電絕緣材料的案例
用于電池熱管理的具有增強電絕緣性的寬溫域柔性相變材料
熱致柔性復合相變材料（CPCM）近年來在電池熱管理（BTM）領域得到廣泛應用，但其窄溫域和低電阻率不利于保障電池熱安全。
02
成果掠影
近期，河北工業大學孔祥飛教授團隊以石蠟（PA）作為相變材料，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）作為柔性支撐材料，氮化鋁（ALN）作為主要電絕緣材料，膨脹石墨（EG）作為主要導熱增強材料，成功制備出具有增強的電絕緣性能和寬溫域（25℃至60℃）的新型熱致柔性復合相變材料。ALN的添加不僅提高了CPCM的體積電阻率，還有助于材料的循環穩定性。實驗表明，最高溫度和最大溫差可分別控制在47℃和5℃以內，比自然冷卻電池低15.94℃和4.93℃。導熱系數和熱焓分別對保證溫度均勻性和最高溫度起決定性作用，這為CPCM的制備目標提供了指導。相關研究成果以“Wide-temperature flexible phase change materials with enhanced electrical insulation for battery thermal management”為題發表于《Journal of Energy Storage》。
03
圖文導讀
圖1 復合材料的制備工藝。
圖2 (a)測試平臺原理圖；(b)熱電偶設置位置；(c)高精度電池測試系統的設置。
圖3 在SBS：PA = 3：7下加入不同質量EG的泄漏試驗結果。
圖4 CPCMs隨時間推移的泄漏率。
展開 《Science Advances》：高導熱、電絕緣介電聚合物的溶液剪切！
根據Wiedemann-Franz定律，電和熱傳輸參數，即σ和κ，在某種程度上是相互關聯的，因此，通過高介電常數和介電強度以及高導熱性來測量電絕緣性能是很困難的。聚合物絕緣體由一簇分散的分子間力組成，對熱傳遞(聲子)有很強的阻力，而電子的貢獻微乎其微，這就阻礙了導熱電絕緣體的形成。先進的絕緣材料也應減輕大電壓應力(dV/dt)。傳統的方法是使用較厚的絕緣材料，以適應系統效率所需的較高電壓，但由于熱和重量問題，這種方法不太可能滿足技術指標。因此，高介電常數、低介電損耗和持續高擊穿強度的導熱聚合物絕緣子，對于承受高電壓的高功率密度電子器件是必不可少的。
其中一種非金屬熱導體是單晶金剛石，其導熱系數為2190 W m?1 K?1，這歸因于其通過晶格振動的異常有效的熱傳輸。這表明一種聚合物材料幾乎“沒有”晶體缺陷，其主鏈在宏觀上排列，以實現超高的熱導率。這個概念最早是在1977年由Gibson等人在線性非極性聚乙烯上提出的，它具有重復的-CH2單元且幾乎沒有分支。通過拉伸超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維證實了這一結果，該纖維的導熱系數高達104 W m?1K?1，高于鉑、鐵和鎳等金屬。然而，新型UHMWPE電絕緣體的形成與聚合物結晶度、晶體取向、鏈長及其分子堆積等因素有關。要成為一種能導熱的電絕緣體材料，聚乙烯的難題在于這樣一個對稱的分子真實地與低介電常數共價。
展開 具有優異的電絕緣、高導熱性能的聚合物復合材料
來源 | Composites Science and Technology
01
背景介紹
熱管理在現代工業和技術中發揮著越來越重要的作用，導熱材料已成為眾多電子產品和大型設備(包括能源設備、航天飛行器等)不可或缺的一部分。大多數金屬和陶瓷一般都是理想的導熱體，這可以分別歸因于電子熱傳導和相對完美的晶格振動。聚合物良好的可加工性和電絕緣性能使其在熱管理中不可或缺，但其隨機盤繞的共價分子鏈會產生強烈的聲子散射，由此產生的低導熱系數極大地限制了其在散熱中的應用。
