纸能包住火,还能抗电击。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。工业上,纯云母纸、叠压云母带、云母/芳纶纸等云母基绝缘材料广泛用于绝缘领域;目前,中低端的云母基绝缘材料已被国内企业所掌握,然而高端的云母基绝缘材料严重依赖于从国外进口(例如美国杜邦公司的云母/芳纶微米纸Nomex 818)。


针对这一现实情况,湖南大学王建锋教授课题组基于剥离的芳纶纳米纤维和云母纳米片,运用仿生结构设计理念,采用溶胶-凝胶-薄膜转换技术,大面积制备出云母基纳米纸,显示了超大的应变(78.9%)和超高的韧性 (109 MJ/m3),其断裂应变是之前文献报道的仿贝壳薄膜材料的4-240倍,其韧性是之前文献报道的仿贝壳薄膜材料的6-220倍(见图1a)。


更重要的是,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(见图1b)。例如,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。


最新仿生设计制备超韧高绝缘云母基纳米纸 能包火抗电击


图1 云母基纳米纸的性能。a) 云母基纳米纸和已报道仿贝壳薄膜材料的断裂应变和韧性比较,红色五角星对应云母基纳米纸,灰色区域中黑色正方形对应之前文献报道的仿贝壳薄膜材料。b) 云母基纳米纸和国外商业化云母基微米纸的综合性能比较,红色线为云母基纳米纸,粉色线为纯云母纸,土黄色线为叠压云母带,绿色线为云母/芳纶复合纸,蓝色线为纯芳纶纸。


自然界中,贝壳珍珠层由大量碳酸钙片和少量甲壳素纳米纤维等有机物组成,高强度的甲壳素纳米纤维构成了三维有机层状框架,大量碳酸钙片有序嵌入到该三维框架中,形成层状复合结构,使得贝壳珍珠层在线弹性变形后能够屈服并产生塑性变形,达到高拉伸强度和高韧性。在受贝壳珍珠层启发的基础上,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(Advanced Functional Materials, 2019, 29, 1903876)。具体地,将商业化芳纶微米纤维在二甲基亚砜/强碱体系中通过去质子化剥离成纳米纤维,并将其与剥离的单层云母纳米片混合,形成粘性溶胶;接着采用水浸泡重新质子化的方法将溶胶转变为水凝胶,微观上,芳纶纳米纤维在整个水凝胶中被组织成高度缠结的牢固三维网络结构,云母纳米片均匀分布在该网络中;最后,干燥水凝胶将其转换为大面积层状复合薄膜,微观上,云母纳米片有序嵌入到三维芳纶纳米纤维框架中,形成层状复合结构(见图2)。


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图2 采用溶胶-凝胶-薄膜转换技术制备大面积云母基纳米纸。a) 剥离芳纶纳米纤维的TEM,b) 云母纳米片的AFM,c) 由溶胶转换而来的水凝胶,d) 由水凝胶转换而来的大面积云母基纳米纸,e, f) 冻干水凝胶的SEM,g, h) 云母基纳米纸的横截面SEM,i) 云母基纳米纸的多尺度结构示意图。


在上述间歇式大面积制备的基础上,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。基于该装置,实现了云母基纳米纸的连续化制备,证明该溶胶-凝胶-薄膜转换技术在工业生产上具有良好的可扩展性。


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图3 将溶胶-凝胶-薄膜转换技术进一步扩展为连续化制备云母基纳米纸。a) 设计加工的装置,b) 口模,c) 水凝胶,d) 连续的云母基纳米纸,e) 打结的云母基纳米纸,f) 云母基纳米纸在手动反复扭搓后不会破损。


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。


该研究成果发表在《ACS Nano》上,题目为“A Bioinspired Ultratough Multifunctional Mica-Based Nanopaper with 3D Aramid Nano?ber Framework as an Electrical Insulating Material”。硕士生曾繁展为第一作者,王建锋教授为通讯作者。


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文章链接为:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b07192


相关研究获美国化学会新闻杂志《化学与工程新闻》(Chemical & Engineering News, C&EN)报道,报道链接为:


https://cen.acs.org/materials/Mica-meets-motherpearl-make-ultratough/98/i5


在报道中,美国密歇根大学材料科学家Nicholas Kotov教授评论:“The properties are quite exciting and off the charts to some degree. These are very significant parameters for numerous applications.” (这些性能非常令人兴奋,在某种程度上打破了记录。对于许多应用来说,这些都是非常重要的性能参数)。该研究成果已申请发明专利。


文章来源: 湖南大学

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