山东大学：直流GIL绝缘子环氧树脂/碳纳米管复合涂层关键物理性能的分子动力学模拟

韩智云，邹亮，辛喆，赵彤，张黎

DOI： 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180811

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导语

直流气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）绝缘子存在表面电荷积聚，对其表面覆以涂层以改善电场分布是一种有效的措施。本文旨在寻找一种在保持良好力学性能的前提下，能有效降低介电常数、提高热扩散系数（即提高热导率、降低比热容）以及提高玻璃转化温度的新型环氧树脂复合材料来作为绝缘子的纳米复合涂层。

基于分子动力学模拟方法，从微观层次探究不同碳纳米管颗粒掺杂对环氧树脂复合材料各关键物理性能影响的机理，指出氨基胺功能化的碳纳米管是环氧树脂复合涂层材料掺杂颗粒的最优选择。所做工作为采用纳米复合涂层抑制绝缘子表面电荷积聚提供了基础依据。

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研究背景

我国直流特高压输电的不断发展对GIL中环氧浇注盆式绝缘子和支柱绝缘子的物理性能提出了更高的要求。直流电压下存在的表面电荷积聚效应，可降低绝缘子的沿面闪络电压，是导致直流GIL无法长期稳定运行的主要原因。抑制表面电荷积聚的一种有效措施是对绝缘子表面覆以涂层，用以改善绝缘子表面的电场分布。

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论文的方法及创新点

随着计算机技术的快速发展，分子力场、模拟分子体系算法在高分子材料研究和应用领域得到了日益广泛的应用。在高电压与绝缘技术领域，可以利用分子模拟技术，根据工程需要有针对性地快速修改绝缘材料微观结构、添加纳米颗粒，仿真计算所关注的电、热和力学等特性，对比分析材料改性前后的性能变化，可大大降低材料研发周期和成本。

因此，本文通过分子动力学模拟寻找一种在保持良好力学性能的前提下，能有效降低介电常数、提高热扩散系数（即提高热导率、降低比热容）以及提高玻璃转化温度的新型环氧树脂复合材料来作为绝缘子的纳米复合涂层。

首先选用盆式绝缘子常用的双酚A型环氧树脂，根据其单体DGEBA和固化剂33DDS的分子结构，在Materials Studio中建立交联环氧树脂（EP/neat）的模型。选取四种碳纳米管模型（未封端、半封端、全封端和氨基胺功能化）进行掺杂，得到四种交联环氧树脂/碳纳米管复合模型，分别是交联环氧树脂/未封端碳纳米管（EP/UCCNT）模型、交联环氧树脂/半封端碳纳米管（EP/SCCNT）模型、交联环氧树脂/全封端碳纳米管（EP/ACCNT）模型和交联环氧树脂/氨基胺功能化碳纳米管（EP/AFCNT）模型。

纯环氧树脂以及四种碳纳米管掺杂的环氧树脂复合材料的模型如下图所示：

图1  五种交联环氧树脂模型

本文涉及的各项关键物理性能计算如下：

（1）基于线性响应理论，通过把模拟计算整个体系中的偶极矩统计下来，得到模型的相对介电常数。

（2）基于傅里叶定律的非平衡态分子动力学方法，类似于实验条件，在固定热流通量下产生一个稳定的温度梯度，从而计算出热导率。

（3）可以根据NVT系综下的能量涨落法得到比热容，对于环氧树脂的模型，需要做根据经典与量子的统计关系进行修正，进而计算出模型体系的热扩散系数。

（4）使用静态常应变法，计算出模型的刚度矩阵，得到体系的多种力学性能。

由于环氧树脂高度交联的存在使得它的许多性质与线型聚合物、树枝状大分子有较大差别，其体积膨胀较为困难，传统的比体积-温度曲线法难以找到拐点，无法确定该系统的玻璃转化温度。本文采用交联氮原子方均位移法，从所得的交联氮原子方均位移与温度的关系曲线中确定玻璃转化温度。

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结论

本文建立了交联环氧树脂以及掺杂未封端、半封端、全封端、氨基胺功能化的碳纳米管环氧树脂复合材料模型，并通过LAMMPS进行分子动力学模拟，得到了各模型的介电常数、热导率、比热容、热扩散系数、力学性能和玻璃转化温度。

结果表明：掺杂了上述四种碳纳米管的环氧树脂复合材料性能均有所提升，但提升程度有所不同。其中，掺杂了氨基胺功能化碳纳米管的复合材料在力学性能、介电常数以及热扩散系数上提升最明显，包括抑制温升对力学性能的破坏，减小介电常数24.8%，提高热扩散系数96.98%；掺杂了全封端碳纳米管的复合材料仅可最大程度提升玻璃转化温度为25.7K，其余关键物理性能提升不明显。

综合模拟计算结果，认为选用氨基胺功能化碳纳米管作为环氧树脂的掺杂颗粒更加符合对表面电荷积聚抑制的需求。所得结果可为环氧树脂纳米复合涂层材料的掺杂设计、筛选以及性能调控提供理论基础和技术支持。

团队介绍

邹亮

山东大学电气工程学院副教授，硕士生导师。主要从事高压电磁装备磁化建模、绝缘材料设计与分子动力学模拟、电力系统故障限流技术等领域的教学和科研工作。作为项目负责人承担国家自然科学基金、高等学校博士点专项科研基金、中国博士后科学基金面上项目、国家重点实验室开放课题、国家电网公司科技项目多项。截至目前，在国内外重要学术期刊与会议上共发表研究论文50余篇，其中SCI收录10余篇，EI收录30余篇。

赵彤

山东大学电气工程学院副教授，硕士生导师。主要从事输变电设备状态监测与运行维护管理、高电压绝缘介电现象与理论、放电物理与等离子体技术等领域的教学和科研工作。近年来承担国家自然科学基金、山东省重点研发计划、国家电网公司科技项目在内的十余项科研课题。研究成果获得山东省科技进步一等奖一项、教育部自然科学二等奖一项、山东省科技进步二等奖一项、山东省高等学校优秀科研成果奖（自然科学类）二等奖一项；近五年发表论文50余篇，其中SCI收录20余篇，EI收录30余篇。

张黎

山东大学电气工程学院副教授，博士生导师。主要从事高电压与绝缘技术、应用电磁学、电力系统防雷与接地等领域的教学和科研工作。近年来主持中国国家自然科学基金、省部级基金、国家电网总部重点科技项目在内的20余项科研课题。研究成果获山东省科技进步一等奖1项，中国电工技术学会科学技术奖三等奖1项，发表论文100余篇，其中SCI收录20余篇，EI期刊收录60余篇。