通過提高分子鏈的結晶度和有序度，聚乙烯纖維、聚乙烯薄膜、聚乙烯氧化物纖維和聚苯并二惡唑纖維獲得了優異的導熱系數。這為輕質、可加工和絕緣導熱材料開辟了兩個新思路。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以其優異的力學性能、低密度、良好的耐化學性、高耐磨性等特點而備受關注。最近的研究已經擴大了在熱管理中使用聚乙烯的可能性。
超高分子量聚乙烯纖維具有較高的導熱系數和優良的絕緣性能，非常適合在電絕緣領域發展為導熱材料。目前，絕緣導熱材料主要是填充導熱填料，然而在高填充量下面臨導熱系數惡化、密度高、可加工性差等棘手問題。利用超高分子量聚乙烯纖維開發全聚合物復合材料有望解決上述問題。但目前很少有研究對超高分子量聚乙烯纖維復合材料的導熱系數進行研究，導熱系數大于10 W/mK的超高分子量聚乙烯復合材料更是罕見。
02
成果掠影
近期，北京大學白樹林教授在開發具有高導熱和電絕緣性能的聚合物復合材料取得新成果。
針對開發具有優異機械性能、電絕緣、高導熱的全聚合物復合材料，通過熱壓法制備了種具有（0°/90°、±45°）兩種取向結構的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維/環氧樹脂復合材料。
展開 高絕緣-鐵電復合微粒顯著提高柔性聚合物復合材料的靜電儲能性能
結合氮化硼的高絕緣性和鈦酸鋇的高介電常數，降低PVDF復合材料的空間電荷密度和電流密度，增強鈦酸鋇的極化，獲得擊穿強度（PVDF基體的1.76倍）和電位移（580 kV/mm時電位移為9.3 μC/cm2）的顯著提高，得到高儲能密度（17.6 J/cm3, PVDF基體的2.8倍）電介質儲能材料。
該研究工作得到了國家自然科學基金、科技部、廣東省產學研、先進院優青等項目資助。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201803204
來源：中國科學院深圳先進技術研究院
展開 
用于提高熱管理能力的高導熱且電絕緣的聚合物/氮化硼納米片納米復合薄膜
【引言】
由于其多功能性和易加工性，現代電氣系統和電子設備的熱管理應用迫切需要導熱但電絕緣的聚合物復合材料。然而，增強聚合物復合材料的導熱性通常以輕質損失、柔韌性和電絕緣性的劣化為代價。本文報告了含有定向氮化硼納米片（BNNS）的先進聚合物納米復合材料，其表現出高導熱性，優異的電絕緣性和出色的柔韌性。這些納米復合薄膜可以通過靜電紡絲聚合物/BNNS納米復合纖維，垂直折疊電紡納米復合纖維，經壓制而構建。納米復合薄膜在33wt％BNNS負載量時具有超高的面內導熱系數。此外，與原始聚合物相比，納米復合膜具有優異的電絕緣性能，例如低的介電損耗，較高的電阻率和擊穿強度。在電源器件中證明了納米復合薄膜的強大熱管理能力，這表明了管理高功率密度電子設備的熱平面內高導熱性的重要性。
【成果簡介】
導熱且電絕緣的聚合物材料已廣泛應用于發光二極管（LED）、集成電子器件、能量存儲和轉換系統，軍事武器和航空航天工業中，以實現適當的熱管理。隨著電氣系統和電子設備的快速性能演進，傳統的聚合物復合材料不能滿足熱管理的高要求。因為聚合物材料雖具有優異的電絕緣性能，靈活性和設計自由度，但低固有導熱率限制了它們在熱管理中的適用性。因此，結合聚合物的優點和填料的高導熱性的復合材料被認為是理想的解決方案。其中，六方氮化硼納米片（BNNS）由于具有超高導熱性，寬帶隙（約5.9 eV）和高縱橫比2D形態，是有前途的導熱填料。
