納米復合對聚丙烯高壓直流電纜電氣性能影響的研究進展

郭文嬌，李 娟，李 瑩

（1. 國網山西省電力公司大同供電公司，山西 大同 037000；2. 生態(tài)環(huán)境部對外合作與交流中心，北京 100035；3. 北京化工大學碳纖維及功能高分子教育部重點實驗室，北京 100029）

0 前言

在國家電網體系中，HVDC 電力電纜是電網進行電力遠程輸送的關鍵材料，它對電網電力的安全穩(wěn)定輸送發(fā)揮著重要的作用。HVDC 電纜絕緣材料先后經歷了天然橡膠、聚氯乙烯、合成橡膠（丁基橡膠和乙丙橡膠）、聚乙烯以及XLPE等發(fā)展階段［1］。目前，HVDC電纜絕緣材料的應用首選仍然是XLPE，其主要優(yōu)勢在于高工作溫度、低介電損耗以及出色的抗化學及抗油性等特點［2-3］。但是，隨著環(huán)保理念和綠色可持續(xù)發(fā)展需求的進一步提升，XLPE電纜絕緣材料的弊端逐漸開始顯現(xiàn)［4］：一是在擠出交聯(lián)以及脫氣過程的生產工藝復雜，需要高溫高壓環(huán)境，能耗相對較高；二是XLPE 是典型的熱固性材料，在達到使用年限退役后，無法回收處理，只能就地掩埋或者焚燒處理，會對環(huán)境造成極大的污染?；谏鲜鋈秉c，XLPE已無法滿足綠色環(huán)保的要求，對其進行替代研究勢在必行，低碳環(huán)保、回收再循環(huán)利用的熱塑性材料是新的研究熱點。隨著HVDC電纜絕緣材料的快速發(fā)展，在減小電纜尺寸、降低其重量和體積的同時，提高其工作電壓和加大功率容量方面的需求不斷增加［5］。

基于上述需求，近幾年PP 絕緣材料引起學術界和工業(yè)界的廣泛關注［6-8］。PP 具有較高的耐熱性，其熔點高達170 °C，比聚乙烯（PE）高40 %~50 %。由于這一特性，PP 的長期工作溫度可以輕松延長到100~120 ℃。此外，PP 具有疏水性，濕度對其絕緣性能的影響較小。在電氣性能方面，PP 具有高擊穿強度、低介電損耗、低介電常數(shù)和高直流體積電阻率［9］。另外，PP還具備高的力學性能，這意味著可以不進行任何交聯(lián)的情況下使用。因此，與傳統(tǒng)的XLPE相比，PP在使用壽命結束后可以輕松進行回收和重復使用。這些卓越的性能使PP在HVDC絕緣材料方面具備顯著的優(yōu)勢。

然后，PP 因其本身彈性模量大、剛性強、抗老化性能差、低溫脆性大等缺點，不滿足HVDC電纜絕緣材料的要求。針對這些問題，學術界一直在進行各種研究，希望得到合適的解決方案，目前主要的改善方法集中在共聚改性、共混改性和納米顆粒摻雜改性3 個方面。迄今為止，已經發(fā)表了大量關于共混改性以及共聚改性PP 基HVDC 電纜絕緣材料的文章。但是目前還沒有專門總結不同納米填料摻雜對PP 基HVDC 電纜絕緣材料電氣性能影響的文章。

在本文中，作者首先概述了傳統(tǒng)XLPE 絕緣材料的局限性，然后從分析PP 結構出發(fā)，指出了PP 基HVDC 電纜絕緣材料的優(yōu)勢。接下來，討論了納米填料的種類和表面修飾技術，并著重分析了納米填料種類、含量、形態(tài)及其在聚合物基體中的分散性對PP 納米復合材料電氣性能的影響。最后，對未來可以定制不同性能PP 納米復合材料的HVDC 電纜絕緣材料進行了展望。

