視以及快速的發(fā)展[3]。

聚合物電介質材料按照其耐溫等級的不同可以劃分為多個級別。例如，中國國家標準（GB）及美國電氣制造商協(xié)會（NEMA）按照電介質絕緣材料（ElectricalInsulating Material, EIM）以及電氣絕緣系統(tǒng)（Electrical InsulatingSystem, EIS）的相對耐熱指數(shù)（Relative Thermal Endurance Index, RTE或RTI）的差異明確劃分了其級別，每個級別對應的典型聚合物電介質材料如圖1所示。

圖1 常見聚合物電介質材料及其耐溫等級

近年來，隨著電氣絕緣技術向著高溫方向的不斷發(fā)展，對于耐高溫聚合物電介質（High-Temperature ResistantPolymer Dielectrics, HTPDs）的需求日益迫切[4]。耐高溫電介質材料對于實現(xiàn)電氣設備小型化、輕量化、大容量化等具有重要意義，是現(xiàn)代絕緣材料產(chǎn)品的重點發(fā)展方向之一[5]。因此，圖1中耐溫等級超過H級（180℃）的聚合物電介質材料近年來得到了快速的發(fā)展。

從結構特征上而言，HTPDs材料往往分子結構間存在較強的共軛作用或者分子結構內(nèi)部易形成氫鍵等化學鍵，導致分子鏈內(nèi)部以及分子鏈間存在較強的相互作用力，直接表現(xiàn)為具有優(yōu)良的耐高溫性能（高玻璃化轉變溫度、高熱分解溫度、優(yōu)良的高溫尺寸穩(wěn)定性等）、優(yōu)異的介電性能（高絕緣強度、高體積及表面電阻率等）、優(yōu)異的耐環(huán)境穩(wěn)定性（耐化學環(huán)境、大氣環(huán)境、太空環(huán)境等）以及良好的力學性能等。但這種結構特征也往往同時會造成HTPDs材料相對于普通電介質材料較差的加工和工藝性能。

此外，這類材料往往具有較高的成本，應用領域主要集中在高溫、高壓、高輻照、高真空等極端環(huán)境中。也正是因為HTPDs材料在國防以及民用高科技領域中的重要性，國內(nèi)外均十分重視這類材料的基礎與應用研究[6-10]。

本文將系統(tǒng)綜述國內(nèi)外近年來在HTPDs材料基礎與應用領域的研究進展。重點闡述聚酰亞胺（Polyimide, PI）、聚醚酰亞胺（Polyetherimide,PEI）、聚酰胺酰亞胺（Polyamideimide, PAI）、聚苯并咪唑（Polybenzimidazole,PBI）、聚醚醚酮（PEEK）以及聚苯基喹噁啉（Polyphenylquinoxaline,PPQ）等具有H級以上耐溫等級的聚合物電介質材料的發(fā)展狀況以及在電工絕緣領域中的應用進展。

1 耐高溫聚合物電介質材料

1.1 耐高溫聚合物簡介

人類早在20世紀初，世界上首個合成聚合物材料——酚醛樹脂（電木粉）實現(xiàn)商業(yè)化后就開始將聚合物材料應用于絕緣領域中。圖2給出了各種聚合物材料在絕緣領域中的應用歷史及其最高使用溫度。20世紀60年代以前實現(xiàn)商業(yè)化的聚合物電介質材料對于耐溫性能的要求并不十分顯著。

但之后在航天以及武器應用需求推動下，對于聚合物材料的耐溫等級要求日益增加。這期間一大批耐高溫聚合物材料紛紛問世，并且實現(xiàn)了批量化生產(chǎn)。但其中的眾多材料由于單純追求耐熱性而忽略了其加工工藝性能以及成本，因此逐漸被市場淘汰。

僅有數(shù)種耐高溫聚合物材料，如聚芳酰胺（PA）、PI、PAI、PBI、PPQ等材料一直商業(yè)化至今。其后，在20世紀80年代以后又有數(shù)種耐高溫聚合物，如聚醚醚酮（PEEK）、液晶聚合物（LCP）、PEI等實現(xiàn)了商業(yè)化。