展開 氧化鋁在導熱絕緣高分子復合材料中的應用
需要開發導熱絕緣高分子復合材料替代傳統高分子材料，作為熱界面和封裝材料，迅速將發熱元件熱量傳遞給散熱設備，保障電子設備正常運行。
1.填料的導熱機理
高分子材料本身的熱傳導系數比較小 ，所以填充型高分子復合材料導熱性能主要依賴于填充物的導熱系數，填充物在基體中的分布以及與基體的相互作用。填料用量較小時，填料雖均勻分散于樹脂中，但彼此間未能形成相互接觸和相互作用，導熱性提高不大；填料用量提高到某一臨界值時，填料間形成接觸和相互作用，體系內形成了類似網狀或鏈狀結構形態，即形成導熱網鏈。當導熱網鏈的取向與熱流方向一致時，材料導熱性能提高很快；體系中在熱流方向上未形成導熱網鏈時，會造成熱流方向上熱阻很大，導致材料導熱性能很差。
制造具有優良綜合性能的導熱材料一般有兩種途徑：一種是合成具有高熱導率的結構聚合物；另一種是在聚合物中填充高導熱性的填料。后者比較常見。一般都是用高導熱性的金屬或無機填料對高分子材料進行填充。氧化鋁（VK-L04R,VK-L600D）通常作
為填料應用于絕緣導熱高分子復合材料。
2 氧化鋁的形態及表面處理
2.1 氧化鋁（VK-L04R,VK-L600D）作為導熱絕緣材料的特點
具有導熱電絕緣性能的填料很少。常見的幾種及其熱導率分別見表1。實驗研究證明，當填料與基體熱導率之比大于100時。提高填料導熱系數已意義不大。這 就意味著應用電絕緣填料如Al2O3，MgO、BeO、AlN等可制備具有較高導熱性能的電絕緣復合材料.與其他填料相比Al2O3（VK-L04R,VK-L600D）的導熱率不高，但是其價格較低，來源較廣，填充量較大，常用作絕緣導熱聚合物的填料。Al2O3通常單獨使用或與其他填料混合使用。
展開 電驅系統-絕緣等級
前面
文章說明了一下磁性材料溫度特性密切相關的居里溫度的概念，見文章
《
磁性材料的居里溫度與工作溫度
》
，也總結
了電機
銘牌上面工作制的含義，見文章
《
電機工作制
》
。
今天總結一下電機銘牌上面另外一個與溫度相關的概念，即絕緣材料的“
絕緣等級
”。
絕緣等級
是指
電機(或變
壓器)繞組采用的所有
絕緣材料
的耐熱等級。在發電機等電氣設備中，絕緣材料是最為薄弱的環節，絕緣材料尤其容易受到高溫的影響而加速老化并損壞，不同的絕緣材料耐熱性能有區別，采用不同絕緣材料的電氣設備，其耐受高溫的能力就有不同，因此，一般的電氣設備都規定其工作的最高溫度，電動機的絕緣等級與使用的絕緣材料密切相關，絕緣材料越好，絕緣等級越高，
電機與變壓器中常用的絕緣材料等級為A、E、B、F、H、C、N、R八種。每一絕緣等級的絕緣材料都有相應的極限允許工作溫度、繞組溫升限值和性能參考溫度，見下圖。
最高工作溫度，系指電機在設計預期壽命內，運行時繞組絕緣中最熱點的溫度。
電機或變
壓器運行時，繞組
最熱點的溫度不得超過
上圖
中的規定，否則會引起絕緣材料加速老化，縮短電機或變壓器的壽命；如果溫度超過允許值很多，絕緣會損壞，導致電機或變壓器燒毀。
允許溫升是指電機的溫度與周圍環境相比升高的限度，
是由電機發熱引起的。
運行中的電機鐵芯處在交變磁場中會產生鐵損，繞組通電后會產生銅損，還有其它雜散損耗等。
這些都會使電機溫度升高。
另一方面電機也會散熱。
當發熱與散熱相等時即達到平衡狀態，溫度不再上升而穩定在一個水平上。
當發熱增加或散熱減少時就會破壞平衡使溫度繼續上升，擴大溫差，則增加散熱，在另一個較高的溫度下達到新的平衡。
展開 紫外線傳感器UV-Arc用于電力行業配電柜中絕緣不良導致的電火花和電暈檢測
