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  隨著高壓輸電系統(tǒng)的電壓等級提升和電力電子器件的集成化發(fā)展，用于絕緣保護(hù)的聚合物材料面臨著愈發(fā)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其中靜電放電和局部電場畸變是導(dǎo)致絕緣失效的主要因素。為解決這些問題，電場相關(guān)的非線性電導(dǎo)材料應(yīng)運而生：在低電場下保持高絕緣性，在高電場下快速疏散電荷，防止絕緣失效。然而，這類材料通常需要較高的填料填量（約25 vol%），這不僅劣化了低電場下的絕緣性能，還不適用于規(guī)模化制備。此外，高電場下產(chǎn)生的焦耳熱會形成溫度梯度，進(jìn)一步加劇電場畸變。因此，在降低滲流閾值的同時，必須考慮材料的熱管理能力，而這在以往的策略中尚未得到有效解決。

  近日，華南理工大學(xué)謝從珍教授團(tuán)隊在絕緣聚合物基體內(nèi)部設(shè)計了一種新型三維微結(jié)構(gòu)，將碳化硅材料負(fù)載于海藻酸鈉氣凝膠上，在極低含量下構(gòu)建了填料連通網(wǎng)絡(luò)。通過浸漬固化制備的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的非線性電導(dǎo)率和超高熱導(dǎo)率（3.86 W m^-1 K^-1）。海藻酸鈉氣凝膠具有高比表面積和良好的連通性，在低填充條件下即可促使SiC形成三維互連的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，賦予聚合物復(fù)合材料在高電場下快速消散電荷的能力。此外，具有良好熱導(dǎo)率的SiC網(wǎng)絡(luò)有效分散了聚合物高場下非線性電行為所產(chǎn)生的焦耳熱，防止因熱量積累對材料電氣性能造成不利影響。這一策略結(jié)合了非線性導(dǎo)電特性、高效熱管理能力和低填料含量的優(yōu)勢，拓展了電場自適應(yīng)材料在高溫條件下的應(yīng)用前景。

圖 1. (a) 海藻酸鈉氣凝膠的制備方法 (b)海藻酸鈉-碳化硅骨架及其環(huán)氧復(fù)合材料的制備方法

圖2. (a) SA-SiC₁, (b) SA-SiC_7.5, (c) SA-SiC₁₅骨架的截面SEM圖像以及局部放大圖

  通過電導(dǎo)率測試，發(fā)現(xiàn)在輕負(fù)載下復(fù)合材料即表現(xiàn)出典型的非線性電導(dǎo)特性，即電導(dǎo)率隨電場的增加而迅速增長。這是由于碳化硅表面具有二氧化硅薄層致使表面能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲，導(dǎo)致載流子在相鄰碳化硅粒子間的非線性輸運行為。相比之下，SiC隨機分布的 EP/SiC₂₀仍是一種線性絕緣材料，直到填充體積分?jǐn)?shù)達(dá)到25 vol%時，才會表現(xiàn)出非線性電導(dǎo)特性。并且EP/SiC₂₅的閾值電場仍顯著高于EP/SA-SiC₁，這是由于孤立的SiC顆粒之間仍存在著厚度約為15納米的環(huán)氧樹脂薄層。

圖3. (a-d) EP/SiC和三種負(fù)載模式下EP/SA-SiC的電導(dǎo)率測試結(jié)果 (e, f) 碳化硅-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電場分布仿真結(jié)果 (g) EP/SA-SiC₅, EP/SA-SiC₁₀ 和EP/SA-SiC₁₅的ln (J/R·T²) 與E^1/2關(guān)系 (h, i) EP/SA-SiC₁, EP/SA-SiC_7.5 和 EP/SA-SiC₁₅的介電常數(shù)和正交損耗

圖4 (a, b) EP/SA-SiC₁₀和EP/SiC₂₅ 的變溫電導(dǎo)率測試結(jié)果 (c-e)熱管理能力驗證試驗

  基于本研究方法制備的非線性電導(dǎo)環(huán)氧復(fù)合材料在極低填充量下即具有優(yōu)異的非線性電導(dǎo)特性和導(dǎo)熱性能，利用氣凝膠骨架構(gòu)建填料網(wǎng)絡(luò)以及基于負(fù)載結(jié)構(gòu)調(diào)控閾值場強等參數(shù)的方法可能為其他復(fù)合材料領(lǐng)域研究提供新思路。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1007/s42114-024-00984-6