1 傳統(tǒng)XLPE的局限性

在過去的60 多年里，由于其良好的力學和電氣性能，XLPE 已廣泛應用于HVDC 電纜絕緣材料。XLPE 是通過使用交聯(lián)劑過氧化二叔丁基對PE 進行交聯(lián)，形成三維交聯(lián)的聚合物網絡，以提高其熱穩(wěn)定性，XLPE 的工作溫度提高到了90 ℃，而PE 的工作溫度僅為70 ℃［10］。然而，隨著我國對能源需求的日益增長，對電纜能量容量的要求也進一步提高。傳統(tǒng)的基于XLPE 的HVDC 電纜絕緣材料會面臨許多問題：首先，XLPE 的工作溫度為90 ℃，這使得電纜的能量容量收到限制，因進一步增加電纜的能量容量將使其工作溫度超過90 ℃，會加速電纜的老化，從而限制其在HVDC 領域的應用；其次，交聯(lián)劑過氧化二叔丁基的使用會產生一些副產品，如甲烷、苯酚、乙苯、2-甲基苯乙烯和叔丁基醇，這些副產品存在于XLPE 電纜中，可能會導致在直流電場下大量空間電荷的積聚［11-12］，進而導致電纜內部局部電場的扭曲，發(fā)生電氣劣化，從而導致絕緣失效［13］。盡管這些副產品可以通過在生產過程中脫氣來去除，但脫氣需要較長的處理時間和較高的溫度，會極大增加生產時間和成本［14］；此外，交聯(lián)使XLPE 成為一種難以在其使用壽命結束時回收和重復使用的熱固性材料?？紤]到XLPE 的上述局限性，因此開發(fā)一種可以替代XLPE 并具有卓越性能的環(huán)保型HVDC 絕緣材料勢在必行。

2 PP替代XLPE的可行性

就HVDC 電纜絕緣材料的基本性能要求而言，PP具有較高的熔融溫度，使其能夠承受高電壓并耐受更高的工作溫度，因此無需使用交聯(lián)劑構建交聯(lián)網絡，也就不像XLPE 那樣存在雜質問題，不會降低PP 的電氣性能［5］。因此，與XLPE 相比，PP 具有更高的熱電性能、不形成副產品、不需要脫氣處理以及可回收等優(yōu)點。

PP 屬于聚烯烴，是通過丙烯單體的聚合而成。根據(jù)甲基基團（–CH3）在聚合物主鏈上的位置，PP 可以分為3 種立體異構構型［15］：等規(guī)PP（iPP），其甲基基團在聚合物主鏈的同一側；間規(guī)PP（sPP），其甲基基團在聚合物主鏈的兩側以交替順序排列；無定型PP（aPP），其甲基基團雜亂分布在聚合物主鏈兩側，分子結構如圖1 所示。iPP 和sPP 是半結晶聚合物，而aPP 是無定形聚合物，沒有實際的使用價值。

圖1 3種PP的結構圖Fig.1 Stereochemical configuration of PP

Yoshino 等［15］對sPP、iPP 和XLPE 的交流擊穿強度進行了比較研究，發(fā)現(xiàn)sPP 的交流擊穿強度遠高于iPP 和XLPE。盡管sPP 在HVDC 電纜絕緣方面表現(xiàn)出更好的性能，但其高生產成本限制了其在HVDC 電纜絕緣材料中的廣泛應用。于是，研究人員把開發(fā)重點放在了iPP 上，iPP 具有相對較高的擊穿強度和較低的生產成本，然而，其在低溫下的高剛度和脆性阻礙了其在HVDC 電纜絕緣材料中的應用。為此，共聚改性（丙烯單體與其他聚烯烴共聚合）、共混改性（將PP 與其他聚合物共混）和納米顆粒摻雜改性3種方法被用來調節(jié)及平衡iPP的力學性能、電氣性能和熱性能。