最后推薦一款用于電力行業配電柜中絕緣不良導致的電火花和電暈檢測的紫外線傳感器，由工采網從德國進口的防水紫外線傳感器 - UV-Arc,UV-Arc是一種防水傳感器，帶有一個螺紋車身(G3/4”)，將用于列車上，根據en50317測量弓幅的強度和長度。這表示受電弓和接觸網之間的接觸質量，并允許在鋼軌網絡內的鋼絲繩上找到缺陷的位置。UV-Arc傳感器是為這個特殊應用而配置的。它包含一個非常敏感的光電二極管和一個額外的fi lter來抑制太陽UVB的靈敏度。時間常數被調整到典型的電弧長度和金屬外殼提供高的電磁兼容性安全。
電線電纜絕緣及護套材料的技術分析
所以，在電線電纜質量方面出現的安全問題層出不窮，這主要是在電線電纜研制的過程使用材料不符合要求，主要集中在絕緣及護套材料使用不規范、不標準，使得電線電纜質量問題在社會群眾中影響極大，為此，我國的質量監督部門制定了相關的規章制度，明確了使用符合標準的絕緣及護套材料，同時需要工廠對生產材料進行嚴格的檢查和管理，以提高電線電纜在使用過程中安全性得到有效保障。據相關部門統計，當前電線電纜在產品的檢測過程中，有85%的檢測項目集中在絕緣及護套材料的使用。從中我們可以看到絕緣及護套材料與電線電纜有著密不可分的關系，如果電線電纜的使用的絕緣及護套材料生產成本降低，影響到電纜的使用壽命不言而喻，也再次證明使用絕緣及護套材料對于電力電纜作用的發揮，有著至關重要的作用。
二、如何對符合標準的絕緣及護套材料的選取
在電線電纜的生產中，我們可以看到不同的企業在選擇電線電纜基礎材料時，一般都使用國家規定的權威組織發布的材料標準進行工藝的生產，并且在采購過程中，也是嚴格按照相關權威部門規定的生產工藝、試驗手段、驗收依據進行生產的，但依然存在一些誤差，這主要是由于依據標準只是作為一種參考，而大多數企業要選取合適的材料時，不僅僅是盲目的依照權威機構的規矩執行，而是要根據生產電線電纜的質地標準進行選取絕緣及護套材料，這樣不僅不會導致電線電纜生產質量完全達標，而且也是一種控制絕緣及護套材料的有效方法，既保證的電線電纜的質量又降低電纜企業的成本支出。因此在選取符合的絕緣及護套材料，首先要需要在參考材料標準，其次是尋求適合自身實際生產的原材料，這樣生產出的電線電纜質量才符合人民的生產生活需要。
展開 變壓器用絕緣材料分析盤點
絕緣材料是變壓器中最重要的材料之一，其性能及質量直接影響變壓器運行的可靠性和變壓器使用壽命。近年來，變壓器產品所采用的新絕緣材料層出不窮。隨著科學技術的迅速發展，電機、變壓器等電氣設備的應用日益廣泛。而變壓器運行的可靠性和使用壽命卻在很大程度上取決于其所使用的絕緣材料。絕緣材料越來越為從事變壓器設計和制造人員所重視。近二十年來，變壓器絕緣材料方面的新產品、新技術、新理論不斷地涌現和發展，從而使變壓器絕緣材料及其應用形成了一門很重要的學科。
絕緣材料又稱電介質，是電阻率高、導電能力低的物資。絕緣材料可用于隔離帶電或不同電位的導體，使電流按一定方向流通。在變壓器產品中，絕緣材料還起著散熱、冷卻、支撐、固定、滅弧、改善電位梯度、防潮、防霉和保護導體等作用。絕緣材料按電壓等級分類：一般分為：Y（90℃）、A（105）、E（120℃）、B（130℃）、F（155℃）、H（180℃）、C（大于180℃）。變壓器絕緣材料的耐熱等級是指絕緣材料在變壓器所允許承受的最高溫度。如果正確地使用絕緣材料，就能保證材料20年的使用壽命。否則就會依據8℃定律（A級絕緣溫度每升高8℃，使用壽命降低一半、B級絕緣是10℃，H級是12℃。這一規律被稱為熱老化的8℃規律）降低使用壽命。由高聚物組成的絕緣材料的耐熱性一半比無機電介質低。