圖2 常見聚合物電介質材料的發(fā)展歷史與最高使用溫度

由圖1可以看出，耐熱等級超過H級（180℃）的耐高溫聚合物電介質材料主要包括PI、PAI、PEI、PBI、PPQ、PEEK、氟樹脂、硅樹脂、聚芳酰胺等幾類。上述材料由于兼具優(yōu)良的耐高溫性能、優(yōu)異的介電性能以及較好的加工工藝性能，因此在特種電工絕緣領域中得到了廣泛的應用。

鑒于文獻中對于氟樹脂、硅樹脂、聚芳酰胺（Kevlar?&Nomex?）等電介質材料已經(jīng)多有論述[11-15]。因此本文將主要介紹PI、PAI、PEI、PBI、PPQ、PEEK等幾類耐高溫聚合物電介質材料的發(fā)展概況。

1.2 耐高溫聚合物電介質材料

表1[16]總結了幾類常見HTPDs材料的典型性能?？梢钥闯觯@類電介質材料的共同特征在于均具有較高的玻璃化轉變溫度（Tg）、高介電強度以及相對較低的介電常數(shù)與介質損耗。HTPDs材料按照應用形式的不同可分為清漆、薄膜、塑料、泡沫、氣凝膠等多種類型。

清漆主要用于浸漬銅線等導線，制造漆包線漆；薄膜材料主要用于銅線等繞組；塑料則主要用于制造電氣、電子接插件、連接器等部件；泡沫與氣凝膠則主要應用于低壓開關設備的絕緣。圖3總結了目前常見典型商業(yè)化HTPDs的種類，圖4給出了其典型化學結構。

表1 常見耐高溫聚合物電介質材料的典型性能

1.2.1 聚酰亞胺（PI）、聚酰胺酰亞胺（PAI）與聚醚酰亞胺（PEI）

從化學結構上講，PI、PAI、PEI以及聚酯酰亞胺（PEsI）同屬一類聚合物材料，其共同特征在于分子結構中均含有酰亞胺環(huán)，不同之處在于每一類材料均含有其特征基團。如PI是標準型酰亞胺類材料，而PAI則含有酰胺鍵、PEI含有醚鍵、聚酯酰亞胺含有酯鍵等。這些不同類型的化學鍵賦予了上述電介質材料不同的特性。

PI是最早應用于電機絕緣的聚合物材料之一。PI電介質材料的主要性能特征包括[17]：

（1）耐高低溫性能優(yōu)異。起始熱分解溫度一般超過500℃，在?269℃液態(tài)氦中仍不會脆裂。

（2）力學性能優(yōu)良。PI薄膜的拉伸強度一般超過100MPa。

（3）介電性能優(yōu)異。一般而言，PI的相對介電常數(shù)為3.4左右，介質損耗為10?3左右，介電強度可達300kV/mm，體積電阻率可達1017W·cm。這些性能在寬廣的溫度區(qū)間和頻率范圍內(nèi)仍然保持在較高的水平。

圖3 典型商業(yè)化耐高溫聚合物電介質材料

圖4 耐高溫聚合物電介質材料典型化學結構

（4）阻燃性能優(yōu)異。PI為自熄性聚合物，發(fā)煙率極低。

（5）耐輻照性能優(yōu)異。107Gy劑量g-射線輻照后，PI的強度仍可保持初始值的80%以上。

優(yōu)良的綜合性能使得PI在特種電工及電子領域中均得到了廣泛的應用。例如，電機運轉過程中，線圈發(fā)熱，并且絕緣漆還會受到瞬時電流、電壓以及電暈的沖擊，容易老化和破壞。而PI絕緣漆優(yōu)良的綜合性能使其在電機絕緣領域中得到了廣泛應用。

PI絕緣漆可用作電機繞組的絕緣浸漬漆和電機內(nèi)導線的絕緣面漆，還可用于高壓大型電機的槽部、端部的抗電暈漆，在250℃時，PI漆包線的使用時間可達到10000h以上。

我國早在1994年就頒布了機械行業(yè)標準“漆包繞組線絕緣漆第8部分 220級聚酰亞胺漆包線漆”（JB/T 7599.8—1994），對采用均苯四甲酸二酐與4,4-二氨基二苯醚合成的PI漆包線漆的型號以及技術要求進行了詳細規(guī)定。

