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  隨著電動(dòng)機(jī)、變壓器等電力設(shè)備向著大功率、小體積快速發(fā)展，對(duì)電絕緣組件的力學(xué)可靠性、耐高電壓擊穿能力和耐熱性提出了日益苛刻的要求。工業(yè)上，純?cè)颇讣�、疊壓云母帶、云母/芳綸紙等云母基絕緣材料廣泛用于絕緣領(lǐng)域；目前，中低端的云母基絕緣材料已被國(guó)內(nèi)企業(yè)所掌握，然而高端的云母基絕緣材料嚴(yán)重依賴于從國(guó)外進(jìn)口（例如美國(guó)杜邦公司的云母/芳綸微米紙Nomex 818）。

  針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)情況，湖南大學(xué)王建鋒教授課題組基于剝離的芳綸納米纖維和云母納米片，運(yùn)用仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，采用溶膠-凝膠-薄膜轉(zhuǎn)換技術(shù)，大面積制備出云母基納米紙，顯示了超大的應(yīng)變（78.9%）和超高的韌性 (109 MJ/m³），其斷裂應(yīng)變是之前文獻(xiàn)報(bào)道的仿貝殼薄膜材料的4-240倍，其韌性是之前文獻(xiàn)報(bào)道的仿貝殼薄膜材料的6-220倍（見圖1a）。更重要的是，這些優(yōu)異的力學(xué)性能與高電壓擊穿強(qiáng)度（164 KV/mm）、良好的耐熱性（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度268 ℃，熱分解溫度565 ℃）、阻燃性、耐有機(jī)溶劑性能有效集成，顯著超過(guò)了國(guó)外的各種云母基絕緣材料（見圖1b）。例如，該云母基納米紙的拉伸強(qiáng)度是杜邦公司云母/芳綸微米紙Nomex 818的5倍，斷裂應(yīng)變是Nomex 818的45倍，耐電擊穿強(qiáng)度是Nomex 818的5.5倍，耐熱性能與Nomex 818相當(dāng)。

圖1 云母基納米紙的性能。a) 云母基納米紙和已報(bào)道仿貝殼薄膜材料的斷裂應(yīng)變和韌性比較，紅色五角星對(duì)應(yīng)云母基納米紙，灰色區(qū)域中黑色正方形對(duì)應(yīng)之前文獻(xiàn)報(bào)道的仿貝殼薄膜材料。b) 云母基納米紙和國(guó)外商業(yè)化云母基微米紙的綜合性能比較，紅色線為云母基納米紙，粉色線為純?cè)颇讣�，土黃色線為疊壓云母帶，綠色線為云母/芳綸復(fù)合紙，藍(lán)色線為純芳綸紙。

  自然界中，貝殼珍珠層由大量碳酸鈣片和少量甲殼素納米纖維等有機(jī)物組成，高強(qiáng)度的甲殼素納米纖維構(gòu)成了三維有機(jī)層狀框架，大量碳酸鈣片有序嵌入到該三維框架中，形成層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，使得貝殼珍珠層在線彈性變形后能夠屈服并產(chǎn)生塑性變形，達(dá)到高拉伸強(qiáng)度和高韌性。在受貝殼珍珠層啟發(fā)的基礎(chǔ)上，將仿貝殼結(jié)構(gòu)的理念用于云母基絕緣紙這一應(yīng)用領(lǐng)域；實(shí)驗(yàn)上，將課題組最近發(fā)明的溶膠-凝膠-薄膜轉(zhuǎn)換技術(shù)用于云母基納米紙的制備(Advanced Functional Materials, 2019, 29, 1903876)。具體地，將商業(yè)化芳綸微米纖維在二甲基亞砜/強(qiáng)堿體系中通過(guò)去質(zhì)子化剝離成納米纖維，并將其與剝離的單層云母納米片混合，形成粘性溶膠；接著采用水浸泡重新質(zhì)子化的方法將溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)樗z，微觀上，芳綸納米纖維在整個(gè)水凝膠中被組織成高度纏結(jié)的牢固三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，云母納米片均勻分布在該網(wǎng)絡(luò)中；最后，干燥水凝膠將其轉(zhuǎn)換為大面積層狀復(fù)合薄膜，微觀上，云母納米片有序嵌入到三維芳綸納米纖維框架中，形成層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)（見圖2）。

圖2 采用溶膠-凝膠-薄膜轉(zhuǎn)換技術(shù)制備大面積云母基納米紙。a) 剝離芳綸納米纖維的TEM，b) 云母納米片的AFM，c) 由溶膠轉(zhuǎn)換而來(lái)的水凝膠，d) 由水凝膠轉(zhuǎn)換而來(lái)的大面積云母基納米紙，e, f) 凍干水凝膠的SEM，g, h) 云母基納米紙的橫截面SEM，i) 云母基納米紙的多尺度結(jié)構(gòu)示意圖。

  在上述間歇式大面積制備的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)加工了一套裝置，該裝置主要由注射系統(tǒng)、口模、水槽和傳送帶組成�；谠撗b置，實(shí)現(xiàn)了云母基納米紙的連續(xù)化制備，證明該溶膠-凝膠-薄膜轉(zhuǎn)換技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上具有良好的可擴(kuò)展性。

圖3 將溶膠-凝膠-薄膜轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展為連續(xù)化制備云母基納米紙。a) 設(shè)計(jì)加工的裝置，b) 口模，c) 水凝膠，d) 連續(xù)的云母基納米紙，e) 打結(jié)的云母基納米紙，f) 云母基納米紙?jiān)谑謩?dòng)反復(fù)扭搓后不會(huì)破損。

  在表征該云母基納米紙的微觀結(jié)構(gòu)、界面相互作用、裂紋擴(kuò)展模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合其宏觀拉伸性能，分析了微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)系，證實(shí)三維芳綸納米纖維框架和云母納米片之間的耦合是大應(yīng)變和高韌性的主要原因。云母納米片和芳綸納米纖維這兩種組份材料具有固有的電絕緣性、耐熱性、阻燃性、耐溶劑性，賦予云母基納米紙優(yōu)異的多功能特性；而且，高長(zhǎng)徑比納米云母的二維幾何結(jié)構(gòu)、均勻的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)韌的力學(xué)性能增加了云母基納米紙的抗電壓擊穿能力。

  該研究成果發(fā)表在《ACS Nano》上，題目為“A Bioinspired Ultratough Multifunctional Mica-Based Nanopaper with 3D Aramid Nano?ber Framework as an Electrical Insulating Material”。碩士生曾繁展為第一作者，王建鋒教授為通訊作者。

  文章鏈接為：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b07192

  相關(guān)研究獲美國(guó)化學(xué)會(huì)新聞雜志《化學(xué)與工程新聞》（Chemical & Engineering News, C&EN）報(bào)道，報(bào)道鏈接為：

https://cen.acs.org/materials/Mica-meets-motherpearl-make-ultratough/98/i5

  在報(bào)道中，美國(guó)密歇根大學(xué)材料科學(xué)家Nicholas Kotov教授評(píng)論：“The properties are quite exciting and off the charts to some degree. These are very significant parameters for numerous applications.” (這些性能非常令人興奮，在某種程度上打破了記錄。對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這些都是非常重要的性能參數(shù))。該研究成果已申請(qǐng)發(fā)明專利。