图1 填料改性示意图
Fig.1 Schematic diagram of filler modification
摘要 为增强间位芳纶绝缘纸的电绝缘及导热性能，该文选取了球形氮化铝（AlN）和片形氮化硼（BN）两种填料，采用聚多巴胺和硅烷偶联剂对填料表面进行化学修饰后，将填料掺入间位芳纶基体中。利用湿法抄造技术，制备了AlN/BN复配改性的间位芳纶绝缘纸试样，对其微观形貌、击穿场强、体积电导率以及面外热导率进行表征测试。结果表明，在复配改性体系中，当AlN和BN的复配质量比为3:7时，样品出现最优的击穿场强为186 kV/mm，较纯芳纶纸提升66.07%；而当复配质量比为7:3时，其面外热导率高达0.671 W/(m·K)，较纯芳纶纸提升213.6%。基于密度泛函理论对基体和填料的能带结构进行计算分析发现，AlN和BN的引入在基体和填料界面形成了“阶梯陷阱”，进一步提高了电子跃迁势垒，抑制了击穿时漏电流的形成和发展。此外，借助相场法分析了不同复配比例下填料对基体电流密度和电场畸变的影响，发现AlN/BN的复配结合有助于均化电场分布，提高复合体系的绝缘强度。
关键词：间位芳纶 氮化硼 氮化铝 击穿场强 面外热导率
换流变压器是特高压直流输电系统中的关键设备，其中油纸绝缘结构中绝缘纸的耐压性能是影响变压器安全稳定运行的重要因素之一[1-2]。间位芳纶（Meta-Aramid, PMIA）作为一种兼具优异绝缘强度和热力学稳定性的特种纤维[3]，被认为是下一代绝缘纸的理想基材。然而，其本征面外热导率小于0.21 W/(m·K)，无法满足在高温环境下的长期服役，局部热量积聚往往会加速材料老化[4]，使得设备损耗[5]甚至引发热击穿等故障危害[6]，严重影响变压器的使役性能。
目前，在聚合物基体中掺杂陶瓷填料通常被认为是提高材料导热性能的有效方法[7-8]，常用的陶瓷填料包括Al2O3、AlN、SiC及BN等[9-11]。其中，AlN作为一种具有高导热性能的陶瓷微粒，其击穿场强超过400 kV/mm，面外热导率高达150 W/(m·K)，近年来被广泛用作高聚物导热性能的增强相[12]。Wu Guanglei等采用粉末加工技术制备了改性氮化铝颗粒/聚苯乙烯（Polystyrene, PS）复合材料（AlN/PS），研究了不同质量分数下AlN复合材料的导热性能和介电性能。与纯PS相比，AlN/PS复合材料的热导率从0.189 W/(m·K)提高至0.418 W/(m·K)[13]。律方成等将表面进行抗水解处理后的AlN填料掺入芳纶基体中，当填料质量分数为40%时，改性芳纶纸的面外热导率提升至0.277 W/(m·K)[14]。Yang Rui等将不同偶联剂修饰后的AlN微粒掺入芳纶纤维中，以期加强填料与基体的界面作用，结果表明经硅烷偶联剂KH560修饰后的AlN对芳纶基体致密程度提升效果最明显，面外热导率达到0.302 W/(m·K)[15]。然而上述改性方法仍存在一定的局限性。一方面，AlN的微粒形貌使其在聚合物中大多呈现“孤岛”态聚集分布，较难形成完整的导热路径，这对面外热导率的提升十分有限。此外，提升面外热导率对填料掺杂含量具有较高要求，过量掺杂往往会诱发团聚效应，破坏聚合物基体结构，损伤基体本征绝缘性能与力学性能[16-17]；另一方面，AlN的相对介电常数为7～9，芳纶基体的相对介电常数为2～3，存在较大的差异，两种物质介电常数的失配在交变电场下将引发电场畸变，不利于复合材料绝缘强度的提升。因此，亟须寻求一种能够协同提升绝缘性能和导热性能的改性策略。考虑到填料的掺杂效果与其含量、形貌以及基体性质有关，研究人员开展了单一填料间的粒径复配、形貌复配及定向分布等掺杂研究[18-19]，而对不同类型填料间的复配和掺杂设计鲜有报道。六方氮化硼（BN）纳米片作为一种高横纵比的片形填料，易在聚合物基体中形成导热路径，且其宽禁带特性能够在界面相中形成更高的电子跃迁势垒，进一步限制载流子迁移，从而提升复合材料的绝缘性能[20-21]。
本文选取AlN和BN两种填料对芳纶纸进行复配掺杂改性，首先分别对两种填料表面进行聚多巴胺（Polydopamine, PDA）包覆和硅烷偶联剂KH550修饰，以提升其分散性；然后，通过调控掺杂比例，制备了不同掺杂含量的AlN-BN/PMIA复合绝缘纸，进行微观结构表征并测试其击穿场强、面外热导率等性能，研究两种填料复配比例对材料绝缘性能及导热性能的影响；最后，基于密度泛函理论进行能带结构计算分析，提出一种“阶梯电荷陷阱”的复配设计理念，同时借助相场法构建复合击穿模型，解释性能提升的内在机理，可为今后复合绝缘纸的掺杂设计提供新思路。
间位芳纶纤维由赣州龙邦材料科技有限公司提供；AlN（六方氮化铝（球形），1 μm）、BN（六方氮化硼（片形），1 μm）购自上海超威有限公司；无水乙醇购自上海阿拉丁生物化学技术有限公司；磷酸购自上海益恩化工科技有限公司；盐酸多巴胺（DA）和Tris-氨基甲烷盐酸盐（Tris-HCl）购自合肥博美生物技术有限公司；硅烷偶联剂KH550购自广州龙凯化工有限公司；聚氧乙烯粉末（PEO）购自住友化学株式会社，并配置质量分数为0.052%的水溶液。上述试剂的纯度均为分析纯（Analytical Reagent, AR），可直接使用。