隨著我國絕緣行業(yè)的發(fā)展，PI介質材料在風電、高速軌道交通等領域中得到了廣泛應用。例如，我國在2011年頒布了能源行業(yè)標準“風力發(fā)電機線圈絕緣用耐電暈聚酰亞胺薄膜補強玻璃布粉云母帶”（NB/T 31010—2011）；2014年頒布了“風力發(fā)電機用繞組線第2部分：240級芳族聚酰亞胺薄膜繞包燒結銅扁線（NB/T31048.2—2014）和“風力發(fā)電機用繞組線第6部分：聚酰亞胺薄膜補強云母帶繞包銅扁線（NB/T31048.6—2014）等標準。這些標準的頒布顯示了PI電介質材料應用領域的不斷拓展。

PAI電介質材料兼具PI材料的耐高溫以及聚芳酰胺材料的高強度等特性，因此具有良好的綜合性能[18,19]。在電工領域中，PAI主要以漆和塑料兩種形式使用。例如PAI漆很早就被用作銅導線的絕緣材料。由于PAI涂層較PI等其他類型涂層更耐磨，因此主要用作漆包線的面漆。

與PI電介質材料類似，我國在1994年也頒布了PAI漆包線漆的機械行業(yè)標準（“漆包繞組線絕緣漆第7部分 200級聚酰亞胺漆包線漆”，JB/T 7599.7—1994）。PAI塑料的典型代表是比利時Solvay公司的Torlon?系列材料。

PEI電介質材料分子結構中除了酰亞胺環(huán)外，還含有醚鍵、異丙基等取代基。這些柔性基團的存在雖然在一定程度上犧牲了PEI的耐熱穩(wěn)定性，但同時賦予了其優(yōu)良的加工工藝性能。例如PEI可以無需借助粘合劑層實現(xiàn)熱繞組[20]。沙特基礎工業(yè)公司（Sabic）在收購了美國GE公司PEI（Ultem?）業(yè)務后，又針對高溫應用領域的需求推出了Extem? XH、UH與UP塑料。

這些塑料的玻璃化轉變溫度由Ultem?1000的219℃升高到267℃以上，極大提升了PEI介質材料的熱級。近期，Sabic還推出了適用于3D打印技術生產(chǎn)的Ultem? 9085樹脂。利用這種樹脂，采用3D打印技術可直接生產(chǎn)電氣、電子接插件等絕緣制品。

1.2.2 聚苯并咪唑（PBI）

PBI材料是所有熱塑性聚合物材料中耐熱等級最高的一類，其結構特征在于分子結構中含有剛性苯并咪唑環(huán)。商業(yè)化PBI材料的玻璃化轉變溫度高達427℃，可長期工作于300℃以上環(huán)境中[21]。PBI樹脂可以溶解于N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）等極性溶劑中，配制成一定固含量的溶液，然后可作為清漆應用于銅導線的絕緣防護。

高溫固化后PBI漆膜可以耐受超過300℃以上的高溫。此外，PBI還可以纖維或模塑料的形式應用于高壓電氣絕緣部件的制造中。PBI作為電介質材料的主要問題在于其制造成本較高，因此主要應用于極端環(huán)境電氣絕緣中。

1.2.3 聚苯基喹噁啉（PPQ）

PPQ是一類分子結構中含有苯基取代喹噁啉環(huán)的聚合物材料。與PI等極性材料不同，PPQ分子結構中極性基團的含量很低，因此作為電介質材料來使用往往表現(xiàn)出優(yōu)異的耐水解特性以及較低的介電常數(shù)（k＜3.0與介質損耗[22]。PPQ作為電介質材料主要應用于高溫潮濕環(huán)境中的電氣絕緣。

例如，美國早在20世紀80年代就開始評估商業(yè)化PPQ薄膜（IP200?）作為高溫電介質材料應用于漆包線絕緣等方面的性能。通過對比PPQ薄膜、Kapton?薄膜、Upilex? S薄膜等材料的綜合特性發(fā)現(xiàn)，PPQ薄膜在90℃/100%相對濕度環(huán)境中老化1222h后重量減少0.6%，而相同條件下Kapton?薄膜在不到500h時表面即變得十分粘稠，進而完全水解。這表明PPQ薄膜在高溫高濕環(huán)境中具有十分優(yōu)異的穩(wěn)定性，可應用于類似環(huán)境中的電氣或電子絕緣[23]。

