油基二氧化鈦納米流體在絕緣油中的應(yīng)用分析

林海丹，郭家昌，張子龍，張海豐

(1.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130012；2.東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院)

隨著電壓等級(jí)和輸電能力的不斷提高,超高壓和特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行長(zhǎng)距離的電力傳輸,以滿足不斷增長(zhǎng)的電力需求。電力變壓器是輸電網(wǎng)絡(luò)中最重要的電氣設(shè)備之一,如果變壓器發(fā)生故障,可能會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成破壞,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰[1-3]。因此,為了應(yīng)對(duì)更多的不穩(wěn)定情況和動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件,應(yīng)盡可能采用油浸式變壓器進(jìn)行電能傳輸、分配和利用[4]。

變壓器的運(yùn)行穩(wěn)定性和壽命主要取決于絕緣系統(tǒng),而絕緣液體在絕緣系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。絕緣油具有絕緣、冷卻、滅弧和信息載體等重要功能,其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到變壓器的安全和穩(wěn)定運(yùn)行[5]?；A(chǔ)絕緣油主要包括礦物油、天然酯、硅油和合成酯。其中,礦物油分為石蠟基油和環(huán)烷基油,石蠟基油產(chǎn)于黑龍江大慶等地,環(huán)烷基油產(chǎn)于新疆克拉瑪依等地,是該領(lǐng)域的首選。它們的高抗氧化性、低黏度、可獲得性和低成本使它們成為使用最廣泛的介電液體[6]。然而,它們有一些負(fù)面的特性,如低濕飽和度、低燃點(diǎn)和低閃點(diǎn)。近年來(lái),易受生物降解的天然酯逐漸被重視。一方面,它們表現(xiàn)出優(yōu)越的性能,如高燃點(diǎn)和高閃點(diǎn)、高濕飽和度和延緩老化;另一方面,它們表現(xiàn)出氧化穩(wěn)定性差的負(fù)面特征[7-8]。作為另一種類型的絕緣液體,硅油在局部放電下具有高的氣體吸收能力、高燃點(diǎn)和高閃點(diǎn)、優(yōu)越的熱和氧化穩(wěn)定性,但它們也有劣勢(shì),如潤(rùn)滑性差和生物降解性低[9]。合成酯具有良好的特性,如高擊穿強(qiáng)度、高濕飽和度、高燃點(diǎn)高閃點(diǎn)、較好的氧化穩(wěn)定性、良好的生物降解性和潤(rùn)滑性;但合成酯的成本較高[10]。近年來(lái),將納米顆粒(NPs)分散到基礎(chǔ)油液中制備納米流體來(lái)改善絕緣液體的性能?！凹{米流體”一詞是由Choi和Eastman在1995年首次提出[11]。納米流體(NFs)是通過(guò)將粒徑小于100 nm的納米顆粒分散到基礎(chǔ)流體(水、酒精、離子液體、油)中而制備的[12]。在高電壓領(lǐng)域,“納米流體”和“納米液體”這兩個(gè)名詞術(shù)語(yǔ)共同用來(lái)表達(dá)變壓器油/納米顆粒組合。

以下將介紹油基TiO2納米流體的制備、特征、穩(wěn)定機(jī)制及其性能,提出其大規(guī)模應(yīng)用需要解決的問(wèn)題。

1 納米流體的制備、表征、穩(wěn)定機(jī)制

1.1 TiO2納米顆粒的制備

表1給出了TiO2NPs制備的代表性方法及其主要優(yōu)缺點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō),溶膠-凝膠法制備的TiO2NPs涉及由鈦烷氧化物形成的顆粒材料或玻璃原體凝膠。烷氧基鈦與有機(jī)溶劑混合,然后將混合溶液轉(zhuǎn)移到水溶液中[13]。沉淀法是通過(guò)將可溶性鹽[TiCl4或Ti(SO4)2]溶解在溶液中,加入沉淀劑來(lái)引發(fā)鹽溶液反應(yīng)[14],然后從溶液中沉淀出固體來(lái)制備TiO2NPs。水熱法通過(guò)控制溶液的壓力和溫度或者前驅(qū)物(Ti(SO4)2、鈦酸丁酯和鈦的鹵化物等)的水溶液來(lái)進(jìn)行反應(yīng),大多是在水熱釜中完成的,其溫度通常高于100 ℃,壓力超101.3 kPa[15]。