由于AlN在水中易发生水解，为避免其在后续的改性过程中水解失效，首先对其进行磷酸钝化处理[19]。取10 g磷酸钝化后的AlN粉末与200 mL去离子水在烧杯中混合，超声分散5 min。然后向悬浊液中先后加入0.1 g DA和0.3 g Tris-HCl，在25℃下以800 r/min的转速磁力搅拌12 h。将得到的悬浮液进行抽滤，并用去离子水多次洗涤，随后在120℃下烘干5 h取出备用。
填料改性示意图如图1所示。首先对填料进行PDA包覆。DA在Tris-HCl缓冲液中发生水解，自聚合形成PDA，包覆在填料表面，形成表面PDA薄层，进而得到PDA-AlN。然后对填料进行硅烷偶联剂接枝。将KH550、去离子水、无水乙醇以1:10:90的质量比例混合，在60℃下以800 r/min的转速搅拌10 min。再将PDA-AlN以20份质量比加入混合溶液中，在80℃下以800 r/min的转速磁力搅拌12 h。最后使用去离子水洗涤、过滤、干燥后得到经硅烷偶联剂修饰的AlN粉末。对BN粉末进行同样的PDA包覆与硅烷偶联剂接枝处理，流程参数与AlN相同[22-25]。
图1 填料改性示意图
Fig.1 Schematic diagram of filler modification
AlN/BN复配改性芳纶纸的制备流程如图2所示。首先，将2 000 mL去离子水、130 mL PEO溶液及2.8 g干燥的沉析纤维倒入纤维解离器中，以3 000 r/min的速度解离5 min；其次，加入1.2 g短切纤维，继续解离25 min；然后加入不同质量比的复配填料，各纸张样品试剂用量见表1。表1中，P-6是在总填料质量分数为40%的条件下，AlN/BN质量配比为7:3的复配改性。充分搅拌后进行抽滤和抄纸，将抄造制备的芳纶纸放置在真空干燥箱中，在110℃下干燥20 min。最后对芳纶纸进行热压处理，参数为270℃、10 MPa和30 s。所制备的复合改性芳纶纸尺寸为：直径为(200±2) mm，厚度为(0.16±0.02) mm。
图2 AlN/BN复配改性芳纶纸的制备流程
Fig.2 Preparation process of AlN-BN/PMIA papers
表1 各纸张样品试剂用量
Tab.1 Reagent usage for each paper sample
样本编号试剂用量/g AlNBNPMIA P-0004 P-10.44404 P-2104 P-31.71404 P-42.66704 P-52.1340.5334 P-61.8670.84 P-71.61.0674 P-81.3331.3334 P-91.0671.64 P-100.81.8674 P-110.5332.1344 P-1202.6674
用X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）表征修饰后AlN与BN粉末的元素组分。使用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）对复合材料的微观形貌及填料分散情况进行观察。用X射线衍射（X-Ray Diffraction, XRD）表征复合芳纶纸的组分，以确定两种填料均被成功地掺杂到复合芳纶纸中。击穿场强测试使用如图3所示的柱电极平台，测试环境为25号变压器油。对样品施加直流电压，电压以0.2 kV/s的速率匀速增加直至样品被击穿产生漏电流，记录此时电压即为样品的击穿电压。击穿场强为击穿电压除以样品厚度。每个样品取8组数据，采用Weibull分布对测试所得击穿场强数据进行综合分析。
图3 击穿场强测试平台
Fig.3 Breakdown strength test platform
体积电导率测试平台如图4所示，测试采用三电极法。使用皮安表（Kethley 6517b）记录体积电流Iv，体积电导率δv计算式[26]为
（1）
式中，t为样品厚度；r为三电极中的中心电极半径，在本实验中r=30 mm；U为测试电压，在本实验中U=1.8 kV。每个样品取10组数据计算平均值。
图4 体积电导率测试平台
Fig.4 Volume conductivity test platform
材料的面外热导率由激光闪热法测试得到，通过激光导热仪对热扩散系数α进行表征，使用差示量热分析仪获得比热容c，则面外热导率λ计算式为
（2）
式中，ρ为样品密度。每个样品取3组数据计算平均值。
硅烷偶联剂水解生成的硅醇与填料表面包覆层PDA的羟基发生脱水缩合反应，生成的C—O—Si将硅烷偶联剂中的有机官能团接枝到填料表面，从而引入了硅元素。改性后球形AlN与片形BN粉末的XPS图谱分别如图5a和图5b所示。经偶联剂处理后的AlN和BN粉末分别在102.54 eV和102.32 eV处出现了Si2p的特征峰，表明硅烷偶联剂KH550接枝成功[27]。