目前制約PPQ介質材料廣泛應用的主要問題是其高成本。近年來，中國科學院化學研究所采用低成本路線成功實現(xiàn)了PPQ關鍵原材料—雙（?-二酮）單體的批量化制備。這為拓展PPQ電介質材料的應用奠定了良好的基礎[24-26]。

1.2.4 聚醚醚酮（PEEK）

PEEK是一類分子結構中含有醚鍵與酮羰基的半結晶性聚合物材料。傳統(tǒng)的PI電介質材料由于不溶不熔的特性，需要使用額外的粘合劑層（如含氟涂層、丙烯酸酯、環(huán)氧等）才能夠實現(xiàn)部件的熱繞組絕緣。額外的粘合劑層往往會使高溫絕緣效果劣化。而PEEK半結晶性的結構特征使其具有熱熔特性，可在高溫下直接與銅線進行高溫熱繞組，進而制得絕緣制品[27]。

直接繞組一方面使得絕緣可靠性更高，此外免除了粘合劑層可使絕緣體變得更薄，有利于提高散熱性。由于具有優(yōu)良的電絕緣性能、耐化學與濕熱穩(wěn)定性以及優(yōu)良的抗高應變彎曲性能，因此在扁線電機線圈制造過程中常用PEEK電介質材料來替代傳統(tǒng)的PI電介質[28]。

PEEK電介質材料的主要性能特性包括：（1）高耐熱穩(wěn)定性。PEEK薄膜具有220℃的RTI指數(shù)，200℃時的體積電阻率可達1011W·cm以上。（2）低吸濕率。在電工與電子絕緣中可保持穩(wěn)定的絕緣特性以及尺寸穩(wěn)定性。（3）優(yōu)異的耐環(huán)境穩(wěn)定性和耐水解特性。對酸、堿、氧化劑、烴類溶劑以及水蒸氣等均具有良好的耐受性，經(jīng)200℃高壓水蒸汽老化2000h，性能未見顯著變化。（4）高阻燃性以及耐g-射線輻照特性。

總之，PEEK絕緣電線突出的耐高溫性、阻燃性、耐輻射性以及良好的機械性能，使其在航空工業(yè)中可作為超高溫導線，在石油工業(yè)中可作為潛油泵電機繞組線及連接線，在原子能發(fā)電站中可作為核島驅動機構的繞組線圈長期在輻照條件下使用；PEEK絕緣電線的耐海水性、重量輕、體積小、阻燃性優(yōu)異等性能使其可在艦船中使用。

鑒于PEEK材料優(yōu)良的介電性能，我國于近期制定了機械行業(yè)標準“電氣用聚醚醚酮模塑料”（JB/T 12420—2015），該標準已于2015年10月發(fā)布，于2016年3月開始實施。

2 耐高溫聚合物電介質材料設計與應用

鑒于耐高溫聚合物電介質材料優(yōu)良的綜合性能，國內(nèi)外十分重視其設計與應用研究。近年來，針對耐高溫聚合物電介質材料的理論模擬、模型構建以及結構設計工作均取得了重要進展。Wang C. C.等提出了聚合物電介質材料的計算策略[29]，對現(xiàn)代計算方法在聚合物電介質材料結構設計中的應用進行了綜述。

各種現(xiàn)在計算方法，如密度泛函理論（Density Function Theory, DFT）、定量結構性能分析（QuantitativeStructure Property Relationship, QSPR）等在改進現(xiàn)有聚合物電介質材料的性能以及新型聚合物電介質材料的設計開發(fā)方面均具有良好的指導作用。

例如，采用上述方法可設計出含Si、Ge、Sn等元素的新型電介質材料，其介電常數(shù)可在2.5～47之間進行調節(jié)。由于可以在化學鍵等分子水平上進行結構設計，這對于耐高溫聚合物電介質材料的研發(fā)也具有重要的指導作用。

Sili E.等人評判了航空環(huán)境中，在放電情況下，對聚合物電介質材料（PI薄膜）壽命預測模型的有效性[30]。通過對逆冪律模型、阿倫尼斯模型以及Ramu模型對PI絕緣薄膜壽命預測的有效性進行分析，作者發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境壓力下，溫度對于PI薄膜壽命的影響要較在航空低壓環(huán)境中大得多。此時，采用阿倫尼斯模型可綜合考慮溫度與壓力的影響，更適合預測航空環(huán)境中PI薄膜的壽命。該分析結果對于“全電飛機”絕緣系統(tǒng)的開發(fā)具有重要的指導作用。