表1 TiO2 NPs制備代表性方法的優(yōu)缺點(diǎn)

1.2 TiO2納米流體的制備

NFs的制備技術(shù)可以歸納為兩類:單步法和兩步法[16]。在單步法中,NPs的制備和分散在基液中的過(guò)程是通過(guò)物理蒸氣冷凝同時(shí)進(jìn)行的。這種方法避免了干燥、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和納米顆粒的分散,從而最大限度地減少了NPs的聚集,NPs的均勻分布可以得到改善。然而,使用單步法時(shí)也存在一些缺點(diǎn),由于反應(yīng)和穩(wěn)定過(guò)程不完全,殘留的反應(yīng)物會(huì)留在NFs中,在不消除雜質(zhì)的情況下無(wú)法確定NPs的效果,而且大規(guī)模生產(chǎn)非常昂貴[17]。此外,在單步法中合成的NFs大多是金屬基NPs,如銅、銀和鎢[17]。

在兩步法中,合成NPs粉末之后,將其混合并分散到油中,分散過(guò)程是通過(guò)化學(xué)和物理處理共同進(jìn)行的[18]?；瘜W(xué)處理主要是通過(guò)使用烷氧基硅烷或表面活性劑來(lái)修飾NPs。這兩種方法都是通過(guò)吸附或化學(xué)反應(yīng)來(lái)改變NPs的表面,形成有機(jī)層[19]。另一方面,物理處理主要通過(guò)超聲、磁力攪拌、高剪切力混合或球磨,將NPs懸浮在基液中[20-21]。磁力攪拌是一種對(duì)聚集顆粒施加強(qiáng)大剪切力以打破它并使之在基液中良好分散的技術(shù)。超聲波攪拌技術(shù)比其他物理方法好,它應(yīng)用超聲波打破結(jié)塊的顆粒,減少分子間的相互作用,在液體中得到均勻的混合物。以礦物油為基礎(chǔ)油液,十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為表面修飾劑制備TiO2NFs的工藝流程可參閱文獻(xiàn)[18,22],首先使用磁力攪拌使CTAB均勻地分散在油中。伴隨著NPs的加入,NPs自身會(huì)發(fā)生團(tuán)聚,表面改性劑吸附在其表面上來(lái)減少團(tuán)聚。盡管兩步法中NPs的干燥、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程是不可避免的,需要經(jīng)過(guò)多個(gè)步驟才能完成,但制備的納米流體更經(jīng)濟(jì),特別是在大規(guī)模應(yīng)用中。

1.3 表征技術(shù)

納米流體可以通過(guò)以下技術(shù)進(jìn)行表征[23-28]:掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、光學(xué)顯微鏡(OM)、X射線衍射(XRD)、能量色散X射線光譜(EDX)、動(dòng)態(tài)光散射(DLS)、有限元分析(FEA)和Zeta電位分析。這些表征技術(shù)都是為了確定晶體結(jié)構(gòu)、顆粒大小、表面功能和表面電荷。SEM分析用于研究納米顆?；蚣{米結(jié)構(gòu)材料的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài),TEM與SEM類似,但分辨率比SEM高得多。XRD被用來(lái)識(shí)別和研究納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)。OM被用來(lái)觀察樣品的分散程度。EDX用來(lái)顯示納米顆粒的元素組成。DLS用于估計(jì)納米顆粒在基礎(chǔ)液體介質(zhì)中的平均分散尺寸。FEA用來(lái)研究納米流體中的電位移場(chǎng)和電流密度分布與納米顆粒特性的影響。Zeta電位值與納米顆粒在基液中分散的穩(wěn)定性有關(guān)。