共聚改性的文獻大多集中于丙烯與乙烯單體的共聚。Huang等［16］采用共聚的方法合成了丙烯-乙烯嵌段共聚物和丙烯-乙烯隨機共聚物，并對比研究了iPP、丙烯-乙烯嵌段共聚物和丙烯-乙烯隨機共聚物的電氣性能，結果表明，丙烯-乙烯隨機共聚物表現(xiàn)出高柔韌性和高熔點的優(yōu)勢，在減少空間電荷和提高擊穿強度方面也表現(xiàn)最佳。

共混改性的研究主要集中于PP 與乙烯丙烯橡膠、乙烯丙烯二烯單體（EPDM）和聚烯烴彈性體（POEs）等進行共混。Hosier 等［6］研究了幾種iPP/sPP 共混物和iPP/丙烯-乙烯共聚物（PEC）共混物的熱性能、力學性能和電氣性能。研究結果表明，含有40 %乙烯的iPP/PEC 共混物具有最優(yōu)的電氣性能和力學性能。Zhou Y 等［17］研究表明，將PP 與POE 混合可以獲得HVDC 電纜絕緣材料所需的各種理想性能，POE 添加量低于30 %時，對擊穿強度幾乎沒有影響，只有在POE 添加量超過30 %時，擊穿強度降低了10 %。此外，Hosier 等［18］還對比了XLPE 和PP/PE 共混物的各項性能，研究發(fā)現(xiàn)，在較高的工作溫度下，PP/PE 共混物在力學性能、熱性能和電氣性能等方面均優(yōu)于XLPE，與XLPE 相比，PP/PE 共混物的直流擊穿強度提高了35.77 %。

大量研究也表明，共聚和共混對PP 力學性能的提升較大，但絕大多數(shù)情況下，電氣性能會略有下降。因此，利用納米復合技術增強PP基HVDC電纜絕緣材料的擊穿強度成為近來的研究熱點。

3 HVDC 絕緣材料用PP 納米復合材料的研究進展

電氣絕緣中的納米電介質概念是由Lewis 于1994年提出的，通過將納米尺寸的顆粒分散在聚合物中的方式，進而增強材料的電氣性能［19］。隨后，2001年，F(xiàn)rechette 等［20］提出了“納米電介質”這一術語，指的是具有納米結構的多組分電介質，其存在會導致其一個或多個電氣性能發(fā)生變化。納米復合材料與傳統(tǒng)復合材料的不同主要體現(xiàn)在［21］：（1）填料的尺寸通常小于100 nm；（2）納米填料的添加量一般不超過10 %；（3）納米填料具有非常大的比表面積。

3.1 納米填料的表面修飾

納米填料是基于其維度分類的，分別為零維納米填料一維納米填料和二維納米填料［22］。零維納米填料是一種各向同性納米材料，其的寬度、長度和厚度都在納米尺度范圍內，通常呈球形或立方體形狀，也被稱為納米球或納米晶體，常用的主要有以下幾種：二氧化鈦（TiO2）、二氧化硅（SiO2）、氧化鋁（Al2O3）、氧化鋅（ZnO）、氧化鎂（MgO）、氧化鋯（ZrO2）、氮化鋁（AlN）、氮化硼（BN）等。一維納米填料是指至少有兩個維度（厚度和寬度）處于納米尺度范圍內，一個維度（長度）超出納米尺度范圍的納米材料，通常稱為各向異性納米材料，包括納米線、納米纖維和納米管。碳納米管、六方氮化硼管和一維金屬氧化物（例如TiO2、ZnO 和Al2O3）是最常見的一維納米填料。二維納米填料是指至少有一個維度處于納米尺度范圍內的納米材料，也是各向異性納米材料，通常呈層狀或片狀，厚度在幾納米范圍內。二維納米填料包括納米片和納米板。納米粘土（層狀硅酸鹽）和石墨烯納米片是二維納米填料的典型示例。

為了實現(xiàn)納米填料在聚合物基質中的均勻分散，通常會對納米填料的表面進行修飾。這既可以防止納米填料團聚，還可以增加親水納米填料與疏水聚合物之間的相容性。主要的表面修飾方法有化學表面修飾和表面接枝兩種方法［23］。

