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  隨著高壓輸電系統的電壓等級提升和電力電子器件的集成化發展，用于絕緣保護的聚合物材料面臨著愈發嚴峻的挑戰，其中靜電放電和局部電場畸變是導致絕緣失效的主要因素。為解決這些問題，電場相關的非線性電導材料應運而生：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，還不適用于規模化制備。此外，高電場下產生的焦耳熱會形成溫度梯度，進一步加劇電場畸變。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，華南理工大學謝從珍教授團隊在絕緣聚合物基體內部設計了一種新型三維微結構，將碳化硅材料負載于海藻酸鈉氣凝膠上，在極低含量下構建了填料連通網絡。通過浸漬固化制備的環氧樹脂復合材料展現出優異的非線性電導率和超高熱導率（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形成三維互連的網絡結構，賦予聚合物復合材料在高電場下快速消散電荷的能力。此外，具有良好熱導率的SiC網絡有效分散了聚合物高場下非線性電行為所產生的焦耳熱，防止因熱量積累對材料電氣性能造成不利影響。這一策略結合了非線性導電特性、高效熱管理能力和低填料含量的優勢，拓展了電場自適應材料在高溫條件下的應用前景。

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

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

  通過電導率測試，發現在輕負載下復合材料即表現出典型的非線性電導特性，即電導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構產生彎曲，導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，直到填充體積分數達到25 vol%時，才會表現出非線性電導特性。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納米的環氧樹脂薄層。

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

圖4 (a, b) EP/SA-SiC₁₀和EP/SiC₂₅ 的變溫電導率測試結果 (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環氧復合材料在極低填充量下即具有優異的非線性電導特性和導熱性能，利用氣凝膠骨架構建填料網絡以及基于負載結構調控閾值場強等參數的方法可能為其他復合材料領域研究提供新思路。

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