1.4 穩(wěn)定機(jī)制

穩(wěn)定納米流體的關(guān)鍵是克服范德華吸引力。一般來(lái)說(shuō),穩(wěn)定機(jī)制分為3種:靜電穩(wěn)定、立體穩(wěn)定以及靜電立體穩(wěn)定[19],通過(guò)增加粒子間的排斥作用,抵消范德華吸引力。

在靜電穩(wěn)定方面,具有相同正負(fù)表面電荷的納米顆粒之間存在排斥力。表面電荷可通過(guò)以下方法引入:離子吸附、離子置換、表面帶電物種的解離、帶電物種的物理吸附和表面電子的積累或耗盡。在液體分散介質(zhì)中,數(shù)量相等的反離子將圍繞在帶電粒子周圍,以保持整體電荷中性,從而形成雙電層,內(nèi)部為緊密結(jié)合的斯特恩層,外部為擴(kuò)散的古伊層[29]。在靜電穩(wěn)定過(guò)程中,正是雙電層的重疊導(dǎo)致了相互排斥,并提供了分散穩(wěn)定性。DLVO理論成功地描述了膠體粒子的靜電穩(wěn)定,該理論認(rèn)為靜電穩(wěn)定粒子之間的總相互作用是范德華吸引力和靜電排斥力的結(jié)合。

立體穩(wěn)定化是另一種廣泛應(yīng)用于膠體分散體的穩(wěn)定化方法。它依靠在NPs表面附著大分子(通常是聚合物鏈)作為NPs之間的立體屏障來(lái)屏蔽粒子間的范德華吸引力。聚合物可以通過(guò)化學(xué)鍵不可逆地結(jié)合到粒子表面,也可以通過(guò)化學(xué)或物理吸附在粒子表面。附著的聚合物鏈應(yīng)與基液有良好的相容性,使其成為聚合物膨脹的良好溶劑。接枝高表面覆蓋率和長(zhǎng)聚合物鏈通常能更好地篩分顆粒內(nèi)核。當(dāng)接枝顆粒越來(lái)越接近時(shí),表面聚合物鏈的自由度就會(huì)降低,從而降低混合熵。同時(shí),接枝納米顆粒之間區(qū)域的高濃度聚合物分子會(huì)產(chǎn)生滲透效應(yīng)。熵的降低和誘導(dǎo)的滲透效應(yīng)共同構(gòu)成了立體穩(wěn)定的物理基礎(chǔ)。立體穩(wěn)定和靜電穩(wěn)定可以結(jié)合起來(lái)穩(wěn)定NPs的分散,這種結(jié)合被稱為靜電立體穩(wěn)定。在這種情況下,聚合物鏈附著在帶電的粒子表面或聚電解質(zhì)鏈附著在不帶電的粒子表面。當(dāng)兩個(gè)表面改性的粒子相互靠近時(shí),靜電穩(wěn)定和立體穩(wěn)定都有助于防止團(tuán)聚。

2 油基TiO2納米流體性能

絕緣液體的性能指標(biāo)包括物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和電氣指標(biāo)。為了對(duì)油基TiO2納米流體性能有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí),以下從交流擊穿電壓、雷電脈沖擊穿電壓、介質(zhì)損耗因數(shù)、熱導(dǎo)率、黏度、閃點(diǎn)、凝點(diǎn)和傾點(diǎn)等角度對(duì)TiO2納米流體進(jìn)行了剖析。

2.1 交流擊穿電壓

交流擊穿電壓是指對(duì)變壓器均勻施加電壓,絕緣液體將被放電而失去電阻發(fā)生導(dǎo)電的臨界電壓。交流擊穿電壓指標(biāo)是衡量電器內(nèi)部耐受電壓而不被破壞的尺度,也是檢驗(yàn)絕緣液體性能好壞的最重要的先決條件之一[22]。以下將介紹與晶體結(jié)構(gòu)、表面活性劑、攪拌時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、納米顆粒尺寸、老化因素有關(guān)的交流擊穿電壓。

