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 隨著電動機、變壓器等電力設(shè)備向著大功率、小體積快速發(fā)展，對電絕緣組件的力學(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，云母基等高端絕緣材料廣泛應(yīng)用于工業(yè)絕緣領(lǐng)域。目前，國內(nèi)企業(yè)已掌握了中低端的云母基絕緣材料技術(shù)，但高端的云母基絕緣材料嚴(yán)重依賴于國外進(jìn)口（例如美國杜邦公司的云母／芳綸微米紙Nomex 818）。近日，湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授王建鋒團隊仿生設(shè)計制備超韌高絕緣云母基納米紙，有望打破這種困境。

高端絕緣材料新時代來臨

王建鋒團隊研發(fā)出這種高端的云母基納米紙材料：以芳綸微米纖維和云母為原材料，制備出云母基納米紙（又稱芳綸紙）。其斷裂應(yīng)變能力是目前文獻(xiàn)報道的所有仿貝殼薄膜材料的4倍至240倍，其韌性是目前文獻(xiàn)報道的所有仿貝殼薄膜材料的6倍至220倍，高電擊穿強度每毫米達(dá)164KV，熱分解溫度達(dá)565℃，性能大大超過了國外的各種云母基絕緣材料。

這些優(yōu)異的力學(xué)性能與高電壓擊穿強度（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。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(yīng)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(dāng)。

受貝殼珍珠層啟發(fā)，王建鋒團隊將仿貝殼結(jié)構(gòu)的理念用于云母基絕緣紙這一應(yīng)用領(lǐng)域；實驗上，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。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)以及強韌的力學(xué)性能增加了云母基納米紙的抗電壓擊穿能力。

為使得這種云母基納米紙材料工業(yè)化生產(chǎn)成為可能，王建鋒還自行設(shè)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），可連續(xù)化制備出云母基納米帶，證明了該溶膠－凝膠－薄膜轉(zhuǎn)換技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上具有良好的可擴展性，使得這種技術(shù)可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

王建鋒教授這項“造紙術(shù)”已申請發(fā)明專利，相關(guān)研究成果發(fā)表在國際納米材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《美國化學(xué)學(xué)會·納米》上。這不單單是實驗室環(huán)境的技術(shù)驗證，而是實現(xiàn)了間歇式大面積制備，實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)在技術(shù)上已經(jīng)不成問題。其在未來商業(yè)的成功，不但也能提高國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)水平和產(chǎn)品附加值，也能為我國在“納米紙”乃至整個芳綸行業(yè)上爭奪話語權(quán)，特別是中美貿(mào)易戰(zhàn)激戰(zhàn)正酣的大環(huán)境下。由于芳綸紙大量使用在航空、航天、船舶、電子等領(lǐng)域內(nèi)雷達(dá)罩、次受力結(jié)構(gòu)部件、絕緣隔熱等零部件，在國防材料上占有舉足輕重地位，從某種程度上講，我國高科技發(fā)展受到的高端特殊材料的限制壓力，絲毫不比受制于芯片等高科技核心技術(shù)的壓力小。但與高投入、研發(fā)周期長、系統(tǒng)性強的高端核心技術(shù)相比，憑借單項技術(shù)突破實現(xiàn)高端絕緣材料產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展則相對容易。

有報道稱日本有一種成本20元的芳綸紙，銷售到中國價格在1000－2500元之間。對國內(nèi)企業(yè)來說無法取得技術(shù)突破，就得默默承受幾十倍乃至上百倍的溢價之痛。目前，國內(nèi)間位芳綸和對位芳綸有效產(chǎn)能分別為1萬噸／年和5500噸／年，其中對位芳綸國內(nèi)需求量超過1萬噸／年，進(jìn)口依賴度較高。和實驗室研究的技術(shù)突破讓我們看到國產(chǎn)替代的希望一樣，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的快速成長也讓我們?yōu)橹駣^。

國內(nèi)芳綸行業(yè)龍頭企業(yè)泰和新材，近年來一直積極布局芳綸紙業(yè)務(wù)，最近收購民士達(dá)特種紙業(yè)股份有限公司（民士達(dá)擁有芳綸紙產(chǎn)能2200噸／年，目前年產(chǎn)量大約500噸，擁有ABB、中航工業(yè)集團、中國中車在內(nèi)的國內(nèi)外200多家優(yōu)質(zhì)客戶客戶）65．02％股權(quán)、非公開發(fā)行股票募集不超5億元配套資金，其芳綸纖維產(chǎn)業(yè)鏈日趨完善，盈利能力持續(xù)釋放。其2019年報顯示，受益于芳綸兩大業(yè)務(wù)板塊（間位、對位）的增長，公司芳綸業(yè)務(wù)實現(xiàn)收入10．10億元（占比全年總營收39．72％），同比增長10．00％，對應(yīng)產(chǎn)品毛利率約44．22％，同比去年增加6．81％，其借助滿產(chǎn)滿銷的芳綸業(yè)務(wù)一舉逆轉(zhuǎn)其氨綸主業(yè)下行周期帶來的虧損壓力。目前其新建的對位芳綸新產(chǎn)能目前已經(jīng)投放，已擁有間位、對位芳綸產(chǎn)能分別為7000噸／年和4500噸／年。另據(jù)泰和五年規(guī)劃，其對位、間位芳綸均將擴產(chǎn)至1．2萬噸。

隨著國內(nèi)企業(yè)的加速布局，芳綸產(chǎn)業(yè)不斷向下游逐漸延伸，高性能芳綸纖維產(chǎn)業(yè)鏈會逐漸完善。在企業(yè)不斷加強相關(guān)研發(fā)投入、擴張產(chǎn)能之外，借助高校和科研院所的在前沿技術(shù)的研究成果通過產(chǎn)學(xué)研的方式，實現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢和規(guī)模優(yōu)勢的有效對接，方能逐步實現(xiàn)進(jìn)口替代，開啟高端絕緣材料的新時代。