陕西科技大学张美云、杨斌ACS Nano：新型微纳纤维网络复合芳纶纸在机械与电绝缘性能上取得协同提升

电气绝缘材料是确保电气系统运行安全和能源效率优化的基石，广泛应用于电力变压器、驱动电机和航空航天组件等关键领域。当前，纸基绝缘材料因其轻质、高介电强度和可设计性而备受关注，但传统聚间苯二甲酰间苯二甲胺（PMIA）纸存在结构疏松、机械性能差和介电强度低的问题，而芳纶纳米纤维（ANF）纸虽具有优异的拉伸强度和介电性能，却因纤维节点固定、难以通过滑移耗散能量，导致撕裂强度极低，易发生脆性断裂，严重限制了其在高电压和极端环境下的应用。

近日，陕西科技大学张美云教授团队杨斌副教授成功开发出一种具有“钢筋混凝土”结构的PMIA@ANF复合纳米纸，通过优化微米级PMIA纤维与纳米级ANF网络的节点强度与密度，实现了撕裂强度与介电强度的协同提升。该复合材料的撕裂强度达到1899 mN，较纯ANF纸提高了47.5倍，同时介电强度高达82.8 kV·mm⁻¹，并在高温、低温和腐蚀性环境中表现出卓越的稳定性，为下一代极端环境电气设备提供了理想的绝缘材料解决方案。相关论文以“Micro/Nanofiber-Network Assembled Aramid Paper with Excellent Mechanical and Electrical Insulating Properties”为题，发表在ACS Nano上，论文第一作者为杨斌副教授。

研究团队通过分层组装策略构建了PMIA@ANF复合纳米纸。如图1所示，首先通过对位芳纶纤维在DMSO/KOH体系中去质子化制备ANF，随后将其注入PMIA水分散液中，通过氢键作用在PMIA纤维表面形成核壳结构。经过真空抽滤和热压处理，复合材料形成致密的“钢筋混凝土”结构，其中PMIA纤维作为增强相，ANF网络作为连续基体。FT-IR和XRD分析证实了PMIA与ANF之间形成了强氢键网络，并保持了ANF的高结晶性，为材料的高强度和高绝缘性奠定了基础。

图1 PMIA@ANF复合纳米纸的制备 （a）通过对位芳纶纤维的去质子化制备芳纶纳米纤维（ANF）。 （b）PMIA@ANF复合纳米纸的分层组装过程。 （c）PMIA@ANF复合纳米纸的结构示意图。 （d）PMIA纸、PMIA@ANF复合纳米纸和ANF纸的傅里叶变换红外光谱。 （e）三者的X射线衍射图谱。 （f）三者的拉曼光谱。

图2展示了不同材料的结构特征。纯ANF纸表面光滑、孔隙均匀但易脆裂；传统PMIA纸则结构松散、界面结合弱，存在大量孔隙。而PMIA@ANF复合材料随着PMIA比例的增加，表面逐渐致密，孔隙被ANF有效填充，尤其在PMIA含量为30%时，形成了连续无缺陷的界面结构，显著提升了材料的机械完整性和介电可靠性。

图2 PMIA@ANF复合纳米纸的结构表征 （a）ANF纸的表面SEM图像。 （b）ANF纸的截面SEM图像。 （c）PMIA纸的表面SEM图像。 （d）PMIA纸的截面SEM图像。 （e–g）不同PMIA比例的PMIA@ANF复合纳米纸表面SEM图像。 （h）30-PA复合纳米纸的截面SEM图像。 （i）PMIA@ANF复合纳米纸折叠成不同形状的照片。

在机械性能方面，如图3所示，PMIA@ANF复合纸表现出优异的拉伸强度（58.9 MPa）和撕裂强度（1899 mN）。其断裂表面呈现出分层耦合的破坏模式：ANF层发生脆性断裂，而PMIA纤维通过滑移和拔出耗散能量，延缓了裂纹扩展。相比之下，ANF纸在撕裂时仅表现为线性脆性断裂，无法有效分散应力。

图3 PMIA@ANF复合纳米纸的机械性能 （a）ANF纸、不同PMIA比例的复合纸及PMIA纸的拉伸应力-应变曲线。 （b）样品的拉伸强度和断裂伸长率对比。 （c）样品的杨氏模量和韧性对比。 （d）ANF纸拉伸断裂表面的数字图像和SEM图像。 （e）30-PA复合纸拉伸断裂表面的数字图像和SEM图像。 （f）PMIA纸拉伸断裂表面的数字图像和SEM图像。 （g）样品的撕裂强度及增长倍数对比。 （h）PMIA@ANF复合纳米纸撕裂表面的SEM图像。 （i）ANF纸撕裂表面的SEM图像。 （j）PMIA@ANF复合纸与ANF纸撕裂过程模拟图。 （k）PMIA@ANF复合纸、ANF纸、PMIA纸及以往报道的芳纶纸的撕裂指数与拉伸强度Ashby图。

电性能测试结果（图4）显示，PMIA@ANF复合纸的介电强度达到82.8 kV·mm⁻¹，远高于PMIA纸的33.2 kV·mm⁻¹。其介电常数在10³–10⁶ Hz频率范围内保持稳定（最低为1.54），介电损耗低至0.0047，体积电阻率高达2.0×10¹⁷ Ω·cm。这些优异的电绝缘性能归因于复合材料致密的结构和ANF的纳米限域效应，有效抑制了电子雪崩击穿和局部放电。

图4 PMIA@ANF复合纳米纸的电绝缘性能 （a）电子雪崩击穿机制示意图。 （b）样品的介电强度Weibull分布。 （c）对应的Weibull强度分布。 （d）PMIA纸的击穿孔尺寸及局部放大SEM图像。 （e）30-PA复合纳米纸的击穿孔尺寸及局部放大SEM图像。 （f）介电常数曲线。 （g）介电常数。 （h）样品的体积电阻率。 （i）介电损耗曲线。 （j）介电损耗。 （k）PMIA@ANF复合纸、ANF纸、PMIA纸及以往报道的芳纶纸的撕裂指数与介电强度Ashby图。

此外，该复合纸在极端环境下仍保持出色的性能稳定性（图5）。热重分析显示其热分解温度达410°C以上；在200°C高温下仍保留82.9%的撕裂强度和48.8 kV·mm⁻¹的介电强度；在液氮（-196°C）中可自由弯曲而不脆裂；在强酸、强碱和高盐环境中浸泡30天后结构仍完整。其水接触角达100.6°，具备优异的疏水和抗污染能力。

图5 PMIA@ANF复合纳米纸在极端条件下的耐受性 （a）PMIA纸、30-PA复合纸和ANF纸的热重曲线。 （b）对应的导数热重曲线。 （c）不同温度暴露24小时后样品的拉伸强度。 （d）不同温度暴露24小时后样品的撕裂强度。 （e）不同温度暴露24小时后样品的介电强度。 （f）30-PA复合纳米纸在液氮中弯曲的光学图像。 （g）PMIA@ANF复合纸在不同试剂中浸泡1个月后的结构稳定性。 （h）30-PA复合纸在不同溶液环境中的拉伸强度。 （i）PMIA纸、30-PA复合纸和ANF纸的接触角。

综上所述，PMIA@ANF复合纳米纸通过微纳纤维网络的协同设计与结构优化，在机械强度、电绝缘性能和环境适应性方面实现了全面突破，不仅显著超越了传统绝缘材料，也为柔性电子、航空航天和下一代高电压设备提供了具有广阔应用前景的高性能材料平台。

来源：高分子科学前沿

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