对AlN/BN典型复配比例为7:3（P-6）、5:5（P-8）和3:7（P-10）的样品分别进行了XRD表征，结果如图6所示。三个样品均出现了BN和AlN的特征峰，其中2θ=26.78°对应BN的(002)晶相，2θ=33.22°、36.06°和37.94°分别对应AlN的(110)、(002)与(101)晶相。由此可见，两种填料被成功地引入复合芳纶纸样品中，并且AlN的特征峰清晰可见，表明AlN晶相完整，在整个制备过程中并未发生水解。
图5 AlN和BN表面修饰后的XPS图谱
Fig.5 XPS of modified AlN and BN
图6 典型复合芳纶纸的XRD图谱
Fig.6 XRD of typical composite PMIA papers
AlN/PMIA复合绝缘纸的表面形貌如图7所示。随着AlN填料的掺杂含量逐渐增大，材料表面由平整变为粗糙。当填料质量分数为20%时，材料的表面形貌较为平整，且填料在芳纶纤维中分布均匀；当填料质量分数为30%时，填料出现团聚现象，对芳纶纤维表面产生损伤；当填料质量分数达到40%时，单一填料过量掺杂时产生的大块团聚体使得复合芳纶纸基体中纤维与纤维间的间隙显著增大，进而降低了复合芳纶纸的平整性和致密性。这些间隙区域的存在影响了复合芳纶纸的绝缘性能，同时填料的严重团聚也使得其导热性能难以进一步提升。
图7 不同AlN质量分数下复合芳纶纸的表面形貌
Fig.7 Surface morphology of AlN-PMIA papers
为了提高芳纶纸的导热性能，填料的掺杂含量通常是越大越好。但依据AlN掺杂情况分析，当掺杂含量较高时，填料不会均匀地分散在基体中，而是会产生团聚现象，进而影响复合材料的整体结构。因此，为了有效地提高芳纶纸的导热性能，将填料的质量分数设置为40%，与此同时引入BN填料，与AlN进行有效复配，以缓解整体结构的损伤，达到复配改性的效果。将质量分数为40%的AlN与BN按不同复配比例与芳纶纤维进行掺杂，其中典型配比复合材料的表面形貌如图8所示。当AlN/BN的复配比例为7:3时（P-6），材料表面较为粗糙，此时掺杂填料仍以AlN为主，过量的AlN颗粒在热压过程中仍对芳纶纤维基体产生了损伤作用，可见较为明显的纤维间隙缺陷。当复配比例为5:5时（P-8），AlN填料比例降低，材料表面逐渐趋于平整，且能够观察到片形的BN填料。当复配比例为3:7时（P-10），材料表面平整度较好，表面呈现光滑、紧实的状态。当复配比例为0:10，即全部以BN填料进行掺杂时（P-12），芳纶纸表面μm级纤维清晰可见，有明显的纤维间隙。
图8 AlN/BN典型复配比例下复合芳纶纸的表面形貌
Fig.8 Surface morphology of AlN-BN/PMIA papers
分别对13组样品进行直流电压击穿测试。根据双参数Weibull分布，统计复配改性复合芳纶纸的击穿概率如图9a所示，当击穿概率为63.2%时，获得各样品的击穿场强如图9b所示。
图9 各复合芳纶纸的击穿场强Weibull分布和击穿场强
Fig.9 Weibull distribution and breakdown field strength of each PMIA composite paper
对于未掺杂的纯芳纶纸（P-0），其击穿场强仅为112 kV/mm。对于仅掺杂AlN的复合芳纶纸（P-1、P-2、P-3和P-4），其击穿场强随着掺杂含量的增多呈现先提高后降低的趋势，并在填料质量分数为20%时（P-2）达到最大值164 kV/mm。这是因为适当地引入填料会对材料的击穿起到阻碍作用，而随着掺杂含量的提升，填料团聚对芳纶纤维基体产生损伤，材料的整体绝缘性能受到破坏，体现为击穿场强的下降。当填料质量分数为40%时，相较于仅掺杂AlN的芳纶纸（P-4），仅掺杂BN的芳纶纸（P-12）具有更大的击穿场强。由此表明，BN填料对于击穿场强的提升和击穿路径的抑制明显强于AlN。因此，采用BN填料进行复配，对复合芳纶纸的绝缘性能提高具有强化作用。对于AlN/BN复配改性的芳纶纸（P-5～P-11），当复配比例为AlN:BN= 3:7（P-10）时，击穿场强达到最大值186 kV/mm，较纯芳纶样品提升66.07%。由SEM图8c可知，该复配比例使芳纶纸的结构更加平滑、致密，缺陷比例降低，纤维间隙减小，故对总体绝缘效果的提升最为明显。
体积电导率直接反映了绝缘介质内部载流子的浓度和迁移率。图10给出了各复合芳纶纸的体积电导率，其中纯芳纶纸的体积电导率为6.1×10-16 S/m。在仅掺杂AlN的复合芳纶纸（P-1、P-2、P-3和P-4）中，随着AlN掺杂含量的增加，样品体积电导率呈现先降低后升高的趋势。当掺杂质量分数为20%时（P-2），复合芳纶纸的体积电导率达到最小值为2.1×10-16 S/m，说明引入填料极大地限制了体系中载流子的迁移。在复配体系中，复合芳纶纸呈现与击穿场强相似的变化趋势，载流子迁移在AlN:BN = 3:7（P-10）样品中得到进一步抑制，达到最小值1.2×10-16 S/m。
