【原】华北电力大学范晓舟、杨瑞 等：短切纤维含量对间位芳纶纸性能影响及其构效关系机理分析

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随着新能源电力系统技术的不断进步，具备高绝缘性能的间位芳纶纸材料，在高端电力设备中的广泛应用趋势已愈发显著，成为领域内不可忽视的重要发展方向。华北电力大学律方成教授团队研究了短切纤维含量对间位芳纶纸绝缘性能和力学性能的影响及其构效关系机理。研究了不同短切纤维含量的对间位芳纶纸样品，测试了拉伸强度、杨氏模量、击穿强度、体电导率和电荷陷阱特性，将不同纤维含量样品的测试结果进行对比，并结合相场击穿模拟和分子动力学仿真分析了其构效关系机理。

研究背景

间位芳纶是一种具有优秀的电气绝缘性能及化学稳定性的高分子聚合物材料。以其为原料制备的绝缘纸相较于纤维素纸具有更高的绝缘强度，以及耐高温、耐腐蚀、高阻燃等优异性能，是一种符合新型电力系统对绝缘材料的更高性能需求、具有更高附加价值的特种绝缘纸。然而从间位芳纶纸被研发至今一直被美国杜邦公司垄断，因此开展针对间位芳纶纸制备工艺国产化的研究刻不容缓。

论文所解决的问题及意义

1、间位芳纶纸通常包含两种组分，即短切纤维与沉析纤维。其中，短切纤维是长程有序的高结晶态，而沉析纤维呈现无定形态。由于两相物质不同，各组分含量对两相物质的复合匹配度产生极大影响。本文首先探究短切纤维含量对间位芳纶纸微观结构的影响。

2、揭示短切纤维含量对间位芳纶纸机械性能及电学性能的影响。

3、基于分子动力学与有限元仿真，对短切纤维与沉析纤维之间的分子间作用力进行定量及定性分析，进而揭示短切纤维含量对间位芳纶纸性能的影响机制。

论文方法及创新点

为了揭示短切纤维含量对间位芳纶结构及性能的影响机制，制备了不同短切纤维含量的间位芳纶纸。从图1中的各样品微观结构分析，当间位芳纶纸中短切纤维质量分数在30%及以下时，纸张很好地保留了这种层状结构，而在短切纤维质量分数达到40%时，这种结构遭到了严重破坏。

图1 各纸张样品表面和截面SEM图

为了深入揭示短切纤维对间位芳纶纸性能的影响机制，我们首次结合了相场击穿模拟与分子动力学仿真方法。相场模拟用于研究放电发展过程，而分子动力学仿真则从微观分子层面揭示材料的结构与性能关系，如图2和图3所示。

图2 分子动力学仿真模型构建及计算结果

图3 相场击穿模型及模拟结果

结论

1、不含短切纤维的间位芳纶纸表面呈现出非常致密的结构，随着短切纤维的引入，短切纤维之间以及与浆粕的界面处开始出现明显缺陷。同时热压工艺给间位芳纶纸带来了一种分层结构，当短切纤维质量分数达到40%时，这种结构遭到了严重破坏。但短切纤维质量分数为30%时，短切纤维在该样品中出现了一种“交联层状”结构。

2、不含短切纤维的样品展现出最差的力学性能，随这短切纤维含量的增加，纸张的抗拉性能逐渐增强，并在其质量分数为20%时达到最佳，其拉伸强度和杨氏模量分别较纯浆粕纸提升31.8%和30.6%。 

3、间位芳纶纸样品的最佳绝缘性能出现在短切纤维质量分数为30%时，其击穿强度达到180.9kV/mm，同时也表现出最高的陷阱深度及最低的电导率，其交联结构弥补了界面缺陷，带来了对载流子迁移有更有效的阻碍作用。

团队介绍

华北电力大学高性能电介质材料基因设计与配方、装备研发实验室隶属于新能源电力系统全国重点实验室，从事的主要工作包含：新型电工绝缘材料的研究与器件应用；新型电介质材料的设计与研发。团队带头人为律方成教授，共有副教授2人，博士生3人，研究生12人。团队长年招收电气、电子专业硕士生。

律方成

华北电力大学教授、博士生导师，国务院政府特殊津贴专家。现任河北省输变电设备安全防御重点实验室主任，华北电力大学海南热带新型电力系统研究院院长，兼任中国电机工程学会高电压专委会专委会副主任委员。主要研究领域：电气设备状态监测与故障诊断，电工新材料，智能电气设备，虚拟现实/增强现实技术在电力系统中应用等。

樊思迪

华北电力大学副教授、硕士生导师。主要研究领域：新型电工绝缘材料的研究与器件应用；新型电介质材料的设计与研发。Email：[e-mail]

本工作成果发表在2024年第21期《电工技术学报》，论文标题为“短切纤维含量对间位芳纶纸性能影响及其构效关系机理分析“。本课题得到中央高校基本科研业务费专项资助项目的支持。

引用本文

范晓舟, 杨瑞, 樊思迪, 刘云鹏, 律方成. 短切纤维含量对间位芳纶纸性能影响及其构效关系机理分析[J]. 电工技术学报, 2024, 39(21): 6921-6931. Fan Xiaozhou, Yang Rui, Fan Sidi, Liu Yunpeng, Lü Fangcheng. Effect of Chopped Fiber Concentration on PMIA Paper Properties and Analysis of Structure-Activity Relationship Mechanism. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(21): 6921-6931.