2.1.1納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)和尺寸

晶體結(jié)構(gòu)主要分為晶體態(tài)和非晶態(tài)(無(wú)定形態(tài))。晶體態(tài)是指物質(zhì)分子或原子按照一定的規(guī)律排列,形成具有規(guī)則幾何形狀的晶體。無(wú)定形態(tài)是指物質(zhì)沒有明顯的結(jié)晶形態(tài),其分子或原子排列無(wú)規(guī)則,呈現(xiàn)出均勻的、無(wú)序的狀態(tài)。TiO2在自然界以3種晶體結(jié)構(gòu)形式存在:金紅石、銳鈦礦和板鈦礦。由于板鈦礦的穩(wěn)定性最差,因此主要研究金紅石和銳鈦礦結(jié)構(gòu)對(duì)油基TiO2NFs交流擊穿電壓的影響。在文獻(xiàn)[30]中,研究了金紅石和銳鈦礦結(jié)構(gòu)以及不同體積分?jǐn)?shù)(0,0.005%,0.05%,0.2%,0.5%)的TiO2NPs對(duì)油基TiO2NFs交流擊穿電壓的影響。研究發(fā)現(xiàn),體積分?jǐn)?shù)為0.05%的金紅石結(jié)構(gòu)TiO2NFs表現(xiàn)出最高的擊穿電壓,擊穿電壓提高了25%。納米顆粒尺寸對(duì)交流擊穿電壓的影響是復(fù)雜的,不僅與顆粒尺寸有關(guān),還與晶體結(jié)構(gòu)、電子和空穴的遷移速度、濃度和能帶寬度等因素有關(guān)。一般來(lái)說(shuō),納米顆粒尺寸越小,交流擊穿電壓越低。這是因?yàn)榧{米顆粒的比表面積更大,表面的缺陷和雜質(zhì)更多,容易形成電子陷阱和電荷積累,導(dǎo)致電子和空穴的遷移速度增加,從而使交流擊穿電壓降低。在文獻(xiàn)[31]中,以25號(hào)克拉瑪依油為基礎(chǔ)油液,研究了不同尺寸(5,10,15 nm)的納米顆粒對(duì)擊穿電壓的影響并觀察到納米顆粒尺寸為15 nm的TiO2納米流體表現(xiàn)出最好的交流擊穿性能,印證了上述性能變化的機(jī)理。

2.1.2表面修飾劑

Atiya等[18]研究了不同濃度的表面修飾劑(CTAB)對(duì)TiO2NPs分散程度的影響以及不同濃度的NPs對(duì)擊穿強(qiáng)度的影響。確定表面修飾劑的適宜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.3%,在該范圍內(nèi)研究了不同濃度的NPs對(duì)擊穿強(qiáng)度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與基礎(chǔ)油液相比,當(dāng)NPs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.007%時(shí),擊穿電壓提高了27%。此外,Lü Yuzhen等[32]研究了不同種類的表面修飾劑(硬脂酸和硅油)對(duì)擊穿電壓的影響。在NPs濃度為0.01 g/L時(shí),硬脂酸改性的TiO2NPs所制備的納米流體最大擊穿電壓提高了34%。在NPs濃度為0.003 g/L時(shí),硅油改性的TiO2NPs所制備的NFs的擊穿電壓降低了25%。這表明,不是所有的表面修飾劑都可以提高NFs的絕緣性能。

2.1.3老化因素

Pillai等[33]以礦物油為基礎(chǔ)油液制備了TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的TiO2NFs并進(jìn)行了為期5 d的自然老化試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn),與基礎(chǔ)油液相比,納米流體的擊穿電壓提高了15%。Abid等[34]以礦物油為基礎(chǔ)油液制備了質(zhì)量濃度0.05 g/L TiO2NFs并在100 ℃條件下進(jìn)行熱老化,電壓為1 kV的條件下進(jìn)行電老化,老化周期為兩個(gè)月。研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)老化的NFs的擊穿電壓比老化前降低了3.4%。但與老化后的基礎(chǔ)油液相比,老化后的NFs擊穿電壓提高了11.2%。