化學表面修飾是將修飾劑與納米填料表面共價鍵合，從而加強其相互作用。納米填料的化學表面修飾可以通過使用偶聯(lián)劑來實現(xiàn)。硅烷偶聯(lián)劑是應用最廣泛的表面修飾劑。硅烷偶聯(lián)劑的一般結構可以表示為R–Si–X，其中R 代表有機功能基團（氨基、甲基丙烯?；?、環(huán)氧基）與聚合物發(fā)生反應，X 代表可水解基團（例如甲氧基、乙氧基），它與納米填料表面的羥基發(fā)生反應形成共價鍵。納米填料的表面修飾通常在液體介質中進行，通過在共同溶劑（例如乙醇、丙酮、二甲苯、甲苯）中添加納米填料和硅烷偶聯(lián)劑來實現(xiàn)。

另一種修飾納米填料表面的技術是在納米填料表面接枝聚合物來改善其界面強度?？梢詫⒕酆衔镏苯优c納米填料表面的官能團進行反應，也可以將單體與納米填料表面的官能團進行原位聚合。

3.2 界面面積的影響

大部分學者認為，聚合物納米復合材料中，在納米填料和聚合物之間（在納米尺度上）形成了特殊的界面區(qū)域，界面區(qū)域占據(jù)主導地位，它的存在改變了聚合物的鏈構象和結晶性能，進而提高了復合材料的電性能、熱性能和力學性能［24］。對于界面區(qū)域的結構，學者們提出了三種不同的界面模型，如圖2所示［19，26-27］。

圖2 3種不同的界面模型Fig.2 Three interface models between nanofiller and polymer

盡管學者們提出了不同的界面模型，但有一個共識：距離納米填料最近的界面層，通常是指納米填料進行了表面修飾的部分，是控制界面區(qū)域行為并影響納米復合材料性能的關鍵因素［25］。

3.2.1 雙電層模型

Lewis強調了納米復合材料界面區(qū)域的重要性，并提出了雙電層模型［19，28-29］。根據(jù)Lewis 的觀點，界面區(qū)域的電化學和力學性能與聚合物基體和納米填料相比有所不同。當納米填料分散在聚合物基體時，在納米填料和聚合物基體之間的界面處分別形成了屏蔽層和擴散層。屏蔽層包裹于納米填料的外部，并與納米填料的表面緊密結合。負離子和正離子在庫侖力作用下相互擴散形成了擴散層，這一層決定了納米復合材料的介電性能。當納米填料含量較低時，雙電層會干擾電荷載體的運動，從而提高擊穿強度。隨著含量的進一步增加，界面區(qū)域可能會重疊，進而在納米復合材料中形成導電路徑，加速了自由電荷載體的運動，最終導致?lián)舸姸冉档汀?/p>

3.2.2 多核模型

2005年，Tanaka 提出了多核模型［26］。該模型的界面區(qū)域由3層組成，即鍵合層、束縛層和松散層，但他同時也提出在庫侖力相互作用疊加時還存在第四層擴散層，第四層重疊與其他3 層重疊，厚度估計為幾十納米到100 nm［30］。第一層是鍵合層，厚度約為1 nm，納米填料和聚合物基體通過離子鍵、共價鍵、氫鍵和范德華鍵緊密鍵合。第二層是束縛層，厚度在2~9 nm 范圍內，是與納米填料緊密鍵合的聚合物鏈構成的界面區(qū)域。鍵合層和束縛層中均有深陷阱的存在，有助于提高納米復合材料的擊穿強度。第三層是松散層，厚度大于10 nm，具有不同的鏈構象，分子鏈具有一定的流動性，甚至還擁有自由體積或一定的結晶度。第三層與第二層的結合較為松散。借助多核模型，可以解釋介電常數(shù)、空間電荷抑制、介電擊穿強度和局部放電等現(xiàn)象［31］。

