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热点 | 高端绝缘“纳米纸”开启绝缘材料新时代

随着电动机、变压器等电力设备向着大功率、小体积快速发展,对电绝缘组件的力学可靠性、耐高电压击穿能力和耐热性提出了日益苛刻的要求,云母基等高端绝缘材料广泛应用于工业绝缘领域。目前,国内企业已掌握了中低端的云母基绝缘材料技术,但高端的云母基绝缘材料严重依赖于国外进口(例如美国杜邦公司的云母/芳纶微米纸Nomex 818)。近日,湖南大学材料科学与工程学院教授王建锋团队仿生设计制备超韧高绝缘云母基纳米纸,有望打破这种困境。

高端绝缘材料新时代来临

王建锋团队研发出这种高端的云母基纳米纸材料:以芳纶微米纤维和云母为原材料,制备出云母基纳米纸(又称芳纶纸)。其断裂应变能力是目前文献报道的所有仿贝壳薄膜材料的4倍至240倍,其韧性是目前文献报道的所有仿贝壳薄膜材料的6倍至220倍,高电击穿强度每毫米达164KV,热分解温度达565℃,性能大大超过了国外的各种云母基绝缘材料。

这些优异的力学性能与高电压击穿强度(164 KV/mm)、良好的耐热性(玻璃化转变温度268 ℃,热分解温度565 ℃)、阻燃性、耐有机溶剂性能有效集成,显著超过了国外的各种云母基绝缘材料。该云母基纳米纸的拉伸强度是杜邦公司云母/芳纶微米纸Nomex 818的5倍,断裂应变是Nomex 818的45倍,耐电击穿强度是Nomex 818的5.5倍,耐热性能与Nomex 818相当。

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受贝壳珍珠层启发,王建锋团队将仿贝壳结构的理念用于云母基绝缘纸这一应用领域;实验上,将课题组最近发明的溶胶-凝胶-薄膜转换技术用于云母基纳米纸的制备。在表征该云母基纳米纸的微观结构、界面相互作用、裂纹扩展模式的基础上,结合其宏观拉伸性能,分析了微观结构与宏观力学性能之间的关系,证实三维芳纶纳米纤维框架和云母纳米片之间的耦合是大应变和高韧性的主要原因。云母纳米片和芳纶纳米纤维这两种组份材料具有固有的电绝缘性、耐热性、阻燃性、耐溶剂性,赋予云母基纳米纸优异的多功能特性;而且,高长径比纳米云母的二维几何结构、均匀的层状复合结构以及强韧的力学性能增加了云母基纳米纸的抗电压击穿能力。

为使得这种云母基纳米纸材料工业化生产成为可能,王建锋还自行设计加工了一套装置(该装置主要由注射系统、口模、水槽和传送带组成),可连续化制备出云母基纳米带,证明了该溶胶-凝胶-薄膜转换技术在工业生产上具有良好的可扩展性,使得这种技术可广泛应用于工业生产。

王建锋教授这项“造纸术”已申请发明专利,相关研究成果发表在国际纳米材料领域权威期刊《美国化学学会·纳米》上。这不单单是实验室环境的技术验证,而是实现了间歇式大面积制备,实现大规模量产在技术上已经不成问题。其在未来商业的成功,不但也能提高国内生产企业的技术水平和产品附加值,也能为我国在“纳米纸”乃至整个芳纶行业上争夺话语权,特别是中美贸易战激战正酣的大环境下。由于芳纶纸大量使用在航空、航天、船舶、电子等领域内雷达罩、次受力结构部件、绝缘隔热等零部件,在国防材料上占有举足轻重地位,从某种程度上讲,我国高科技发展受到的高端特殊材料的限制压力,丝毫不比受制于芯片等高科技核心技术的压力小。但与高投入、研发周期长、系统性强的高端核心技术相比,凭借单项技术突破实现高端绝缘材料产业的跨越式发展则相对容易。

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有报道称日本有一种成本20元的芳纶纸,销售到中国价格在1000-2500元之间。对国内企业来说无法取得技术突破,就得默默承受几十倍乃至上百倍的溢价之痛。目前,国内间位芳纶和对位芳纶有效产能分别为1万吨/年和5500吨/年,其中对位芳纶国内需求量超过1万吨/年,进口依赖度较高。和实验室研究的技术突破让我们看到国产替代的希望一样,国内相关企业的快速成长也让我们为之振奋。

国内芳纶行业龙头企业泰和新材,近年来一直积极布局芳纶纸业务,最近收购民士达特种纸业股份有限公司(民士达拥有芳纶纸产能2200吨/年,目前年产量大约500吨,拥有ABB、中航工业集团、中国中车在内的国内外200多家优质客户客户)65.02%股权、非公开发行股票募集不超5亿元配套资金,其芳纶纤维产业链日趋完善,盈利能力持续释放。其2019年报显示,受益于芳纶两大业务板块(间位、对位)的增长,公司芳纶业务实现收入10.10亿元(占比全年总营收39.72%),同比增长10.00%,对应产品毛利率约44.22%,同比去年增加6.81%,其借助满产满销的芳纶业务一举逆转其氨纶主业下行周期带来的亏损压力。目前其新建的对位芳纶新产能目前已经投放,已拥有间位、对位芳纶产能分别为7000吨/年和4500吨/年。另据泰和五年规划,其对位、间位芳纶均将扩产至1.2万吨。

随着国内企业的加速布局,芳纶产业不断向下游逐渐延伸,高性能芳纶纤维产业链会逐渐完善。在企业不断加强相关研发投入、扩张产能之外,借助高校和科研院所的在前沿技术的研究成果通过产学研的方式,实现技术优势和规模优势的有效对接,方能逐步实现进口替代,开启高端绝缘材料的新时代。

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