環氧樹脂作為一種性能優異的熱固性高分子材料，具有力學強度高、絕緣性能優異、化學穩定性好等特點，廣泛應用于電力設備（如變壓器、電纜附件、絕緣子）的絕緣結構中。然而，純環氧樹脂在高電場、高溫或潮濕環境下易發生擊穿失效，限制了其在高壓電氣設備中的進一步應用。近年來，隨著納米技術的發展，向環氧樹脂中引入納米填料（如 SiO?、Al?O?、TiO?等）形成的納米復合絕緣材料，展現出更優異的耐電壓擊穿性能，成為電力絕緣領域的研究熱點。本文將從材料特性、影響因素、測試方法及應用前景四個方面，系統探討環氧樹脂基納米復合絕緣材料的耐電壓擊穿性能。

一、環氧樹脂基納米復合絕緣材料的特性與優勢

環氧樹脂基納米復合絕緣材料是通過將納米尺度（1-100nm）的無機填料均勻分散于環氧樹脂基體中，經固化反應形成的新型復合材料。與傳統微米復合材料或純環氧樹脂相比，其耐電壓擊穿性能的提升源于納米尺度帶來的獨二特界面效應和微觀結構優化。

1. 界面效應：抑制擊穿的 “微觀屏障"

納米填料與環氧樹脂基體之間會形成一層厚度約為 1-10nm 的界面過渡區，這一區域的分子鏈排列、交聯密度與基體存在顯著差異，成為抑制電擊穿的關鍵。具體表現為：

·       電荷捕獲作用：界面區的缺陷（如懸掛鍵、偶極子）可捕獲遷移的自由電子，降低電子動能，避免其在電場加速下形成 “電子雪崩"（擊穿的主要機制）；

·       電場畸變緩解：納米填料的介電常數與基體存在差異（如 SiO?介電常數約 3.9，環氧樹脂約 3.6），可分散局部強電場，減少因電場集中導致的局部擊穿；

·       抑制空間電荷積累：界面區可阻礙空間電荷的注入和遷移（如 Al?O?納米顆粒可顯著降低環氧樹脂中的空間電荷密度），避免因電荷積累形成的電場疊加效應。

例如，當納米 SiO?含量為 5wt% 時，環氧樹脂基復合材料的界面區體積占比可達 30% 以上，形成連續的 “三維屏障網絡"，顯著提高擊穿場強。

2. 微觀結構優化：提升材料均勻性

純環氧樹脂在固化過程中可能因交聯反應不均形成局部缺陷（如氣泡、微裂紋），這些缺陷是擊穿的薄弱點。納米填料的引入可：

·       細化固化結構：納米顆粒作為異相成核點，促進環氧樹脂分子鏈均勻交聯，減少缺陷數量；

·       增強力學性能：納米填料與基體的強界面結合力可提高材料的抗沖擊強度和耐熱性，避免因機械應力或熱老化導致的微觀損傷；

·       改善耐老化性能：納米顆粒（如 TiO?）具有光催化作用，可抑制環氧樹脂在高溫、紫外線下的氧化降解，維持長期絕緣性能。

實驗表明，添加 3wt% 納米 Al?O?的環氧樹脂復合材料，其擊穿場強較純環氧樹脂提升 20%-30%，且在 100℃熱老化后仍能保持 80% 以上的初始性能。

二、耐電壓擊穿性能的關鍵影響因素

環氧樹脂基納米復合絕緣材料的耐電壓擊穿性能并非隨納米填料添加量單調提升，而是受填料特性、分散性、制備工藝及環境條件等多因素共同影響。

1. 納米填料的特性

·       種類：不同納米填料的化學組成和物理性能差異顯著。例如，SiO?和 Al?O?填料因表面羥基（-OH）可與環氧樹脂形成氫鍵，界面結合力強，更利于提升擊穿性能；而碳納米管（CNT）因導電性高，僅適用于低添加量（＜1wt%），否則易形成導電通路導致擊穿場強下降。

·       粒徑：在一定范圍內，粒徑越小，比表面積越大，界面區占比越高。如 10nm SiO?填料的界面效應優于 50nm SiO?，但粒徑過小（＜5nm）易團聚，反而惡化性能。

·       表面改性：納米填料表面通常需經硅烷偶聯劑（如 KH550）改性，以降低表面能、提高與基體的相容性。未改性的納米顆粒易團聚形成 “導電微區"，導致擊穿場強下降。例如，改性后的納米 SiO?在環氧樹脂中分散均勻性可提升 40%，擊穿場強提高 15%。

2. 填料添加量的 “臨界值效應"

