電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

隨著對間歇性可再生能源依賴性的增加，以及數(shù)據(jù)中心和電動汽車充電等日益增長的能源需求，全球電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施正承受著前所未有的壓力。電力變壓器的故障極易導(dǎo)致大面積停電，而絕緣失效是最大的誘因，其根源在于電、熱和機械應(yīng)力的共同作用。自1890年代以來，植物基木質(zhì)纖維素絕緣紙因其低成本、良好的介電強度（約72 kV/mm）和合理的機械強度（約100 MPa）而被廣泛使用。然而，傳統(tǒng)油浸絕緣紙（OIP）存在關(guān)鍵缺陷：其內(nèi)部油分布在三維互連的微米級油袋網(wǎng)絡(luò)中，由于絕緣油的介電擊穿強度遠(yuǎn)低于木材纖維，電擊穿路徑容易沿著這些油網(wǎng)絡(luò)蔓延，嚴(yán)重限制了材料的整體介電性能。此外，傳統(tǒng)OIP采用耗時耗能的硫酸鹽化學(xué)制漿工藝，該過程會降解纖維素纖維，降低其聚合度，導(dǎo)致材料在變壓器運行條件下易于長期降解。同時，傳統(tǒng)OIP的低熱導(dǎo)率導(dǎo)致變壓器內(nèi)部散熱不良，進(jìn)一步加速了材料老化。

新型浸油致密木材薄板實現(xiàn)性能突破

針對上述難題，美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授團隊聯(lián)合多家研究機構(gòu)，開發(fā)出一種基于浸油致密木材薄板（ODW）的新型絕緣紙。該材料利用木材天然的各向異性結(jié)構(gòu)，通過部分脫木素和致密化處理，將絕緣油限制在平均尺寸僅為166±87納米的納米通道中，有效阻斷了電擊穿路徑。研究顯示，ODW實現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的105 kV/mm 介電強度，同時機械強度高達(dá)384 MPa，熱導(dǎo)率達(dá)到0.33 W/(m·K)。經(jīng)過150°C、6周的熱老化測試后，ODW仍能保持274 MPa的機械強度，展現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。該研究成果以O(shè)il- impregnated densified wood veneer with high electrical insulation enabled by nanosized oil channels為題，發(fā)表于《Science Advances》雜志。

圖1. 用于電力變壓器絕緣的 ODW 的制備與性能。 （A）電網(wǎng)示意圖，變壓器在電力傳輸和分配中扮演重要角色。鐵心組件中的絕緣紙?zhí)峁╄F心與繞組之間的電氣絕緣，以及高低壓繞組之間所需的絕緣。圖片經(jīng) ANSYS, Inc. 許可使用。（B 和 C）傳統(tǒng) OIP（B）和所提出的 ODW（C）中油和纖維素分布的示意圖，以及示例性電擊穿路徑（黃線所示）。傳統(tǒng) OIP 結(jié)構(gòu)在隨機分布的木質(zhì)纖維素纖維內(nèi)具有互連的微米級油袋。相比之下，ODW 結(jié)構(gòu)在高取向和致密的纖維素纖維之間顯示出孤立的納米級油通道。（D）厚度約 70 μm 的 ODW 卷材照片。（E）密度分別為 1.3 和 0.95 g/cm3 的 ODW 和高密度 OIP 的性能比較。

材料制備與微觀結(jié)構(gòu)表征

研究人員通過巧妙的“三步法”制備ODW（圖2A）。首先，將厚度為500微米的天然椴木 veneer 在5 vol% NaOH 溶液中煮沸2小時，進(jìn)行溫和的堿性脫木素處理。這一過程部分去除木質(zhì)素和半纖維素，使木材結(jié)構(gòu)變得疏松，原本直徑1-50微米的導(dǎo)管腔和約10納米至2微米的細(xì)胞間隙擴大（圖2，B至D），同時暴露出高度取向的纖維素纖維，提高了木材的孔隙率和柔韌性。隨后，在真空條件下將預(yù)先干燥脫氣處理過的天然酯絕緣油浸漬到脫木素木材的孔隙中。最后，在7 MPa壓力下進(jìn)行冷壓致密化，木材厚度減少至約120微米，多余的油被擠出，微米級的導(dǎo)管腔和細(xì)胞間隙被壓縮成致密的疊層結(jié)構(gòu)（圖2，E至G），最終形成平均高度僅為167±87納米的納米級一維油通道（圖2K）。作為對比，商用高密度OIP（密度0.95 g/cm3，厚度135微米）的纖維素纖維取向性較差（圖2，H至J），內(nèi)部油呈現(xiàn)三維互連分布。小角X射線散射（SAXS）分析進(jìn)一步證實，ODW呈現(xiàn)出菱形的散射圖案（圖2L），表明纖維素納米纖維高度取向，而傳統(tǒng)OIP則為圓形圖案（圖2M），說明其纖維分布無序。因此，ODW中的絕緣油也遵循高度取向行為，形成了宏觀尺度上的一維絕緣油通道。