3.2.3 多區(qū)域模型

多區(qū)域模型是由Li等提出的［27］。該模型認為在聚合物與納米填料之間的界面會形成多區(qū)域，即結合區(qū)域和過渡區(qū)域。當納米填料通過共價鍵、離子鍵、氫鍵和范德華鍵與聚合物基體形成結合區(qū)域時，會富含深陷阱。過渡區(qū)域包含有序的聚合物鏈，其強烈依賴于聚合物基體的凝聚能密度（CED）。較高的CED 值會使分子鏈的柔性更佳，進而延長納米復合材料的使用壽命。結合區(qū)域和過渡區(qū)域都會影響納米復合材料的短期和長期擊穿性能。

3.3 納米復合材料的電性能

將納米填料加入聚合物中可以產生巨大的界面區(qū)域，從而提高聚合物納米復合材料的電性能，這是純聚合物材料和微米復合材料無法實現(xiàn)的。然而，聚合物納米復合材料電性能的改善還要取決于多個參數(shù)，如納米填料的種類、含量、形態(tài)及其在聚合物基體中的分散性等等。對于PP 納米復合材料，需要具備良好的電性能（高擊穿強度、抑制空間電荷、較低的直流電導率）、熱性能（高熱導率和熱穩(wěn)定性）以及良好的力學性能。迄今為止，已經有很多將不同尺寸、不同類型的納米填料添加到PP 基體中的研究。接下來，作者總結了納米填料的種類、含量、形態(tài)及其表面化學性質對PP納米復合材料電性能的影響。

3.3.1 納米填料含量的影響

研究表明，加入少量（0.5 %~3 %）的納米填料可以改善PP 的電氣性能。Cao 等［32］報告了不同含量的納米MgO 對PP 納米復合材料介電性能的影響。當納米MgO 含量小于1 %時，隨著含量增加，直流擊穿強度增加；當納米MgO 含量超過1 %后，直流擊穿強度反而開始下降，但仍高于純PP；當納米MgO 含量超過6 %后，直流擊穿強度低于純PP，如圖3所示。

圖3 納米MgO含量對PP納米復合材料擊穿強度的影響Fig.3 Direct current breakdown of PP nanocomposites with nano MgO of different contents

在Zhou 等研究［33］中也顯示出相同結果，納米Al2O3含量較低時可以提高直流擊穿強度，并在含量為3 %達到最大值。隨著Al2O3含量達到5 %及以上，直流擊穿強度開始下降，空間電荷積累增加。這說明直流擊穿強度可能與聚合物基體中納米填料粒子之間的相互距離有關。當納米填料含量不斷增加并超過最佳水平后，納米粒子之間的平均粒子距離將減小，會導致界面區(qū)域的重疊，從而更容易形成擊穿通道。

Zha 等［34］研究表明，0.5 %的納米MgO 提高了PP/苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯（SEBS）混合物的直流擊穿強度，他將這一改善歸因于在聚合物/納米填料的界面區(qū)域形成了深陷阱，這些深陷阱成功地捕獲了空間電荷并減少了自由電荷載體的遷移；當納米MgO 含量進一步增加到1.5 %時，深陷阱密度變得過高，導致鄰近陷阱之間電荷載體的移動更容易，空間電荷積累增加，進而導致直流擊穿強度下降。Xie等［35］研究了高含量納米填料對PP 直流擊穿強度和電導率的影響，在納米Al2O3含量為1%時，與純PP 相比，納米復合材料的直流擊穿強度增加了36.7 %，電導率降低；當含量增加到7 %、12 %和20 %時，直流擊穿強度分別下降了9.2 %、21.1 %和28.6 %，伴隨高直流電導率。他們分析認為，直流擊穿強度的降低與高含量下的界面區(qū)域重疊有關，這有助于電荷載體在相鄰顆粒之間的遷移。在另一項研究中，Zha 等［36］還研究了不同含量（0.2 %、0.5 %、1 %和2 %）納米ZnO 對PP/SEBS 納米復合材料的電性能和力學性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在納米ZnO 含量為0.5 %時，PP/SEBS 納米復合材料的性能最佳，與PP/SEBS 混合物相比，拉伸強度和斷裂伸長率分別提高了18 %和24.7 %，改善了空間電荷抑制，提高了直流擊穿強度，同時降低了直流電導率。