納米填料的添加量存在 “最佳范圍"，超過該范圍后性能反而下降。以納米 SiO?/ 環氧樹脂體系為例：

·       低添加量（＜1wt%）：填料分散稀疏，界面區不連續，對擊穿性能提升有限；

·       最佳添加量（2-5wt%）：填料均勻分散，形成連續界面網絡，擊穿場強達到峰值；

·       高添加量（＞8wt%）：填料團聚嚴重，形成 “缺陷中心"，且復合材料黏度增大導致固化過程中氣泡增多，擊穿場強顯著下降。

這一規律在多數納米復合體系中普遍存在，是材料設計時需重點關注的參數。

3. 制備工藝的影響

制備工藝直接決定納米填料的分散性和復合材料的微觀缺陷，常見工藝包括：

·       機械攪拌法：設備簡單但分散效果有限，適用于低黏度體系，易產生局部團聚；

·       超聲分散法：通過高頻振動破碎團聚體，可將納米顆粒分散至亞微米級，但過長時間超聲可能導致環氧樹脂分子鏈斷裂；

·       原位聚合法：在環氧樹脂固化過程中同步分散納米填料，界面結合力強，但工藝復雜、成本高。

例如，采用 “超聲分散 + 機械攪拌" 復合工藝制備的納米 Al?O?/ 環氧樹脂材料，其擊穿場強較單一機械攪拌法提升 25%，且數據重復性更好（標準差＜5%）。

4. 環境因素的作用

實際應用中，材料的擊穿性能受使用環境影響顯著，主要包括：

·       溫度：高溫下環氧樹脂分子鏈運動加劇，自由電子遷移能力增強，擊穿場強下降。例如，60℃時納米復合材較 25℃時擊穿場強降低 10%-15%，但降幅低于純環氧樹脂（20%-25%）；

·       濕度：潮濕環境中，水分通過擴散進入材料內部，在界面區形成導電通道，導致擊穿場強下降。經疏水改性（如添加氟硅烷）的納米復合材料，其耐濕擊穿性能可提升 30%；

·       電場類型：材料在直流電場下易積累空間電荷，擊穿場強通常低于工頻交流電場（如納米復合材在直流下擊穿場強約為交流下的 70%-80%）。

三、耐電壓擊穿性能的測試方法與標準

環氧樹脂基納米復合絕緣材料的耐電壓擊穿性能需通過標準化試驗評估，常用方法基于 GB1408.1-2006《絕緣材料電氣強度試驗方法》和 ASTM D149 等標準，核心是通過電壓擊穿試驗儀測量材料的擊穿場強（單位：kV/mm）。

1. 樣品制備

·       尺寸要求：樣品為圓形或方形薄片，直徑應大于電極直徑 30mm 以上（如使用 25mm 直徑電極，樣品直徑≥55mm），厚度通常為 0.1-1mm（薄膜樣品可疊加至合適厚度，但需記錄總厚度）；

·       預處理：樣品需在 23±2℃、相對濕度 50±5% 環境中放置 24h 以上，去除表面油污和水分（用無水一酒精擦拭后晾干）；

·       缺陷控制：制備過程中需避免氣泡和裂紋，可通過真空脫泡（真空度＜0.1MPa）和緩慢固化（升溫速率 5℃/min）減少缺陷。

2. 試驗設備與參數設置

以航天偉創 LDJC 系列電壓擊穿試驗儀為例，關鍵參數設置如下：

·       電極系統：采用直徑 25mm（上）和 75mm（下）的銅電極，表面粗糙度 Ra≤0.8μm，避免尖一端放電；

·       升壓方式：根據標準選擇 “連續升壓"（速率 1000V/s）或 “逐級升壓"（梯度電壓 1kV，保持時間 10s）；

·       介質環境：空氣介質（擊穿場強＜3kV/mm 時）或變壓器油介質（擊穿場強＞3kV/mm 時，油位需覆蓋電極 30mm 以上）；

·       保護設置：電流保護 300mA，終止電壓 50kV（避免設備過載）。

3. 試驗步驟與數據處理

·       操作流程：

i.       檢查設備接地（電阻＜4Ω）和環境條件（溫度 23℃，濕度 50%）；

ii.       將樣品置于下電極中心，放下上電極確保良好接觸；

iii.       關閉試驗箱門，軟件設置參數后啟動試驗，記錄擊穿瞬間電壓值；

iv.       每組測試至少 5 個樣品，去除異常值（偏離平均值 ±15%）后取平均值。

·       數據計算：擊穿場強 E = 擊穿電壓 U / 樣品厚度 d（如 30kV 電壓擊穿 1mm 厚樣品，E=30kV/mm）。

4. 擊穿判斷標準

材料擊穿的特征包括：

·       物理痕跡：試樣表面或內部出現貫穿性小孔、燒焦或開裂；

·       電學信號：試驗曲線中電壓驟降、電流突增（超過電流保護閾值）；

·       重復驗證：對疑似擊穿樣品，可降低電壓（如 80% 擊穿電壓）重復測試，若再次擊穿則確認失效。

四、研究進展與應用前景

環氧樹脂基納米復合絕緣材料的耐電壓擊穿性能研究已取得顯著進展，其應用場景正從實驗室走向實際工程。

1. 新型納米填料的開發

近年來，研究者嘗試將二維納米材料（如石墨烯、六方氮化硼 h-BN）引入環氧樹脂，利用其超大比表面積和優異絕緣性進一步提升擊穿性能。例如，添加 0.5wt% 的 h-BN 納米片（厚度 5-10nm），復合材料擊穿場強可達 45kV/mm，較純環氧樹脂提升 50%，且導熱系數提高 3 倍，解決了傳統材料 “絕緣與散熱難以兼顧" 的難題。

