华北电力大学谢军、刘麒等：TiO2@SiO2与蒙脱土纳米材料协同提升聚丙烯薄膜绝缘性能研究

栏目：媒体报道发布时间：2026-02-06

　　聚丙烯薄膜绝缘性能高，有较强的机械强度和耐热性能，因此被广泛应用于干式薄膜电容器中，为柔性直流输电起到电压支撑作用。随着电压等级提高，聚丙烯薄膜绝缘

　　聚丙烯薄膜绝缘性能高，有较强的机械强度和耐热性能，因此被广泛应用于干式薄膜电容器中，为柔性直流输电起到电压支撑作用。随着电压等级提高，聚丙烯薄膜绝缘强度限制了干式薄膜电容器整体性能。

　　华北电力大学的谢军、刘麒、李霖、刘子谦和谢庆，在2025年第7期《电工技术学报》上撰文，提出一种新型多维纳米填料用以提升聚丙烯薄膜绝缘强度，研究了聚丙烯复合电介质薄膜的击穿强度，确定了最佳纳米颗粒填充比例，并分析零维纳米颗粒与二维纳米颗粒之间相互作用机理，为提升复合材料绝缘性能提供了新的思路。

　　干式薄膜电容器的安全可靠主要取决于其介质薄膜的绝缘水平。在工作状态下，薄膜电容器需承受暂态过电压和谐波的作用，一旦内部绝缘击穿，故障漫延整组电容器，造成经济损失并影响电力系统运行的稳定。随着输送电压等级的提升和设备小型化的发展，提升薄膜电介质的绝缘性能对于确保特高压输电的安全可靠具有重要意义。

　　本工作结合了零维颗粒与二维片状材料优点，制备了一种新型纳米颗粒。TiO2纳米颗粒表面缺陷较多，容易团聚，TiO2直接与PP接触会引起电场畸变。因此，在TiO2表面包覆一层无定形SiO2外壳，制成TiO2@SiO2核壳材料，以降低颗粒表面缺陷并构成介电梯度，提高了纳米颗粒分散性和缓解电场畸变。通过烧结方式将TiO2@SiO2核壳与二维MMT结合，形成含有多维度的纳米填料。实验结果表明，该纳米填料较大程度提升聚丙烯薄膜绝缘性能。

　　如图1所示，采用滴定法制备零维核壳TiO2@SiO2核壳颗粒（图2（a）和（b）），采用研钵研磨和机械切割的方式制作二维片状MMT纳米颗粒（图2（c））。将上述两种维度纳米颗粒物理充分混合后并通过马弗炉煅烧，得到多维度纳米颗粒（图2（d））。将聚丙烯和纳米颗粒烘干并置于混料桶中物理混合，采用熔融热压的防止即制得聚丙烯复合电介质薄膜PP/MMT@T@S。

　　PP/MMT@T@S薄膜DSC测试结果表明，多维纳米颗粒中的MMT给予聚丙烯分子链更多附着空间，使原本的均相成核变为异相成核，改变了聚丙烯薄膜内部晶体结构，TiO2@SiO2提高二维MMT分散性，提高了聚丙烯薄膜内部结晶度。

　　图3 DSC结晶特性曲线所示，常温下最优纳米掺杂含量为1.0phr，该含量的聚丙烯复合电介质薄膜直流击穿强度提高34.56%。

　　多维纳米颗粒使聚丙烯薄膜晶体结构完善并数目多，遏制击穿的引发。图5是击穿路径的发展情况。二维MMT抑制了击穿路径生长，此时MMT对于击穿的阻挡是概率性的。零维核壳TiO2@SiO2颗粒吸引电树枝向二维MMT片方向发展，使概率性阻挡的二维MMT变为定向阻挡。

　　如图6所示，多维纳米颗粒提高了纳米颗粒内部的陷阱能级密度。阻碍载流子入陷、脱陷等移动行为，减少载流子密度。

　　1）多维纳米颗粒中的二维MMT为PP分子链提供附着位点，完善PP薄膜的晶体结构，降低击穿引发概率。

　　2）多维纳米颗粒中的TiO2@SiO2核壳改善了二维MMT的分散性，增加界面体积，引入更多陷阱。

　　3）多维纳米颗粒中的核壳颗粒吸引击穿路径的发展，使基体中二维MMT由概率性阻挡变为定向阻挡。

　　华北电力大学输变电设备安全防御研究团队致力于输变电设备安全防御的研究，从事的主要工作包含：交、直流输电系统电磁环境分析与测试的研究；大型电力变压器在线综合监测与故障诊断方法与系统研究；新型电工绝缘材料与新型传感研究。

　　团队获批国家自然科学基金、863计划、973计划、国家重点研发计划、重大科学仪器设备开发等获国家级项目22项、省部级项目18项，承担了国家电网公司、南方电网公司等企事业单位委托科研攻关项目100余项，共获得资助经费5000余万元；出版专著6部，发表学术论文300余篇，其中SCI/EI检索160余篇；获国家技术发明奖二等奖1项，省部级科技进步一等奖4项、二等奖3项、高等学校科学研究优秀成果一等奖1项，对所属科学和技术领域及相关产业产生积极的影响。

　　副教授，博士生导师。主持国家重点研发计划课题1项，国家自然科学基金项目2项，国家重点研发计划子课题/子任务2项，国重实验室开放基金1项，教育部重点实验室开放基金1项，企事业横向科研项目多项；担任IEEE PES高压沿面放电分委会常务理事、IEEE PES 核能技术分委会常务理事、IEEE PES变电站智能巡检分委会理事、《绝缘材料》编委会青年编委、IEEE P3328工作组成员、河北省科技特派团成员；获燕赵英才A卡；参编国家标准1项（排名第三）、发表SCI/EI论文30余篇，授权发明专利7项。

　　教授、博导。一直从事电气设备智能化、放电等离子体、高性能电工材料等方面的科研工作。作为项目负责人主持国家自然科学基金、“智能电网”国家重点研发专项项目/课题、教育部中央高校科研专项重大项目等纵向项目10余项。共发表SCI、EI检索论文80余篇，授权发明专利20余项，出版中英文专著共2部，参编团体标准1项。担任新能源电力系统国家重点实验室研究人员，输变电设备安全与防御河北省重点实验室责任教授，担任中国电工技术学会高级会员，绝缘材料、等离子体专委会委员，中国电机工程学会高级会员、高压青年学组秘书，兼任IEEE PES（中国）变电站运维分委会常务理事。入选河北省三三三人才工程，获得河北省自然科学一等奖1项，河北省科技进步一等奖1项、河北省技术发明二等奖1项。