圖2. ODW 的形貌與結(jié)構(gòu)表征。 （A）ODW 的制備示意圖。步驟1是對木材單板進(jìn)行化學(xué)處理，部分去除木質(zhì)素和半纖維素。步驟2是向木材孔隙中浸漬油。步驟3是機械壓制，得到含油的致密化紙張。R、L、T 分別代表徑向、縱向和切向，即木材關(guān)于切割或紋理方向的三個主要方向。（B、E 和 H）數(shù)碼照片，（C、F 和 I）橫截面 SEM 圖像，以及（D、G 和 J）俯視 SEM 圖像，分別為（B-D）部分脫木素木材單板、（E-G）ODW 和（H-J）傳統(tǒng) OIP。注意，用于 SEM 表征時，ODW 和 OIP 中的油已用己烷去除。部分脫木素木材單板中所示的微米級導(dǎo)管腔（藍(lán)色箭頭指示）和導(dǎo)管腔之間的間隙（綠色箭頭指示）在 ODW 中被完全壓縮，而傳統(tǒng) OIP 則具有可填充油的三維互連空間。（K）致密化后不同厚度 ODW 樣品中油通道的高度。（K）中的數(shù)據(jù)基于至少50次測量，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。紅色雙箭頭表示木材單板樣品和 OIP 中的纖維取向。（L 和 M）120 μm 厚 ODW（L）和傳統(tǒng)高密度 OIP（M）的 SAXS 圖案。

介電性能與擊穿機理

在介電性能方面，厚度為120微米的ODW相對介電常數(shù)為5.2±0.078，略低于高密度OIP的5.47±0.31。而交流擊穿強度測試顯示（圖3A），ODW的擊穿強度高達(dá)105 kV/mm，遠(yuǎn)高于高密度OIP（約72 kV/mm）和低密度OIP（約50 kV/mm）。威布爾分布分析表明，ODW的特征擊穿強度參數(shù)為110.8 kV/mm，而高密度和低密度OIP分別為80.3和56.6 kV/mm。研究還發(fā)現(xiàn)，ODW的介電強度隨厚度減小而增加（圖3B），從500微米樣品的約65 kV/mm提升至120微米樣品的105 kV/mm。與文獻(xiàn)報道的其他纖維素基絕緣材料相比（圖3C），ODW的性能優(yōu)勢十分顯著。為揭示其機理，研究人員進(jìn)行了有限元模擬。模擬結(jié)果表明（圖3，D至H），在傳統(tǒng)OIP中，三維互連的油通道為電擊穿提供了連續(xù)的低阻抗路徑；而在ODW中，被高介電強度纖維素隔離的一維納米油通道有效地阻斷了擊穿路徑的延伸。模擬還顯示（圖3I），隨著油通道高度的減小，ODW的介電強度顯著提升，與實驗結(jié)果高度吻合。

圖3. ODW 介電性能的實驗測量與有限元模擬。 （A）ODW、低密度和高密度 OIP 的交流擊穿強度比較，以及材料的威布爾尺度參數(shù)。（B）介電強度隨 ODW 厚度的變化。（C）ODW 與其他已報道纖維素基絕緣材料的介電強度比較。（D 至 G）ODW 和 OIP 的模擬電場分布，其中絕緣系統(tǒng)的上表面和下表面分別施加 1 至 4 kV 和 0 V 的電壓。黑線是每種結(jié)構(gòu)中的典型擊穿路徑。（H）沿 OIP（D）和 ODW-2.2 μm（F）的電場彩色圖中所示路徑的電場強度。x 軸表示從介電擊穿路徑起點到終點的距離，如（D）和（F）所示。（I）OIP 和 ODW 樣品的模擬介電強度與其油通道高度的函數(shù)關(guān)系。注意，OIP 具有三維互連的油結(jié)構(gòu)，沒有明確的尺寸。