應用方面，隨著近年來全球范圍內(nèi)大容量高電壓電力設備的不斷增多，對耐高溫電介質材料的需求也日益增加。具有高介電強度、低介質損耗以及良好耐電暈能力的高溫電介質材料得到了越來越廣泛的應用。一般而言，這些材料具有足夠的力學性能和可塑性，可承受設備在高速旋轉、起動停止以及突然短路造成的機械應力，在長時間作用下仍可保持所需的介電性能和力學性能。

2.1 在耐熱絕緣制品中的應用

HTPDs在各種耐高溫絕緣制品，包括漆包線漆、電容器、電線電纜等方面均得到了廣泛應用。耐高溫漆包線方面，電磁線高溫絕緣目前采用了多種酰亞胺類介質材料，包括聚酯酰亞胺底漆外涂厚度為0.001～0.003mm PAI面漆，主要用作密封電機絕緣；第二種是PAI底漆外涂超級潤滑層，主要用作汽車組件絕緣中；此外還包括直接采用PI作為浸漬絕緣漆，應用于航空、航天特種電機絕緣等。

Petitgas等人考察了聚酯酰亞胺（PEsI）、PAI以及PI電介質材料的化學結構與其在銅線絕緣性能方面的關系[31]。PEsI在漆包線領域中應用十分廣泛，但其熱級為155～170℃，經(jīng)過THEIC[3(2-羥乙基)異氰酸酯]交聯(lián)改性后，熱級可提高到180～200℃，而PAI與PI電介質的熱級分別為220℃與240℃。

熱重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）、熱機械分析（ThermomechanicalAnalysis, TMA）以及介電松弛譜（Dielectric Relaxation Spectrum, DRS）測試結果顯示，200～400℃老化后，PEsI漆包線絕緣性能顯著劣化，而PAI與PI漆包線性能保持良好。

Schadler等人研究了納米粒子填充的PAI介質材料的高溫擊穿強度以及耐電壓特性[32]。研究目的是通過在PAI中加入納米SiO2以及Al2O3填料來制備耐高溫漆包線。研究結果顯示，雖然加入納米SiO2以及Al2O3都可以提高PAI復合材料的直流（DC）介電強度，但只有加入Al2O3才能提高PAI復合材料的交流（AC）介電強度。室溫下施加25kV/mm電場2h后，PAI納米復合電介質中未出現(xiàn)空間電荷積累現(xiàn)象。作者認為造成上述現(xiàn)象的機理主要是歸于納米Al2O3的電子散射以及抗電暈特性。

除了應用于漆包線外，HTPDs還可用于高溫電機的局部放電防護[33]。對于低壓電機而言，常采用無規(guī)繞組漆包線進行絕緣。使用的絕緣材料包括PAI或者表面涂有PAI的聚酯材料。在上述材料中往往加入質量分數(shù)為1%的無機TiO2納米粒子來顯著提高絕緣層的抗局部放電能力。

對于中高壓電機而言，常采用環(huán)繞型矩形電磁線進行絕緣，其典型結構如圖5所示。該絕緣結構符合NEMA MW—1000標準。內(nèi)部采用PI（Pyre?ML?）絕緣材料，外部則采用PI納米電介質進行局部放電防護。

圖5 中高壓電機用絕緣材料

耐高溫電容器方面，Zou C.等人研究了ZrO2納米粒子對Upilex??S型PI薄膜（基于聯(lián)苯四甲酸二酐與對苯二胺）電介質性能的影響[34]。首先，他們將ZrO2納米粒子（粒徑50nm）超聲分散在N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶劑中，然后與Upilex-S? PAA溶液混合均勻，最后通過高溫亞胺化工藝制備了PI納米電介質薄膜。

研究顯示，300℃以下的溫度范圍內(nèi)，ZrO2/PI納米電介質具有穩(wěn)定的介電性能、高儲能密度以及高充放電效率。耐電暈性能測試表明，少量ZrO2納米粒子即可顯著提高PI薄膜的耐電暈性能，該材料有望在高儲能密度電容器中得到應用。