图10 各复合芳纶纸的体积电导率
Fig.10 Electrical conductivity of each composite PMIA paper
AlN-BN/PMIA复合芳纶纸的面外热导率测试结果如图11所示。由图11可知，纯芳纶纸的面外热导率仅为0.214 W/(m·K)。对于填料质量分数为40%的芳纶纸（P-4～P-12），其面外热导率明显高于质量分数为10%（P-1）、20%（P-2）和30%（P-3）的芳纶纸。由此验证了面外热导率与填料含量之间的正反馈关系。当填料质量分数为40%时，仅掺杂AlN芳纶纸（P-4）的面外热导率高于仅掺杂BN芳纶纸（P-12）的面外热导率。由此表明，AlN填料对于导热性能的提升和导热网络的形成具有重要作用。而采用BN填料进行复配后，还可以有效地弥补掺杂AlN后对击穿性能提升不足的缺点，使改性后的芳纶纸兼具更加优异的使役性能。对于AlN/BN复配改性的芳纶纸（P-5～P-11），复配比例为AlN:BN = 7:3的芳纶纸（P-6）表现出了最高的法向导热性能，面外热导率达到了0.671 W/(m·K)，较纯芳纶样品提升了213.6%。
图11 各复合芳纶纸的面外热导率
Fig.11 Thermal conductivity of each composite PMIA paper
然后，对P-6与P-10复合芳纶纸的截面微观形貌进行了表征，其SEM图像如图12所示。由图12a可知，具有高横纵比的片形BN有效地连接了球形AlN团簇，使得复合体系中的导热通路连贯并延长，更易组成“导热网络”，进而可有效地提升复合芳纶纸的面外热导率。图12b中，在热压处理过程中，具有高横纵比的片形BN在复合体系中会受力倾向于水平分布，使得在片形BN含量较高的复合芳纶纸中形成如图中蓝色虚线所示的水平倾向层状结构，限制了垂直方向导热通路的发展，致使面外热导率提升受限。但此类层状结构有利于限制电击穿过程中电树枝的生长以提高绝缘性能，因而虽然其面外热导率下降但击穿场强增大。
图12 AlN/BN复配比为7:3与3:7的复合芳纶纸截面SEM图像
Fig.12 SEM images of composite PMIA papers with AlN/BN ratios being 7:3 and 3:7
对于高分子聚合物来说，其热量传递主要通过晶格振动产生的声子进行。在纯间位芳纶纸中，短切纤维与沉析纤维共存。在晶区与非晶区的两相界面上，缺陷会导致声子散射，进而使得声子平均自由程变小，热量传导受阻。掺杂无机陶瓷填料后，填料分散在间位芳纶基体中，形成导热通路，有助于加速热量运输。典型AlN/BN复配掺杂（P-6和P-10）芳纶纸的热流传递路径分析如图13所示。在P-6中，复配体系以AlN为主、BN为辅。片形的二维BN具有极高的横纵比，可以有效地连接分散的AlN球形颗粒，使得导热通路连贯并延长，更易形成“导热网络”，提高面外热导率。而在P-10中，BN大多倾向于水平分布，限制了垂直方向导热通路的发展，使得面外热导率难以提升。
图13 P-6与P-10复合芳纶纸热流传递路径分析
Fig.13 Heat flux transfer analysis of P-6 and P-10
为探究复合材料击穿场强提升的机理，采用密度泛函理论分析了PMIA、AlN以及BN三种物质的能带结构。首先，在Materials Studio（MS）软件中构建三种物质的单体晶胞。对于PMIA，依据其化学结构式构建相应的分子模型。对于AlN和BN，分别从MS晶体结构数据库中导入其晶胞模型，并将其设置为原胞。然后，在DMol3计算模块中选择Geometry Optimization任务对三种模型进行几何优化使晶胞结构弛豫至最优态，选择GGA-PBE为交换关联泛函，优化过程中设定原子最大受力收敛精度为0.01 eV/Å（1 Å=1×10-10 m），能量收敛精度为5×10-6 eV，位移收敛精度为5×10-6 Å，最大迭代次数为200。几何优化完成后，选择Energy任务继续对三种模型开展单点能计算，设置自洽场（Self-Consistent Field, SCF）收敛阈值为1.0×10-6，最大迭代循环为200。同时在Properties模块中勾选Band structure（能带结构）、Density of states（电子态密度）、Orbitals（电子轨道）以及Population analysis（布局分析）计算任务进行后续分析。最终得到三种物质的电子态密度投影如图14a所示。
