从碳材料启发改进环氧纳米复合材料：提升干式变压器热管理与绝缘性能的创新探索

推荐 为解决干式变压器因高电压运行和长期使用导致的散热不足与绝缘性能下降问题，研究人员开发了一种含纳米碳颗粒的环氧树脂基复合材料。通过优化纳米碳含量（2%-10%），显著提升了材料的热导率（0.45 W/m·K）、介电强度（145 V/mm）和抗冲击性能（0.6 J/mm）。实验表明，该复合材料使变压器绝缘层温降速率提高24.4%，验证了其在可再生能源微电网中的可靠性。

　　

论文解读
随着全球能源结构向可再生能源转型，干式变压器作为分布式能源系统的核心设备，其性能优化成为研究焦点。传统变压器依赖空气自然冷却，存在散热效率低、绝缘材料易老化等问题，尤其在高温或高负载工况下，绝缘层劣化会引发局部放电甚至击穿故障。为突破这一瓶颈，某研究团队以环氧树脂为基体，通过引入纳米碳颗粒（如石墨烯、碳纳米管）构建复合绝缘材料，旨在同步提升热导率与介电性能。

该团队采用中心复合设计（Central Composite Design, CCD）优化纳米碳的掺杂比例，并系统评估了不同含量（2%、4%、6%、8%、10%）对材料性能的影响。实验结果表明，当纳米碳含量为6%时，复合材料的综合性能达到最优：热导率提升至0.45 W/m·K（较纯环氧树脂提高约3倍），介电强度达到145 V/mm，同时保持优异的抗冲击韧性（Izod冲击强度0.6 J/mm）。此外，通过水吸收测试和热重分析（TGA）验证了材料的低吸湿性和高热稳定性。

为验证实际应用效果，研究人员将优化后的复合材料应用于0.5 kVA干式变压器的绕组绝缘层，并与传统方案对比。结果显示，新型绝缘层使温降速率提升24.4%，显著降低了因过热导致的绝缘失效风险。这一成果为远程微电网中太阳能与风能的高效利用提供了关键技术支撑，尤其适用于电力基础设施薄弱的偏远地区。

关键技术方法

1. 中心复合设计（CCD）：用于多变量优化纳米碳掺杂比例，确定最佳配比以平衡热导率与机械性能。
2. 热重分析（TGA）：评估材料在不同温度下的热稳定性，确保其在高温工况下的可靠性。
3. 介电性能测试：通过高压击穿实验测定复合材料的介电强度，验证其绝缘能力。

研究结果

• 热导率提升：纳米碳的引入使环氧树脂基体形成导热通路，热导率从0.15 W/m·K增至0.45 W/m·K¹。
• 介电性能优化：6%纳米碳含量的复合材料在1 MHz频率下介电常数稳定在4.2，介电损耗角正切（tanδ）仅为0.02²。
• 机械强度验证：Izod冲击试验表明，改性材料缺口冲击强度达0.6 J/mm，较纯环氧树脂提高40%³。
• 抗老化能力：水吸收率低于0.5%，且在150℃下热失重率<2%（TGA数据），证明其长期稳定性⁴。
• 实际应用测试：在0.5 kVA变压器中，绕组温升降低24.4%，验证了复合材料的工程适用性⁵。

研究结论与意义
本研究成功开发了一种高性能环氧纳米复合绝缘材料，其热导率和介电强度的协同提升解决了传统变压器散热不足与绝缘劣化的双重难题。通过响应面法优化配方，确定了纳米碳的最佳掺杂比例，并通过多维度性能测试验证了材料的可靠性。该成果不仅推动了电力设备绝缘技术的革新，还为可再生能源微电网的普及提供了材料科学基础。未来研究可进一步探索不同纳米碳形态（如石墨烯与碳纳米管复配）对性能的协同效应，以及规模化生产工艺的经济性优化。

注：
¹ 热导率数据来自激光闪射法测量；
² 介电性能测试频率为1 MHz，温度25℃；
³ Izod冲击试验依据ASTM D256标准；
⁴ TGA测试范围为室温至600℃，氮气氛围；
⁵ 变压器温升测试参照IEC 60076标准。