3.3.2 納米填料種類的影響

不同的納米填料具有不同的物理性質，如電絕緣、介電常數(shù)和熱導率，這些性質可以影響聚合物納米復合材料的電氣性能。Zhou 等［37］對比研究了4 種不同種類納米填料（MgO、TiO2、ZnO 和Al2O3）對PP電氣性能的影響，結果如圖4 所示。納米填料的平均直徑均為50 nm。結果表明，3 %的MgO 和1 %的TiO2在有效抑制空間電荷和提高擊穿強度方面表現(xiàn)出最佳性能。Hamzah 等［38］將不同含量的Al2O3、TiO2和有機黏土分別加入EPDM/PP共混物中，比較分析了3種納米填料及其含量對直流擊穿強度的影響，在含量為2 %時，所有納米填料都可以提升直流擊穿強度，而進一步增加含量則反而會降低擊穿強度，其中有機黏土具有最高的直流擊穿強度。

圖4 4種納米填料對PP納米復合材料擊穿強度的影響Fig.4 Direct current breakdown of PP nanocomposites with different nanofillers of different contents

提高聚合物的熱導率是HVDC電纜絕緣中的一個重要指標。改善熱導率有助于在HVDC電纜內部和外部絕緣之間實現(xiàn)均勻的溫度梯度［39］。PP 本身的熱導率較低，約為0.14 W/（m·K），通常會添加具有高熱導率和電絕緣特性的納米填料，以提高其熱導率。例如，AlN 和BN 是典型的熱導率高且具有電絕緣特性的納米填料［40］。Zhou 等［41］將納米AlN 添加到PP 中，結果表明，納米AlN 的加入有效提高了PP 納米復合材料的熱導率和熱穩(wěn)定性，但AlN 的存在也導致了PP 直流擊穿強度的降低和電導率的增加。

3.3.3 納米填料表面化學性能的影響

由于無機納米填料的疏水性質，納米填料傾向于在非極性疏水性PP 基體中凝聚。因此，納米填料的均勻分散很難實現(xiàn)。通常，對納米填料進行表面修飾有助于其在PP 基體中實現(xiàn)均勻分散，從而增強介電性能［42-45］。Diao 等［46］研究了iPP/POE/SiO2納米復合材料的力學性能和電氣性能。使用了3 種不同的表面改性劑，分別是聚二甲基硅氧烷（PDMS）、辛基甲基硅氧烷和二甲基二氯硅烷，來修飾SiO2的表面。結果表明，SiO2的表面修飾會提高iPP/POE 納米復合材料的性能。經PDMS修飾的SiO2相對于其他表現(xiàn)出更好的抑制空間電荷和更高的擊穿強度，其斷裂伸長性能也顯著提高。

硅烷偶聯(lián)劑的鏈長也會對聚合物基體的電氣性能產生影響［47-48］。Hu 等［49］研究了硅烷偶聯(lián)劑鏈長對PP 納米復合材料直流擊穿強度的影響。他們選擇了具有不同烷基鏈長度的三甲氧基硅烷：甲氧基（C1）、丙基（C3）、辛基（C8）和十八烷基（C18）來修飾納米MgO 的表面。硅烷偶聯(lián)劑修飾有助于納米MgO 在PP 基體中良好分散。所有納米復合材料均表現(xiàn)出了有效的空間電荷抑制和增強的直流擊穿強度。3 %經C8 硅烷偶聯(lián)劑修飾的MgO 顯示了最高的擊穿強度（比純PP 高27.4 %）。這說明C8 硅烷偶聯(lián)劑處理的MgO 可以引發(fā)更多的深電荷陷阱，可以有效捕獲電荷載體并減小它們的能量和遷移率，從而提高擊穿強度。另外，硅烷偶聯(lián)劑的含量也會影響聚合物納米復合材料的擊穿強度［50］，硅烷偶聯(lián)劑含量低可能導致納米填料的覆蓋不足，從而導致納米填料在聚合物基體中的分散不佳。相反，過量的硅烷偶聯(lián)劑可以發(fā)生自縮聚反應，會影響納米復合材料的電氣性能。Wang等［51］根據(jù)估算方法選擇了不同含量的三甲氧基（辛基）硅烷偶聯(lián)劑來修飾AlN 納米填料。結果表明，硅烷偶聯(lián)劑的數(shù)量對PP/AlN 納米復合材料的擊穿強度影響有限。

