APTES修饰SiO2纳米填料增强PAA基复合材料在超导电缆低温绝缘中的电-机-热性能研究

针对高温超导（HTS）电缆绝缘材料聚酰胺酸（PAA）介电强度低、机械性能不足等问题，研究人员通过3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）修饰SiO2纳米填料，开发出新型PAA基纳米复合材料。结果表明，6 wt.% SiO2的复合材料在93 K下介电强度达373.8 kV/mm，介电常数（ε'）降至2.61，同时机械性能显著提升。该研究为HTS电力传输系统提供了高性能绝缘解决方案。

　　

在能源需求激增的背景下，高温超导（HTS）电缆因其近乎零电阻损耗的特性成为电力传输领域的研究热点。然而，传统绝缘材料聚酰胺酸（PAA）在低温环境下存在介电强度低、机械性能差等瓶颈，严重制约HTS电缆的可靠性。如何通过材料改性突破这些限制，成为推动超导技术实用化的关键挑战。

《Materials Research Bulletin》近期刊发的这项研究创新性地采用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）修饰的二氧化硅（SiO₂）纳米填料，以二甲基亚砜（DMSO）为溶剂，制备了系列PAA基纳米复合材料。研究人员通过旋涂法制备厚度20 μm的薄膜，结合介电击穿测试、LCR分析仪和万能材料试验机，系统评估了材料在室温（RT）和低温（93 K/193 K）下的性能。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TGA）则用于解析材料化学结构与热稳定性。

介电性能突破

研究发现6 wt.% SiO₂的复合材料表现出最优性能：在93 K下直流（DC）介电强度达373.8 kV/mm，较室温提升2.5倍；介电常数（ε'）和损耗角正切（tan δ）分别降至2.61和0.015。扫描电镜（SEM）显示该组分击穿孔洞直径最小（103.6 μm），证实纳米填料均匀分散形成的致密结构能有效抑制电子雪崩。

机械性能强化

相同组分在193 K下展现36.4 MPa的极限抗拉强度（UTS）和2.8 GPa的杨氏模量（E），断裂面分析表明APTES修饰增强了聚合物-填料界面结合力。值得注意的是，8 wt.%样品因纳米颗粒团聚导致性能下降，揭示填料分散均匀性的关键作用。

机理与稳定性

FTIR证实APTES的氨基（-NH₂）与PAA的羧基形成氢键，而TGA显示6 wt.%组分热分解温度提高至550°C。低温下聚合物链段运动受限和界面电荷陷阱密度降低，共同解释了介电性能的显著提升。

这项研究通过精准调控纳米填料界面工程，首次实现了PAA基材料在低温环境下电-机-热性能的协同优化。所开发的复合材料不仅为HTS电缆绝缘提供了理想解决方案，其"低介电常数-高击穿强度"的特性组合更为极端环境下的高分子材料设计提供了新范式。未来研究可进一步探索填料形貌调控和规模化制备工艺，推动该技术走向实际应用。