其中，PMIA的禁带宽度为2.74 eV（与实验值基本相同[28]），AlN与BN的禁带宽度分别为6.63 eV和6.66 eV，与其宽禁带半导体属性一致。三种物质的能带结构如图14b所示。PMIA、AlN和BN的最低未占有分子轨道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO）能级或导带边缘能级分别为-2.45 eV、3.81 eV和5.03 eV，呈现阶梯上升趋势。单一PMIA基体中，最高占有分子轨道（Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO）中的电子只需要克服PMIA的禁带宽度或从电子陷阱中脱陷，直接激发进入LUMO，即可完成电子跃迁、载流子迁移和漏电流路径形成。掺入AlN填料后，在PMIA/ AlN界面会形成势垒Ⅰ，电子落入界面深陷阱后，需要更大的激发能量才能逸出。与此同时，掺入BN填料会在AlN/BN界面形成势垒Ⅱ，进一步提高了电子跃迁势垒，使得一部分电子被“禁锢”在界面深陷阱中，从而在AlN/BN复配改性芳纶绝缘纸中，有效地形成阶梯陷阱，势垒拾级而上。PMIA中的电子则需要获得更多的能量才能克服界面势垒，完成电子激发。由此界面势垒可以有效地阻止电子跃迁，抑制漏电流路径形成，增强复合材料的绝缘强度[29-30]。
图14 PMIA、AlN和BN的能带结构计算分析
Fig.14 Energy band structures of PMIA, AlN, and BN
针对上述复配掺杂的复合芳纶绝缘纸，其中PMIA、AlN与BN三相物质的介电常数差异显著，这种差异会导致电场在不同物相界面处发生畸变，并且畸变程度直接受介电常数差异程度的影响。当复合芳纶纸样品中掺杂比例不同时，即便在相同的外加电场下，材料内部的电场畸变情况也会有所不同，这进一步影响了介电击穿的发展路径。
为深入探究不同填料复配比例对复合芳纶纸绝缘性能的影响，本文基于相场法构建了具有典型复配比例的复合芳纶纸相场击穿模型[31-33]，通过击穿路径的发展情况，总结填料复配比例对于复合芳纶纸介电性能的影响规律。采用长为100 μm、宽为50 μm的长方形模拟PMIA基体，并在长方形基体顶端中间位置放置一个长为5 μm、宽为0.2 μm、倒角半径为0.1 μm的区域代表针电极。按照表1中的复配比例，将两种填料随机且均匀地分散到基体当中并保证填料之间互不交叠，分别构建了P-4、P-6、P-8、P-10以及P-12共5个典型样品的相场击穿有限元模型。依照材料尺寸采用直径为1 μm的圆形和长为1 μm、宽为0.2 μm的矩形分别模拟AlN和BN两种复配填料，为上述三种物质分别赋予其本征属性，具体参数见表2。
表2 相场模型中的材料参数设置
Tab.2 Material parameter settings in phase field models
材料密度/(g/cm3)击穿场强/(kV/mm)相对介电常数 PMIA1.261502.5 BN2.296004.2 AlN3.252008.8
通过COMSOL中静电场（es）和对流扩散场（scdeq）模块，计算并观察模型的介电击穿路径发展情况。图15a记录了五个模型在40 s内电树枝的生长演变情况。其中，每5 s获取一次电树枝纵向发展长度，绘制电树枝纵向发展长度随时间的变化关系如图15b所示。在电树枝发展过程中，P-4模型（仅AlN掺杂）的击穿路径发展最快，说明单一AlN填料对基体绝缘性能的提升有限。随着BN填料含量的逐渐增加，击穿路径发展速度呈现先减缓后增加的趋势，在P-10模型中（AlN:BN = 3:7）发展速度最缓慢，表明BN的引入和复配掺杂能够有效地抑制漏导电流发展，延缓材料被击穿时间。图15c展示了在同一时刻下，复合模型内部的极化强度分布。可以看出，P-4和P-12两种单一填料掺杂模型的极化强度较高，表明单一填料与芳纶基体间的极化现象严重，这是由于单一填料与芳纶基体间相对介电常数失配造成的。其中，AlN的相对介电常数更高，引发的极化程度也更剧烈。两种填料复配后，模型内部的电流密度明显降低，且在P-10模型中呈现较低的极化程度和相对均匀的电场分布。三相材料的相对介电常数关系为AlN＞BN＞PMIA。当高介电常数填料AlN在复合芳纶纸中过度掺杂时，会导致复合材料在外加电场作用下更易于被极化。然而，通过在复合材料中引入BN填料，可以有效地缓解这一问题。BN的加入降低了复合体系在同一电场强度下的极化强度，减轻了介电常数失配的问题，进而均化了电场分布，显著地提升了材料的绝缘性能。
图15 基于相场法的击穿路径仿真模拟分析
Fig.15 Simulation and modeling analysis of breakdown paths based on the phase field method
本文选用AlN和BN两种填料，经PDA和KH550联合修饰后制备了不同复配比例的AlN-BN/ PMIA复合芳纶绝缘纸试样，对其击穿场强、体积电导率及面外热导率等使役性能进行了探究和机理分析，得出如下结论：
1）相较于单一填料，复配填料可以降低填料过量时对芳纶基体产生的损伤，进一步优化复合体系结构。当AlN/BN复配比例为3:7时，复合芳纶纸表面最为致密、紧实，纤维间隙明显减小，缺陷比例大幅下降。
2）得益于显著改善的复合体系结构，复合芳纶纸的击穿场强在AlN/BN复配比例为3:7时达到最大值186 kV/mm，较纯芳纶纸样品提升66.07%，同时复合芳纶纸的体积电导率降到最低值，这表明优化的填料复配比例可以进一步抑制漏电流的发展路径，提高绝缘强度。
