实现我国“2030年碳达峰、2060年碳中和”的节能减排目标，必须推进以气体绝缘组合电器（Gas-insulated Switchgear, GIS）为核心枢纽的高压输电系统向清洁低碳转型。开发高可靠性GIS设备，研发GIS用高性能纤维增强树脂基复合绝缘材料成为当前重要的研究方向，对提高能源互联网国产化关键装备性能，保障电能供应可靠性具有重要意义。

绝缘拉杆是GIS的核心器件，担负隔绝高低电位、承受应力负荷的重要功能，电气绝缘与机械强度要求极高。芳纶纤维增强环氧树脂材料具有优良的机械强度、绝缘性能和热稳定性，且芳纶纤维制备过程较传统纤维材料更为环保，是高电压等级GIS用绝缘拉杆的理想材料。然而，近年来，不同电压等级下运行的国产芳纶/环氧绝缘拉杆事故率始终居高不下，严重制约了芳纶/环氧绝缘拉杆的推广应用。故障溯源表明，芳纶纤维与环氧树脂的界面结构设计存在缺陷，电气绝缘性能不佳，容易诱发局部电场畸变，从而导致放电和其他次生事故的发生。目前，业界对芳纶/环氧复合材料放电问题的研究仍处于早期发现问题的阶段，对放电的发生机理并不清晰，影响因素尚未明确，并缺乏有效的放电抑制与界面调控方法。因此，如何深入揭示放电与芳纶纤维/环氧树脂界面特性的关联性，从而有针对性地设计界面结构，增强电气绝缘性能，进而有效抑制放电，提高GIS可靠性，成为亟待解决的科学与技术难题。

律方成教授课题组基于等离子体改性对芳纶纤维的适配性与界面稳定性对偶联剂的需求，提出了芳纶纤维增强环氧树脂复合材料界面改善与绝缘、力学性能提升方案。针对芳纶/环氧绝缘拉杆国产化与高性能化的难题，旨在通过研究等离子体协同偶联剂处理芳纶纤维对复合材料的微观特性影响机制（如图1（a）所示），探讨该复合材料的绝缘特性。其中，重点关注击穿强度的Weibull分布、电荷陷阱分布和体积电导率等参数

（如图1（b）~（d）所示），以揭示复合材料性质的变化规律。此外，采用分子动力学方法研究芳纶纤维和环氧树脂之间的界面相互作用机制，重点关注径向分布函数（RDF）、界面相互作用能和均方位移（MSD）等参数（如图2所示）。在筛选等离子处理时间和调整偶联剂添加量后，复合材料的击穿强度达到了未改性芳纶纤维增强环氧树脂复合材料的197.4%。等离子处理芳纶纤维可促进原纤化，提高芳纶纤维和环氧树脂之间的界面结合强度，从而改善芳纶纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能，MD模拟中界面结合能绝对值的增加验证了这一点。此外，MD模拟结果表明，等离子体协同偶联剂改性降低了芳纶纤维增强环氧树脂复合材料的分子流动性，导致运动模式从大分子扩散过渡到链摆动和链内振动，从而使结构更加紧凑。提高界面性能有助于提高电力系统的可靠性，从而改善材料性能、延长使用寿命并降低维护成本。相关成果对于提高芳纶纤维增强环氧树脂GIS拉杆的绝缘性能和机械性能具有重要的意义。

▲图1 改性前后芳纶纤维的微观形貌及复合材料的绝缘特性参数

▲图2 芳纶纤维增强环氧树脂界面模型的建立与界面特性曲线

该研究工作相关成果Enabling highly tensile insulating aramid-epoxy composites via interface co-valent bonding发表在SCI一区顶级期刊Composites Science and Technology（IF="9.7）上，华北电力大学宋景萱博士为本论文的第一作者，华北电力大学律方成教授为本文的通讯作者，新能源电力系统全国重点实验室为论文唯一通讯单位。

Reference：

[1] Song J X, Lü F C, Ruan H O, Zhu M Y and Xie Q, Enabling highly tensile insulating aramid-epoxy composites via interface co-valent bonding[J]. Composites Science and Technology, 242(29):110217.

初审：李何筱

复审：张洪

审核：彭跃辉