一张超薄“纸”守护高铁“心脏”——记高云母掺量耐电晕芳纶复合材料制备关键技术与应用

来源：市场资讯

（来源：中化新网）

编者按 前不久，陕西省委、省政府公布了2024年度陕西省科学技术奖获奖项目名单。其中，石油和化学工业领域共有28项成果入选，包括一等奖10项、二等奖6项、三等奖12项，涵盖油气勘探、煤化工、石油化工、精细化工、化工新材料、石油装备及资源绿色利用等多个方向。

　　为展现相关科技成果的研发历程、创新价值与应用成效，本报记者对其中3项一等奖成果进行了深入采访，并自本期起推出《2024年度陕西省科技奖成果展示》系列报道，以期呈现科技赋能产业高质量发展的生动实践。

　　你可曾想过，在时速300多千米的高速列车飞驰的背后，有一层厚度不足1毫米的“纸”，正默默守护着列车的动力核心。这层纸薄如蝉翼、轻若絮羽，却承载着绝缘、耐热、抗电晕等多重使命，这就是被工程师们誉为高铁牵引系统“隐形铠甲”的芳纶纸。

　　近日，陕西科技大学、泰和新材集团股份有限公司、陕西帕若德新材料科技有限公司等联合完成的“高云母掺量耐电晕芳纶复合材料制备关键技术与应用”荣获陕西省科技奖科学技术进步奖一等奖。该成果立足国家重大战略需求，通过近10年科研攻关，突破了云母含量高达50%的芳纶云母绝缘纸的产业化核心关键技术，达到国际领先水平，填补了国内高端纸基耐电晕绝缘材料的空白。

　绝缘材料的“无声之战”：从“卡脖子”到“挺脊梁”

　　作为一种战略意义的关键基础材料，高性能纤维纸基功能材料具有比重轻、比强度高、比刚度大、耐高温等优异性能，广泛应用于电气绝缘、轨道交通、航空航天等领域。其制备理论和技术是国际公认的难题，一直受到发达国家严密封锁。其中，芳纶纸基功能材料被列入国家“先进轨道交通行业急需新材料”。

　　随着我国最新自主研制的CRH450高速列车进入测试，这项关键材料逐渐进入公众视野。每节车厢的16组牵引电机，每组都需要精密敷贴约5平方米的芳纶纸。它必须长期耐受超过180℃高温、承受高频电磁振动，并抵御高压电场引发的“电晕侵蚀”，保障列车在严苛工况下安全稳定运行。

　　以轻工技术与工程(造纸)学科见长的陕西科技大学扮演了冲锋者的角色。该校在此领域已深耕20余年，此前攻克的高性能纤维纸基材料制备关键技术，已成功应用于国产CRH系列高速列车和新型军用直升机。站在前人肩膀上，以陆赵情教授为核心的团队，再次向绝缘材料领域的珠峰——高掺量芳纶云母复合材料发起挑战。科研团队开展了高性能纤维纸基复合材料纤维制备、高效分散与界面增强等基础理论研究，相继攻克了有机无机高密度差浆料系统难分散、高掺量云母芳纶纤维体系难共容等“卡脖子”技术瓶颈，在云母活化改性、有机/无机界面结合、芳纶云母绝缘纸复合等关键核心技术取得突破，形成了具有自主知识产权的芳纶云母复合材料关键技术体系。

　　“如果把牵引电机比作高铁的‘心脏’，绝缘材料就是保护心脏的‘心肌膜’。”该科研团队成员、陕西科技大学贾峰峰博士形象地解释说，传统芳纶纸绝缘性能好但耐电晕能力不足。在高铁高密度运行下，电机频繁承受电压剧变，易在绝缘层表面产生局部放电，即“电晕”。它如同悄无声息的“电腐蚀”，逐渐破坏绝缘结构，缩短电机寿命，增加维护成本。

　云母与芳纶跨界握手：破解异质材料融合难题

　　如何增强芳纶纸的“抗电晕”体质?科研团队将目光投向了古老矿物——云母。这种天然层状硅酸盐矿物，具有极高的绝缘强度、优异的热稳定性和卓越的耐电晕特性，已在电气工业中广泛应用。用云母增强芳纶纸，理论上可大幅提升耐电晕寿命，并借助云母的相对低廉性，减轻高端材料制造成本。

　　然而，理论与现实之间横亘着巨大的鸿沟。“云母是亲水的无机矿物，密度大、质硬而脆；芳纶纤维是疏水的有机高分子，轻盈柔软。两者性质犹如油与水，在常规水相造纸体系中极难均匀融合。”贾峰峰对记者说。混合浆料分散不均导致结构缺陷，云母鳞片在成形中大量流失，有机纤维与无机矿物界面结合弱，成纸强度差、易分层，高含量云母芳纶纸制备无疑成为国际公认的技术难题。

　　面对挑战，陆赵情教授团队提出了一套“活化改性—结构调控—梯度成形”的创新方案。他们发明了机械力活化耦合化学改性技术，使云母片层表面由“疏水”变为“亲水”，极大改善了其在水系中的分散性及与芳纶纤维的亲和力。“这相当于让原本‘高冷光滑’的云母片表面长出无数‘小手’，牢牢抓住芳纶纤维。”贾峰峰这样生动描述。他们还开发了微纳芳纶纤维可控细纤化技术，对芳纶纤维进行微观结构重塑，与改性云母形成强韧界面结合。

　　解决了分散与结合问题后，团队又创新设计分层成形及云母梯度分布控制技术，攻克了成形难关。最终，云母留着率从不足50%跃升至85%以上，稳定制备出云母含量达50%的高性能均匀复合纸材。

　从“追赶”到“引领”：国产纸基绝缘材料逆袭

　　经国家权威检测机构测试，这款新型芳纶云母复合绝缘纸与国外公司同类顶级产品相比，抗张强度提升42%，介电强度提升35%，耐电晕寿命延长超22%。这意味着在同等恶劣工况下，使用该材料的关键设备寿命可获得显著延长。更值得一提的是，通过调节工艺参数，产品中云母含量可在30%~50%范围内灵活调控，满足绝缘材料在不同场景的定制化需求。

　　2022年5月，“高性能纤维云母绝缘纸基复合材料制备关键技术及产业化”通过中国轻工业联合会组织的科技成果鉴定。专家认为整体技术达到国际领先水平，标志着我国芳纶纸基绝缘材料实现了从“跟跑”“并跑”到“领跑”的历史性跨越。

　　技术开发期间，成果完成单位累计获授权发明专利56件，参与制定国家标准4件。2017年以来，技术不断推广应用，在相关企业建成云母芳纶绝缘纸、高纤化芳纶浆粕、芳纶云母缆芯包带专用生产线，打通从关键原材料到终端产品的产业链。产品成功应用于国产CRH高速列车牵引电机、核电站关键电气设备、特高压直流输电等国家重大工程和高端装备领域，全面提升了我国新一代轨道交通、航空航天、能源电力等领域特种纸基功能材料的自主保障能力，并出口美国、俄罗斯、芬兰等国，成为ABB、西门子等国际知名企业的供应商，创造了显著的社会和经济效益，有力推动了我国特种造纸工业技术进步与转型升级。

图：陕西科技大学提供