2. 多功能復合體系設計

通過多組分協同作用，材料可同時具備耐擊穿、耐老化、阻燃等性能。例如：

·       納米 SiO?與蒙脫土（MMT）復配：SiO?提升擊穿場強，MMT 改善阻燃性（氧指數從 24 提升至 30）；

·       納米 Al?O?與碳納米點（CNDs）結合：Al?O?抑制空間電荷，CNDs 賦予材料抗紫外老化能力（經 1000h 紫外照射后擊穿場強保留率＞90%）。

3. 工程化應用案例

·       高壓電纜附件：在 110kV 交聯聚乙烯電纜終端中，采用納米 SiO?/ 環氧樹脂復合材料替代傳統材料，其擊穿場強提升 25%，運行溫度上限從 90℃提高至 110℃，使用壽命延長至 30 年以上；

·       干式變壓器：納米復合絕緣材料制成的變壓器繞組，在相同體積下額定電壓可提升 15%-20%，且無需絕緣油，降低了火災風險；

·       新能源設備：在光伏逆變器中，納米復合絕緣材料可耐受 DC 1500V 高壓，且耐濕熱性能優異（在 85℃/85% RH 環境下 1000h 無擊穿）。

五、挑戰與展望

盡管環氧樹脂基納米復合絕緣材料的研究取得了突破，但仍面臨以下挑戰：

·       分散均勻性：工業化生產中難以實現納米填料的批量均勻分散，導致性能波動（標準差＞10%）；

·       成本控制：納米填料及改性劑價格較高（如納米 h-BN 單價約 2000 元 /kg），限制了大規模應用；

·       長期可靠性：在復雜工況（如冷熱循環、機械振動）下，界面區可能發生老化開裂，影響長期性能。

未來研究需聚焦于：

1.       開發低成本、高分散性的納米填料制備技術（如原位生長法）；

2.       建立界面結構與擊穿性能的定量關系模型，實現 “按需設計"；

3.       開展長期老化試驗（如加速壽命測試），積累工程應用數據。

結語

環氧樹脂基納米復合絕緣材料通過納米尺度的界面調控和微觀結構優化，顯著提升了耐電壓擊穿性能，為高壓電氣設備的小型化、高可靠性發展提供了新方案。隨著材料設計理論的完善和制備工藝的成熟，這類材料有望在電力、新能源、航空航天等領域發揮更大作用，推動絕緣技術從 “經驗化" 向 “精準化" 升級。而標準化的測試方法（如基于 LDJC 系列試驗儀的擊穿試驗），則為材料性能評估提供了科學依據，確保研究成果與工程應用的有效銜接。

參考文獻

[1] Liu J, Li S T, Wang Y X, et al. Investigation of temperature-dependent DC breakdown mechanism of EP/TiO? nanocomposites [J]. Applied Physics Letters, 2022, 120 (13): 132901. 
[2] 劉艷玲。環氧樹脂基納米復合絕緣材料的耐電壓擊穿性能研究 [D]. 華北電力大學 (北京), 2021. 
[3] 劉澤。納米二氧化硅 / 環氧樹脂復合材料的電樹枝及擊穿特性研究 [D]. 太原理工大學，2020. 
[4] Li Z H, Chen X R, Zhang X M, et al. Investigation on the electrical and mechanical properties of inorganic CaCO? oligomers and organosiloxane modified epoxy resin [J]. Journal of Materials Science & Technology, 2025, 122: 127-135. 
[5] Zhang J, Zhang Y, Wang Y, et al. Investigation on relationship between breakdown strength enhancement of composites and dielectric characteristics of nanoparticle [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2018, 25 (4): 1248-1254. 
[6] 楊瑞康。納米 ZnO 添加對環氧樹脂介電性能及抗電樹性能影響的研究 [D]. 西安交通大學，2021. 
[7] 李麗。基于納米復合的高壓電機用環氧云母絕緣的電性能研究 [D]. 太原理工大學，2020. 
[8] 王川，徐航，朱寧，等。復合絕緣子芯棒用高導熱環氧樹脂氮化硼復合材料表面耐電痕特性研究 [J]. 高電壓技術，2025, 51 (1): 241-248. 
[9] 李軍浩。環氧樹脂 / 納米填料復合材料的制備工藝與性能研究 [D]. 西安交通大學，2005.