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【科技自立自强】西安交大张博雅、李兴文教授科研团队在高压直流GIS绝缘子环氧树脂材料研究领域取得重要进展

日期：2026-04-08 10:37 浏览量：

高压直流气体绝缘金属封闭开关设备（直流GIS）作为直流电网中的重要电力设备，可靠性高、输送容量大、受外界环境影响小，相比敞开式开关设备体积减小70%以上，可以显著降低海上与陆上换流站的体积，在直流输电中具有广阔的应用前景。但受限于高压直流绝缘与放电理论研究及相关电工新材料开发等方面的不足，国际上长期以来尚无直流GIS产品投入工程应用，使其成为未来轻量化海上换流平台和紧凑型陆上换流站亟待突破的关键设备之一。

针对上述问题，西安交通大学电气工程学院、电工材料电气绝缘全国重点实验室张博雅、李兴文教授团队基于前期在高压直流气固界面放电理论研究基础上，面向直流GIS高温强场运行条件下环氧树脂材料的绝缘性能大幅显著降低、制约装备可靠运行的关键问题，开展了宽温域环氧树脂材料及性能调控研究，研制了新型环氧树脂复合配方，连续发表了多篇高水平论文。

首先，提出了直流绝缘环氧树脂分子片段设计方法。通过取代基工程对环氧树脂基体进行分子结构调控，系统揭示了主链芳香环/脂肪环互连基团、侧链基团以及卤素基团对能带结构和陷阱能级分布的影响机制，阐明了刚性骨架与功能基团对电热力性能的影响规律，在此基础上，发展了兼具刚性弱共轭苯环结构与柔性醚键的新型高阻直流环氧树脂配方设计思路。在增强填料设计方面，构建了具有对称受体-供体-受体（A-D-A）结构和卤代端基的定制化分子填料体系。该分子设计能够增强分子内部库仑相互作用，有效局域化自由电荷，同时激发态与基态之间显著的分子内电荷转移效应可促进紫外能量耗散，抑制电老化过程中的能量积累，揭示了有机分子半导体“超窄能隙”与“深陷阱捕获”之间的竞争关系，阐明了其在电极/绝缘材料界面抑制电荷注入与传输的作用机理，为宽温域、强场条件下聚合物绝缘材料的分子设计提供了理论依据。进一步提出了面向高压直流应用的有机小分子增强填料砌块化设计策略，通过引入BBT高电子亲合能骨架及两性离子结构，协同构筑高电子亲合能、高环境稳定性和抗迁移特性兼备的有机填料，在仅0.02wt%的极低掺杂含量下，复合材料高温电阻率提升一个数量级，同时保持良好的机械性能、热稳定性以及加工性能，最终绝缘子表面电荷密度降低13.5%、直流沿面闪络电压提升18%，显著增强了直流GIS关键绝缘部件在复杂服役环境下的可靠运行能力。基于上述研究，新型环氧树脂复合配方浇筑的直流GIS盆式绝缘子通过了出厂型式试验，新配方经第三方测试，玻璃化转变温度为132℃，直流击穿场强大于150kV/mm，常温和90℃的体积电阻率分别达到1.2×10¹⁷和2.3×10¹⁶Ω·cm，指标处于领先水平。

图1 直流绝缘环氧树脂分子结构设计

图2 有机分子填料增强环氧树脂复合材料

近期，上述研究成果分别以《受体-供体-受体结构分子填料用于提升聚合物介电材料高温绝缘性能》（A-D-A Structured Molecular Fillers for Boosting High-Temperature Insulation of Polymer Dielectrics）、《环氧树脂聚合物热性能与电性能均衡优化的苯环结构设计策略》（Benzene ring structural design strategy toward well-balanced thermal and electrical properties in epoxy dielectric polymers）、《弱共轭刚性结构设计提升环氧树脂高温绝缘性能》（Revolutionizing High-Temperature Electrical Properties of Epoxy Resin via Tailoring Weak Conjugation Rigid Structures）和《定制化分子填料赋予全有机聚合物优异的高温绝缘性能与长期稳定性》（Tailored Molecular Fillers Enable High-Temperature Insulation and Long-Term Operating Stability in All-Organic Polymers）为题陆续在在国际知名期刊Advanced Functional Materials、Composites part B: Engineering和Small发表，其中1篇成果被选为Small期刊Frontispiece高亮推荐。