絕緣材料性能與其分子組成和分子結構密切相關。
展開 常用的幾種電線電纜絕緣材料
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絕緣層與保護層、屏蔽層、護套層、導體線芯一樣，是構成電線電纜必須的基本構件。它確保導體線芯傳輸的電流或電磁波、光波只沿著導線行進而不流向外面，同時也確保外界物體和人身的安全。今天的電線電纜絕緣材料中，塑料和橡膠兩大類有面高分子材料已占主導材料，衍生出類型繁多的適用于不同用途和環境要求的電線電纜產品。
下面介紹生產生活中最常用的幾類電線電纜絕緣材料
第一類聚氯乙烯(PVC)料
聚氯乙烯塑料價格便宜，特理機械性能較好，擠出工藝簡單，比重輕，耐油和耐腐蝕好。同時，氯乙烯(PVC)性能參數一般，多用來制造1KV及以下的低壓電線電纜。采用添加了電壓穩定劑的聚氯乙烯(PVC)絕緣料，允許生產6KV級電纜。
聚氯乙烯(PVC)有一定阻燃料，但燃燒時會釋放一毒煙氣，不宜用于著火燃燒時需要滿足低煙、低毒要求的場合。同時聚氯乙烯(PVC)線纜也不適用在含有苯及苯胺類、酮類、吡啶、甲醇、乙醇、乙醛化學劑土質中，不宜用在含有三氯乙烯、 三 氯 甲 烷 、四氯化碳、二硫化碳、冰醋酸環境中。
第二類:交聯聚乙烯(XLPE)
交聯聚乙烯(XLPE)電絕緣性能優越，經過高分子交聯后成為熱固性材料，機械性能和耐熱性好。已成為中、高壓電力電纜的主導品種。交聯聚乙烯(XLPE)也具有結構簡單，制造方便，比重輕，敷設方便、耐腐蝕、做終端和中間接頭簡單。交聯聚乙烯(XLPE)不含鹵素，不阻燃，燃燒時不會產生大量毒氣及煙霧，若添加阻燃劑，會使機械性能及電氣性能下降。交聯聚乙烯(XLPE)對紫外線照射敏感。
展開 
【技術帖】新能源汽車驅動電機絕緣材料解決方案
當漆包線難以達到更高電壓所需的絕緣層厚度和介電性能時，綜合性能更勝一籌的KetaSpire? PEEK，可擠出加工成不同規格的矩形電磁線，以改善電機內部空間的利用，提高槽滿率，加大扭矩和功率，促進電機尺寸和重量下降，實現創新的繞組設計。目前這種線纜已廣泛用于當今主流混合動力車型。
對于要求更為苛刻的電機設計，KetaSpire? PEEK 擠出層涂布可以用于更關鍵的繞組，經實踐檢驗，不用擔心PDIV（局部放電起始電壓）和耐高溫特性。
索爾維為驅動電機的多種電子元器件提供材料解決方案
索爾維為輪轂電機創新提供材料解決方案
2. 為槽絕緣內襯提供完美的性能
除電磁線外，索爾維還為驅動電機市場推出了另一種關鍵的槽絕緣內襯材料解決方案。
該方案建議定子采用厚度為50～200 μm 的AjediumTM PEEK 薄膜，使其在高溫下具有更高的介電強度，而且導熱性優于絕緣紙，在溫度高于220℃時，機械強度更高。
轉子槽絕緣內襯的常規材料為Xydar? LCP，當組件厚度為300～800 μm、長度為100～200 mm時，具有優異的加工流動性和完美的電氣性能。索爾維希望幫助客戶注塑加工出量身訂制的導熱型薄壁組件。
3. 為驅動電機電子元器件保駕護航
驅動電機的最新發展趨勢給內部連接器、高壓連接器、旋轉變壓器、線軸和端子等電子元器件及其絕緣材料帶來了新的技術挑戰。未來，許多二次注塑絕緣元器件都需要導熱、阻燃，甚至抗熱沖擊；許多OEM 要求電動汽車部件達到V-0 級阻燃，并耐ATF（自動變速箱油）化學腐蝕，即材料在ATF 工況下必須非常穩定。
展開 一種具有高導熱和絕緣性的PBO納米復合材料