3）当AlN/BN复配比例为7:3时，复合芳纶纸的面外热导率最优，较纯芳纶样品提升了213.6%。片形二维BN具有极高的横纵比，可以与球形AlN填料相互连接形成导热网络，提供更多的热传导路径，实现导热性能的提升。
4）能带结构分析表明，AlN和BN的宽禁带属性使其在PMIA界面处形成“阶梯陷阱”，大幅提高了电子跃迁所需克服的能量势垒，限制了载流子在基体中的迁移。基于相场法对漏电流的发展路径进行模拟可以发现，引入BN填料能够进一步均化电场分布，降低局部极化程度，从而增强复合体系的绝缘性能。
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Service Performance and Mechanism of Aluminum Nitride/Boron Nitride Co-Modified Meta-Aramid Insulation Papers
Abstract Meta-aramid (PMIA) is a unique fiber that possesses exceptional insulation strength and thermodynamic stability. It is widely regarded as an ideal material for the development of the next generation of insulation paper. However, its intrinsic thermal conductivity of 0.21 W/(m·K) is relatively low and may not meet the long-term service requirements in high-temperature environments. To enhance the thermal conductivity and insulation of the PMIA paper, AlN and BN fillers are selected for composite doping modification of PMIA paper. The surfaces of the two fillers are coated with polydopamine (PDA) and modified with a KH550 silane coupling agent to improve the dispersibility of the two fillers. By adjusting the doping ratio, AlN-BN/PMIA composite insulation paper with different concentrations was prepared. The microstructure was characterized and the breakdown strength, conductivity, and thermal conductivity were tested. The effect of two different filler ratios on the insulation and thermal conductivity of the material was studied.
Firstly, the surfaces of the two fillers are coated with polydopamine (PDA) and modified with a KH550 silane coupling agent to enhance their dispersibility. By adjusting the doping ratio, AlN-BN/PMIA composite insulation paper with different concentrations is prepared. Secondly, the microstructure of samples is characterized and the breakdown voltage, conductivity, and thermal conductivity are tested. The influence of the ratio of two fillers on the insulation and thermal conductivity of the material was studied. Thirdly, based on density functional theory, band structure calculation and analysis are conducted, and a design concept of a “stepped charge trap” is proposed. In addition, the composite breakdown model is constructed using the phase field method, explaining the inherent mechanism of performance improvement.