Tan D.等人對比了幾類高溫聚合物薄膜，包括PEI、PI以及PEEK在高溫電容器中的應用情況[35]。結果顯示，PEI具有最優(yōu)的綜合性能，在直流與交流電容器中均表現(xiàn)出了良好的耐熱性能與介電性能。

電線電纜絕緣制品方面，PEEK作為一種線性芳香族半結晶態(tài)熱塑性材料，具有包覆加工性好（可熔融擠出，而不用溶劑）、燃燒時發(fā)煙量低且產(chǎn)生腐蝕性氣體少、耐剝離性好、耐磨耗性好、耐輻照性強、易著色等特點，在電線電纜絕緣制品中得到了廣泛應用[36]。

2.2 軌道交通牽引電機絕緣

隨著我國軌道交通領域的快速發(fā)展，變頻調速電機越來越廣泛地應用于高速機車等交通裝備中。變頻調速電機具有高效、節(jié)能、保養(yǎng)容易、便于自動控制等優(yōu)點，在交通、能源、市政建設等很多領域得到應用和發(fā)展。使用變頻技術初期，傳統(tǒng)的電機經(jīng)常會出現(xiàn)壽命急劇下降和大規(guī)模燒損等問題。

經(jīng)失效分析，推測是由于電機定子電磁線絕緣層在局部放電、空間電荷積累和高溫下發(fā)生快速老化損壞所致。因此變頻技術所用電介質材料要求具有高耐熱、低損耗、高導熱系數(shù)、高介電強度、耐電暈性、耐局部放電以及耐老化性能。電介質材料性能的不過關往往會造成變頻電機匝間絕緣結構的破壞，進而影響變頻電機的使用壽命。

據(jù)研究，造成電機匝間絕緣過早失效的一個主要原因在于絕緣材料在高頻振蕩下會發(fā)生電暈老化。解決這個問題的有效途徑是采用耐電暈的絕緣膜[37]。PI薄膜是耐電暈薄膜最好的電介質絕緣材料之一。

提高PI薄膜耐電暈性的主要手段是將納米級耐電暈填料均勻分散在PI前軀體溶液（聚酰胺酸）中，然后高溫亞胺化制備成耐電暈PI薄膜。美國杜邦公司于1994年推出了耐電暈PI薄膜——Kapton?CR。該材料中含有多種無機納米粒子，其在50Hz以及20kV/mm測試條件下的耐電暈穩(wěn)定性超過100000h。

國內(nèi)近年來在耐電暈PI薄膜基礎研究領域取得了令人矚目的成就。哈爾濱理工大學的雷清泉院士近年來系統(tǒng)研究了耐電暈PI薄膜的合成以及結構與性能的關系[38-40]。例如，他們首先采用納米粒子直接分散法將納米級SiO2直接超聲分散于PAA中，然后熱固化后得到了PI薄膜。

研究薄膜，納米粒子的均勻分散對于提高PI薄膜耐電暈性能至關重要。納米粒子表面經(jīng)偶聯(lián)劑處理后有利于其分散到PAA溶液中。他們還對雜化PI薄膜的耐電暈性能進行了深入系統(tǒng)的研究。通過利用溶膠-凝膠法經(jīng)納米級SiO2粒子原位復合在PI膜中。

通過對制備的雜化復合膜的性能研究發(fā)現(xiàn)，無機填料的引入顯著地增加了PI膜的耐電暈性能，同時為了提高無機- 有機兩相的相容性，在體系中加入適量偶聯(lián)劑是有必要的。采用該方法制備的PI薄膜的耐電暈壽命較純PI薄膜可提高8.57倍左右。黨智敏等將TiO2等無機納米粒子引入PI結構中，制備了耐電暈PI雜化薄膜[41]。

研究發(fā)現(xiàn)，PI雜化薄膜的耐電暈性能與其介電常數(shù)密切相關。隨著TiO2填料含量從0增加到25%，PI薄膜的介電常數(shù)從3.2增加到5.1（100Hz），PI雜化薄膜的耐電暈特性也隨之增加。他們認為高介電常數(shù)介質在電暈老化過程中會產(chǎn)生反向電場，從而在一定程度上弱化施加在材料上的電場，從而增加了材料的耐電暈特性。

