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  隨著電動機、變壓器等電力設備向著大功率、小體積快速發(fā)展，對電絕緣組件的力學可靠性、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，純云母紙、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域；目前，中低端的云母基絕緣材料已被國內企業(yè)所掌握，然而高端的云母基絕緣材料嚴重依賴于從國外進口（例如美國杜邦公司的云母/芳綸微米紙Nomex 818）。

  針對這一現(xiàn)實情況，湖南大學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，運用仿生結構設計理念，采用溶膠-凝膠-薄膜轉換技術，大面積制備出云母基納米紙，顯示了超大的應變（78.9%）和超高的韌性 (109 MJ/m³），其斷裂應變是之前文獻報道的仿貝殼薄膜材料的4-240倍，其韌性是之前文獻報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)異的力學性能與高電壓擊穿強度（164 KV/mm）、良好的耐熱性（玻璃化轉變溫度268 ℃，熱分解溫度565 ℃）、阻燃性、耐有機溶劑性能有效集成，顯著超過了國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度是杜邦公司云母/芳綸微米紙Nomex 818的5倍，斷裂應變是Nomex 818的45倍，耐電擊穿強度是Nomex 818的5.5倍，耐熱性能與Nomex 818相當。

圖1 云母基納米紙的性能。a) 云母基納米紙和已報道仿貝殼薄膜材料的斷裂應變和韌性比較，紅色五角星對應云母基納米紙，灰色區(qū)域中黑色正方形對應之前文獻報道的仿貝殼薄膜材料。b) 云母基納米紙和國外商業(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，粉色線為純云母紙，土黃色線為疊壓云母帶，綠色線為云母/芳綸復合紙，藍色線為純芳綸紙。

  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物組成，高強度的甲殼素納米纖維構成了三維有機層狀框架，大量碳酸鈣片有序嵌入到該三維框架中，形成層狀復合結構，使得貝殼珍珠層在線彈性變形后能夠屈服并產生塑性變形，達到高拉伸強度和高韌性。在受貝殼珍珠層啟發(fā)的基礎上，將仿貝殼結構的理念用于云母基絕緣紙這一應用領域；實驗上，將課題組最近發(fā)明的溶膠-凝膠-薄膜轉換技術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/強堿體系中通過去質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子化的方法將溶膠轉變?yōu)樗z，微觀上，芳綸納米纖維在整個水凝膠中被組織成高度纏結的牢固三維網(wǎng)絡結構，云母納米片均勻分布在該網(wǎng)絡中；最后，干燥水凝膠將其轉換為大面積層狀復合薄膜，微觀上，云母納米片有序嵌入到三維芳綸納米纖維框架中，形成層狀復合結構（見圖2）。

圖2 采用溶膠-凝膠-薄膜轉換技術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) 由溶膠轉換而來的水凝膠，d) 由水凝膠轉換而來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構示意圖。

  在上述間歇式大面積制備的基礎上，自行設計加工了一套裝置，該裝置主要由注射系統(tǒng)、口模、水槽和傳送帶組成。基于該裝置，實現(xiàn)了云母基納米紙的連續(xù)化制備，證明該溶膠-凝膠-薄膜轉換技術在工業(yè)生產上具有良好的可擴展性。

圖3 將溶膠-凝膠-薄膜轉換技術進一步擴展為連續(xù)化制備云母基納米紙。a) 設計加工的裝置，b) 口模，c) 水凝膠，d) 連續(xù)的云母基納米紙，e) 打結的云母基納米紙，f) 云母基納米紙在手動反復扭搓后不會破損。

  在表征該云母基納米紙的微觀結構、界面相互作用、裂紋擴展模式的基礎上，結合其宏觀拉伸性能，分析了微觀結構與宏觀力學性能之間的關系，證實三維芳綸納米纖維框架和云母納米片之間的耦合是大應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，高長徑比納米云母的二維幾何結構、均勻的層狀復合結構以及強韌的力學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

  相關研究獲美國化學會新聞雜志《化學與工程新聞》（Chemical & Engineering News, C&EN）報道，報道鏈接為：

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

  在報道中，美國密歇根大學材料科學家Nicholas Kotov教授評論：“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。對于許多應用來說，這些都是非常重要的性能參數(shù))。該研究成果已申請發(fā)明專利。