此外，為了避免微電子元件之間形成短路電流和信號相互干擾，聚合物基復合紙應具有優異的電絕緣性，以滿足實際電子工程中的應用。雖然導熱聚合物基體(聚四氟乙烯、聚酰亞胺、芳綸和纖維素納米纖維等)復合紙由于其成本低、加工工藝簡單，但其本身耐熱性差或機械性能差，在工業上得到了廣泛的應用。或者低導熱率限制了它們的應用，不再保證高端電子電器熱管理領域的穩定性和可靠性。
在已知的有機纖維中，PBO纖維具有最高的熱分解溫度(650℃)、最佳的拉伸強度(5.8 GPa)和拉伸模量(280 GPa)，被譽為21世紀的超級纖維。最近的研究表明，通過有機酸剝離得到的PBO納米纖維(PNF)可以保留PBO纖維優異的力學性能和耐熱性。此外，它們的內部含有高度定向的分子鏈和原始結晶度，具有比普通聚合物基體更好的導熱性，在導熱聚合物基復合紙領域具有廣闊的應用前景
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成果掠影
近期，西北工業大學顧軍渭/重慶師范大學Tang Yusheng團隊通過“溶膠-凝膠”薄膜轉化工藝將表面功能化的氮化硼(m-BN)與聚對苯撐苯并二噁唑納米纖維(PNF)均勻復合，制備出仿貝殼珍珠層結構的m-BN/PNF納米復合紙。本文采用“高溫固相&重氮鹽分解”法制備了聯苯胺功能化氮化硼(m-BN)。隨后，通過溶膠-凝膠膜轉化法制備了m-BN/聚(苯并苯并異惡唑)納米纖維(PNF)納米復合紙。由于m-BN和PNF之間存在廣泛的氫鍵和π -π相互作用，以及穩定的模擬納米層狀結構，所獲得的m-BN/PNF納米復合紙具有優異的導熱性、令人難以置信的電絕緣性、出色的機械性能和熱穩定性。其λ∥和λ⊥分別為9.68和0.84 W/mK，體積電阻率和擊穿強度分別高達2.3× 1015 Ω.m和324.2 kV/mm。
展開 絕緣≠不可能，現在這個材料可以3D打印啦！
聚酰亞胺薄膜（KAPTON）是一種很強大的材料，是杜邦公司在20世紀60年代開發的一種材料，一般作為薄膜生產。此前在3D打印中起絕緣作用。
但沒有人打印過KAPTON。如果能打印，這一定是件好事，因為這種材料具有令人難以置信的抵抗幾乎所有環境風險的能力，包括許多化學品，紫外線和電流。它還具有550℃的耐高溫性，遠遠高于任何其他常用聚合物。
如果用這種材料3D打印物體，他們可以用于室外，高溫以及其他許多場景，是當前許多材料無法做到的。
而現在，美國弗吉尼亞理工大學的研究人員開發了“DIW”（直接墨水寫入）的3D打印過程，將KAPTON顆粒與溶劑混合，使用常規3D打印三軸設置擠出成所需的形狀，然后經過沉積，UV光固化，以及后處理去除溶劑保留純KAPTON部分。
由此打印所得的部件具有與KAPTON一樣的特性，可經受約400℃的溫度，變形溫度也僅略低于550℃。
目前高溫的3D打印部件只有陶瓷和金屬，這項技術是一個相當大的發展。雖然目前還處于技術研究階段，但這項技術有商業化的價值。
來源：3D打印世界
展開 上海交大黃興溢教授、鮑華教授合作《AFM》：高導熱輻射熱制冷絕緣材料
同時該薄膜好具有良好的戶外耐候性、柔韌性、阻燃性，以及具有較低的介電常數（<4）與介電損耗（10-3），有利于其應用于戶外5G通訊設備，不會阻礙信號的傳播。
該研究對2D介電納米片在輻射制冷中的應用提出了新的見解。基于此，通過在柔性聚合物薄膜中引入2D h-BN 散射體制備出了具有優異性能的高導熱輻射制冷薄膜。相信，關于2D介電納米片的新的理解還可推廣到輻射制冷之外的光、熱管理應用領域。
全文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109542
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