2.3 新能源電力設備絕緣

目前，全球范圍內(nèi)新能源，包括風能、水能、太陽能得到了越來越廣泛的應用。這些新能源與傳統(tǒng)的火電、核電等組成了全球能源供給網(wǎng)絡。新能源的快速發(fā)展對絕緣材料的綜合性能也提出了越來越高的要求。

HTPDs材料在具有優(yōu)良耐熱性能與介電性能的同時，還往往具有優(yōu)異的抗g-射線、紫外線輻照、耐鹽霧等特性，因此在海上風能、核能等新能源電力設備絕緣領域中得到了廣泛應用。例如，計初喜初步考察了PEI電介質材料在核電站用電纜制造中的應用基礎問題[42]。評價結果顯示，PEI介質材料具有優(yōu)良的耐高溫性能、抗紫外及g-射線（60Co）輻照性能和良好的本征阻燃特性，在核電級電纜絕緣防護中具有良好的應用前景。

2.4 航空、航天、航海電氣設備絕緣

目前，隨著航空、航天工業(yè)飛行器向著輕量化、高載荷、高可靠性、長壽命、低能耗方向的發(fā)展，對使用的各類特種電機的耐高溫性能提出了更高的要求。例如，民用及軍用航空電機均具有功率要求大、發(fā)電量高、體積小、質量輕等特點[43]。

發(fā)電量的增大以及電流密度的升高使得航空電機的工作溫度最高可達到長期250℃，短期290℃，瞬時420℃左右。這樣的工作環(huán)境對于電介質材料和絕緣結構的耐高溫性能、電絕緣性能等都提出了十分苛刻的要求。

目前，氟樹脂、有機硅的上限使用溫度可勉強達到上述性能要求，但要保證高可靠性則需要研制開發(fā)新型電介質材料。全芳香族PI電介質材料可以滿足大電流線纜絕緣的應用需求，在商用飛機以及軍機線纜絕緣中均得到了應用。

例如，Abdelhafez綜述了多電飛機（More ElectricAircraft, MEA），包括空客A380、波音787等飛機的發(fā)電系統(tǒng)設計、制造以及絕緣防護情況[44]。作者認為Upilex?S型以及含氟Eymyd L?30N型PI由于在高緯度仍具有優(yōu)良的耐熱穩(wěn)定性、耐濕熱穩(wěn)定性和耐紫外輻照等性能，因此在MEA絕緣系統(tǒng)中具有良好的應用前景。耐高溫PI電介質在多電飛機絕緣中的應用如圖6所示。

圖6 耐高溫PI電介質在多電飛機絕緣中的應用

海洋環(huán)境具有濕度大、鹽霧大、溫度變化顯著等特點。因此海洋電氣產(chǎn)品要求使用的絕緣材料具有耐高溫、耐潮濕、耐水解等特性。PI電介質材料在高溫潮濕環(huán)境中性能會很快劣化，因此難以滿足海洋電氣設備的絕緣需求。目前，國外在PPQ、PBI電介質材料的海洋高濕熱環(huán)境老化研究中已經(jīng)取得了重要進展，有望在不久的將來應用于海上高溫電機絕緣中。

3 結論

HTPDs材料本身所蘊藏的高技術含量以及高附加值一直吸引著絕緣領域學術界與工業(yè)界的廣泛關注。近年來，國外在耐高溫聚合物電介質材料的理論模擬、模型構建、結構設計、制造方法、加工工藝等方面均取得了重要進展[45-47]。

我國以西安交通大學、哈爾濱理工大學、清華大學、上海交通大學、北京交通大學等單位為代表的科研機構在HTPDs的基礎與應用研究領域也取得了長足的進步[48-52]，尤其是在PI及其納米復合電介質的數(shù)值計算與介電性能表征方法等方面取得了重要進展。

應該說，HTPDs材料作為一類在民用高技術以及特種領域中均具有廣泛應用前景的新材料，其未來發(fā)展?jié)摿κ鞘志薮蟮?。新結構的設計、新型理論模擬方法的建立、新結構-性能-機理的構建、極端環(huán)境下的服役與失效機制探索以及如何有效降低成本將是未來HTPDs材料研究與開發(fā)領域內(nèi)的主要發(fā)展趨勢。

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