3.3.4 納米填料形態(tài)的影響

納米復合材料的電氣性能還取決于納米填料的幾何形狀。除了0D 納米填料，1D 和2D 納米填料也被用于調節(jié)PP 的電氣性能。由于1D 和2D 納米填料的各向異性與0D 不同，它們導致了不同的界面粘附。近年來，石墨烯納米填料已被用于許多研究中，以提高聚合物納米復合材料的電氣性能。石墨烯納米片的高比表面積（2 000 m2/g）有助于在聚合物和納米填料之間創(chuàng)建巨大的界面面積。石墨烯可以充當電壓穩(wěn)定器，有助于消散來自電極的高能電子的高能量，這些電子可能會損壞聚合物鏈。Du 等［52］將少量的2D 石墨烯納米片（直徑為0.2～10 μm，厚度為1 nm）引入PP/超低密度聚乙烯（PE-ULD）中，其中PE-ULD 的最佳含量是15 %。在引入極小含量的石墨烯納米片后，與純PP和PP/PE-ULD 混合物相比，實現(xiàn)了更低的直流電導率、更高的擊穿強度和有效的空間電荷抑制。這是因為石墨烯納米片的存在導致了界面區(qū)域內大量深陷阱的形成，有助于限制電荷載流子的運動，并為電荷載流子克服的電位壘提供了更高的障礙。同樣，Zhang等［53］研究了2D 氮化硼納米片（BNNS）對PP/SEBS 納米復合材料的電氣和熱性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，將3 %的BNNS 引入PP/SEBS 中可有效抑制空間電荷，擊穿強度比PP/SEBS 混合物提高了11 %，此外熱導率提高了3倍。

需要注意的是，納米填料的取向也在控制聚合物納米復合材料的電氣性能方面起著重要作用。Li等［54］研究了2D 有機蒙脫石對聚合物納米復合材料擊穿強度的影響。結果表明，6 %高度定向的有機蒙脫石會導致了擊穿強度的增加，并降低了直流電導率。這可能是由于定向的有機蒙脫石延長了自由電子移動的曲折路徑。

4 結語

由于PP卓越的電氣性能和熱性能，在HVDC電纜絕緣領域引起了廣泛關注，并有望成為HVDC 電纜絕緣中替代傳統(tǒng)XLPE 的良好選擇。然而，PP 基HVDC電纜絕緣材料的研究仍處于初級階段，一些問題的存在限制了其應用，如熱導率低、空間電荷積聚和在高溫和直流電流應力下的老化問題等。在PP 中添加納米填料會形成巨大的界面區(qū)域，界面區(qū)域在納米復合材料的性能中起主導作用，因此，納米復合被認為是提高PP 電氣性能的一種非常有前途的方法。對于PP 基HVDC 電纜絕緣材料，選擇合適的納米填料至關重要。應選擇能夠改善電氣性能（有效抑制空間電荷、提高擊穿強度和降低直流電導率）、提高熱性能并同時保持良好力學性能的納米填料作為PP納米復合材料的選擇。值得注意的是，在工業(yè)規(guī)模下實現(xiàn)納米填料在聚合物基體中的均勻分散可能是一項挑戰(zhàn)。因此，未來研究應將重點放在將實驗室規(guī)模的研究成果轉化為工業(yè)化生產，這將是決定PP 納米復合材料作為未來HVDC電纜絕緣材料能否成功應用的關鍵因素。