According to the test results, adding BN to the AlN filler can further improve the matrix structure and fix the damage caused by the high concentration aggregation of AlN. The surface of the composite material appears relatively dense when the AlN/BN ratio is 3:7, with only a small amount of PMIA fibers and fillers precipitated. At a mass fraction of 40%, the breakdown strength of the composite gradually increases as the BN doping ratio increases. At a ratio of AlN/BN of 3:7, the composite paper exhibits its maximum breakdown strength of 186 kV/mm, which is 66.07% higher than that of the pure PMIA sample. Additionally, the conductivity of the composite is at its lowest value during this ratio. On the other hand, at an AlN/BN ratio of 7:3, the thermal conductivity of the composite is optimal, increasing by 213.6% compared to pure PMIA samples. The high aspect ratio structure of BN links it with AlN fillers to form an “thermal conductivity network”, which increases the thermal conductivity.
Energy band structure analysis based on density functional theory suggests that the wide bandgap properties of AlN and BN result in the formation of “stepped traps” at the PMIA interface. This leads to an increased energy barrier for charge transitions and limits the migration of charge carriers. In addition, a phase field simulation model indicates that the introduction of BN can further homogenize the electric field distribution, reduce the degree of local polarization, and thus enhance the insulation performance of the composite system.
Keywords：Meta-aramid, boron nitride, aluminum nitride, breakdown strength, thermal conductivity
中图分类号：TM215.6
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.240796
中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2023MS106, 2023MS002）。
收稿日期 2024-05-16
改稿日期 2024-06-13
王齐斌 男，1999年生，硕士研究生，研究方向为新型电工绝缘材料。
E-mail：w540375999@163.com
庾 翔 男，1991年生，特聘副教授，研究方向为新型电介质材料与储能应用。
E-mail：xiangyu@ncepu.edu.cn（通信作者）
（编辑 李 冰）