随着现代电子器件向小型化、多功能集成化和高功率化发展，绝缘材料在于电子电气、新能源、安全防护等方面起到不可或缺的作用。其通过隔离电子设备内部导电部分从而达到绝缘防护作用，为电子设备的稳定运行提供了可靠保障，也一定的延长了电子设备的使用寿命。芳纶纸作为目前市面上最为流行的纸质绝缘材料，其不仅具有优异的机械性能还具有优异的热稳定性。
然而在现代电子器件飞速发展的背景下，芳纶纸存在存在几个问题;(1)绝缘性能不理想。由于芳纶纤维（AF）直径较粗且界面作用弱，内的结构缺陷严重影响了其在高压环境下的绝缘性表现（2）导热能力差。无法满足设备的散热需求，热应力的集中会导致其绝缘性能的下降并影响电子设备的使用寿命。（3）耐候性不足。芳纶纸对于抵抗紫外辐照以及高温抗老化的能力较差，这导致其难以在长期恶劣环境下保持良好的绝缘防护能力。因此，为了确保电气设备的稳定运行，迫切需要开发出具有着高电绝缘性、高导热以及强可靠性的绝缘材料来解决上述问题。
图1 Al2O3/PAR 纳米复合纸的制备示意图
近日，武汉纺织大学熊思维副教授在期刊《Chemical Engineering Jouranl》上，发表了最新研究成果“High-Performance Al2O3/Polyarylate nanocomposite paper with enhanced Insulation, thermal Conductivity, and environmental stability for Advanced electrical applications”。论文第一作者为武汉纺织大学本科生程亮以及在读硕士马花，通讯作者为熊思维副教授。研究通过真空辅助自组装和热处理方法简便制得新型纳米复合纤维纸（Al2O3/PAR 纳米复合纸）。由高长径比聚芳酯（PAR）纳米纤维构筑成形成了致密的纤维网络结构，而氧化铝纳米粒子（Al2O3）具有优异电绝缘性以及导热性能，实现了纳米复合纸绝缘与导热性能的双重增强。此外，还通过微观模型的建立以及有限元仿真的模拟，揭示了PAR纳米纤维对Al2O3纳米粒子不同的包覆程度使Al2O3/PAR 纳米复合纸展现出不同的绝缘性能的机制。
图2 Al2O3/PAR 纳米复合纸的电绝缘性能。
图2 Al2O3/PAR 纳米复合纸的电绝缘行有限元仿真。
由PAR纳米纤维构筑的纤维网络结构有效的减少了电荷的注入以及对内部基质的侵蚀作用，而Al2O3纳米粒子起到匀化电场分布、抑制电树枝的形成与生长。这导致在其并未发生严重团聚时（Al2O3≤30 wt%），随着Al2O3纳米粒子填充量的增大，Al2O3/PAR 纳米复合纸的电击穿强度不断增大，在填充量为30 wt.%达到最大值115.4KV/mm，这达到了商业芳纶纸的356%。
此外，通过扫描电子显微镜（SEM）图像、有限元仿真以及先前报道，建立了不同填充量的Al2O3纳米粒子被热塑性聚合物PAR包覆的绝缘机制。当Al2O3填充量较低时，此时Al2O3纳米粒子被PAR基质所包覆，具有高电阻率的Al2O3纳米粒子阻止电树枝沿原趋势的生长以及减缓电树枝生长速率，因此电流在改变流动方向后，电流将沿着·Al2O3纳米粒子边缘的PAR基质中耗散；而随着填充量的升高，Al2O3纳米粒子发生轻微团聚并形成Al2O3聚集体，更大粒径的聚集体相较于Al2O3纳米粒子具有对电流更大的匀化及耗散作用范围；而当填充量过大时，Al2O3纳米粒子的团聚行为过度所形成大尺度的团聚体难以被完全包覆，从而裸露在PAR纳米纤维表面，这导致电子直接在Al2O3纳米粒子表面产生匀化，并从因团聚所产生的缺陷中迁移导致绝缘性的下降。
图3. Al2O3/PAR 纳米复合纸的导热性能以及热管理性能
随着PAR纳米纤维构网络中的具有高导热系数的Al2O3纳米粒子填充量的升高，Al2O3纳米粒子逐渐形成逾渗网络，建立起主要的导热路径。这有助于通过网络的建立起有效热传输，降低界面热阻。这导致在Al2O3纳米粒子填充量小于40 wt.%时，Al2O3/PAR 纳米复合纸导热能力不断提高，在填充量为30wt.%时导热系数达到了2.726W/(m⋅K)，达到了商业芳纶纸的2599%。将Al2O3/PAR-30纳米复合纸置于温度为65℃的加热台表面25s后，其表面温度高于商业芳纶纸4℃；置于逐渐升温的CPUs（中央处理器）表面60s后，其表面温度低于商业芳纶纸11.6℃，在CPUs关闭240后，其表面温度低于商业芳纶纸3.2℃，并且在多次循环后也能够保持优异的散热能力。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162000
人物简介：
熊思维，副教授，四川大学博士，硕士导师。已在Advanced Fiber Materials，Chemical Engineering Journal，Composites Science and Technology等期刊等国际期刊发表SCI论文20余篇，申请中国专利6项，授权1项，主持国家自然科学基金，湖北省自然科学基金、湖北省教育厅指导性项目等类科研项目8项，获得湖北省科技进步二等奖和三等奖各1项，中国纺织工业联合会科技进步奖1项，第十八届挑战杯全国一等奖1项，第十八届挑战杯湖北赛区特等奖1项。