機械強度、熱導(dǎo)率與熱老化性能

ODW不僅在電絕緣性能上表現(xiàn)優(yōu)異，其機械和熱管理性能同樣出色。拉伸測試表明（圖4A），ODW的機械強度高達(dá)384 MPa，是低密度OIP（36 MPa）的10倍以上，也是高密度OIP（110 MPa）的3.5倍。這得益于致密化過程中纖維素之間形成的緊密氫鍵網(wǎng)絡(luò)和高密度結(jié)構(gòu)。在熱導(dǎo)率方面（圖4B），ODW的穿透平面熱導(dǎo)率達(dá)到0.33 W/(m·K)，高于高密度OIP的0.21 W/(m·K)和低密度OIP的0.12 W/(m·K)。增強的熱導(dǎo)率主要歸因于更高的纖維素含量、致密化過程中形成的連續(xù)固相傳熱網(wǎng)絡(luò)以及高度取向的纖維結(jié)構(gòu)減少了界面聲子散射。為了模擬變壓器內(nèi)部運行條件，研究人員依據(jù)IEEE C57.100-2011標(biāo)準(zhǔn)在150°C惰性氣氛下進(jìn)行了加速熱老化測試。經(jīng)過6周老化后，ODW的拉伸強度從384 MPa逐漸降至274 MPa，降幅為28.6%（圖4C）；而高密度OIP則從110 MPa降至76 MPa，降幅為31%（圖4D）。盡管兩者降幅相近，但ODW老化后的絕對強度（274 MPa）遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)OIP（76 MPa），充分證明了ODW在熱降解后仍能保持優(yōu)異的機械性能。

圖4. ODW 的機械性能、熱導(dǎo)率和熱穩(wěn)定性。 （A）ODW、高密度和低密度 OIP 的拉伸強度。（B）ODW、高密度和低密度 OIP 的熱導(dǎo)率。（C）在不同熱老化時間（0至6周）下，ODW 和高密度 OIP 的拉伸強度變化。（D）不同熱老化時間后 ODW 和高密度 OIP 相應(yīng)的拉伸應(yīng)力變化。

規(guī)模化制備與平面變壓器應(yīng)用演示

ODW的制備工藝與卷對卷連續(xù)生產(chǎn)兼容，具有良好的可擴展性。研究團隊成功制備了長度超過1.5米的大尺寸ODW樣品（圖5B），且材料具有良好的柔韌性，能夠滿足纏繞變壓器銅排的要求。為了進(jìn)一步驗證ODW的實際應(yīng)用能力，研究人員制作了一臺平面變壓器（圖5C）。ODW被加工成方形絕緣盒，用于固定重約5公斤的鐵氧體磁塊和線圈（圖5E），并以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）絕緣盒作為對照（圖5G）。在線圈通入37安培電流模擬發(fā)熱、底部強制風(fēng)冷散熱的條件下，紅外相機監(jiān)測顯示，使用ODW絕緣盒的裝置最高溫度穩(wěn)定在83.0°C（圖5F），而使用塑料絕緣盒的裝置最高溫度為93.6°C（圖5H）。ODW使熱點溫度降低了約10°C，這主要歸功于其更高的熱導(dǎo)率（0.33 W/(m·K) 對比塑料的0.15 W/(m·K)），有限元分析也驗證了這一結(jié)果。

圖5. ODW 的大面積制備與平面變壓器演示。 （B）照片顯示 ODW 可以大面積制備（長度 > 1.5 米）。（C）平面變壓器的示意圖。（E）由 ODW 制成的用于平面變壓器的絕緣盒，其機械強度足以容納鐵氧體磁塊和線圈，總重量約 5 公斤。（G）作為對照的塑料（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）絕緣盒。（F 和 H）使用 ODW（F）和塑料（H）絕緣盒的裝置中 Litz 線線圈的紅外相機圖像，顯示了最高溫度（Tmax）分別為 83.0°C 和 93.6°C。

總結(jié)與展望

本研究成功開發(fā)并展示了一種用于電力變壓器的高性能絕緣紙——浸油致密化木材 veneer。ODW利用木材天然的各向異性結(jié)構(gòu)，將油限制在平均高度為166±87納米的納米通道中，通過有限元模擬驗證了這種結(jié)構(gòu)通過阻斷電擊穿路徑來提升整體介電強度的機制。ODW實現(xiàn)了高達(dá)105 kV/mm的介電強度，刷新了木質(zhì)纖維素基油浸絕緣紙的記錄。同時，ODW展現(xiàn)出高達(dá)384 MPa的機械強度和0.33 W/(m·K)的穿透平面熱導(dǎo)率。經(jīng)過150°C、6周的熱老化測試后，ODW仍保持274 MPa的機械強度。這種優(yōu)異的綜合性能使ODW成為電力變壓器絕緣材料的有力替代品。此外，這種基于ODW veneer的結(jié)構(gòu)提出了一種通用的介電性能增強策略：即利用一維納米尺度的排空氣體介質(zhì)通道，可進(jìn)一步與環(huán)氧樹脂等材料結(jié)合，形成固態(tài)混合絕緣系統(tǒng)，應(yīng)用于干式變壓器、電機、印刷電路板等領(lǐng)域。