2.1.4水含量

有研究表明,以25號(hào)克拉瑪依油為基礎(chǔ)油,在相對(duì)濕度為20%至80%的條件下,TiO2NFs表現(xiàn)出比基礎(chǔ)油更高的交流擊穿電壓[35]。特別是在相對(duì)濕度40%時(shí),與基礎(chǔ)油相比提高了2.71倍。在文獻(xiàn)[36]中,研究了4種不同含水量對(duì)礦物油基TiO2NFs的交流擊穿特性的影響。并發(fā)現(xiàn)NFs(水質(zhì)量分?jǐn)?shù)44.36 μg/g)的擊穿電壓比基礎(chǔ)油液(水質(zhì)量分?jǐn)?shù)41.86 μg/g)提高了186.91%。擊穿電壓的變化可能是由于在NP-油界面吸收水分子的能力得到增強(qiáng)[37]。顆粒尺寸減小到納米范圍時(shí),NF的比表面積和表面原子的比例明顯增加。TiO2表面原子更加活躍,可以吸收更多的水和溶解在油中的其他雜質(zhì)。油酸尾部的羧基可以幫助溶解的水附著在上面,使得吸收的水不能被電場(chǎng)移動(dòng)。因此,TiO2NFs的交流擊穿電壓和分散性優(yōu)于高水含量的純礦物油。

2.1.5穩(wěn)定時(shí)間

油基TiO2NFs的穩(wěn)定時(shí)間取決于多種因素,包括TiO2NPs的尺寸、濃度、表面修飾劑、基礎(chǔ)油液等。一般來(lái)說(shuō),較小的顆粒和較高的濃度可以提高穩(wěn)定性,而表面修飾可以減少顆粒之間的相互作用力,從而提高穩(wěn)定性。此外,選擇合適的油相也可以影響穩(wěn)定性,例如選擇高黏度的油相可以減小顆粒的沉降速率,從而提高穩(wěn)定性。一般情況下,油基TiO2NFs的穩(wěn)定時(shí)間可以達(dá)到數(shù)周甚至數(shù)月。油基TiO2NFs在12 d內(nèi)保持其分散性,但有沉淀的跡象[38]。由于NFs的介電特性,一些低濃度的樣品在4周后仍保持穩(wěn)定[25]。此外,在NFs制備后的幾周內(nèi)重復(fù)測(cè)量AC BDV,發(fā)現(xiàn)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差在增加,所有NFs的平均AC BDV隨著時(shí)間的推移而下降,這可能是由于聚集物的形成越來(lái)越多所致。

2.2 雷電脈沖擊穿電壓

雷電脈沖擊穿電壓測(cè)試是為了說(shuō)明絕緣材料如何抵抗電力系統(tǒng)中的快速電壓增加,旨在模擬雷雨時(shí)閃電瞬擊一臺(tái)變壓器的情況。雷電脈沖擊穿電壓主要取決于絕緣液體的精制程度和結(jié)構(gòu)組成。有人研究了表面修飾劑改性的TiO2NPs制備的TiO2NFs的脈沖擊穿電壓情況。如將一定數(shù)量的TiO2NPs[粒徑(10±1)nm]分散到基礎(chǔ)油液中制備NFs[39],結(jié)果發(fā)現(xiàn),與基礎(chǔ)油液相比,正極脈沖擊穿電壓提高了33.3%,擊穿時(shí)間延長(zhǎng)了250%。這說(shuō)明NPs的存在顯著減緩了絕緣液體的放電過(guò)程。將TiO2NPs(粒徑小于10 nm)分到基礎(chǔ)油液中制備NFs[40]。研究發(fā)現(xiàn),與基礎(chǔ)油液相比,NFs的正極脈沖擊穿電壓增加了30.8%,擊穿時(shí)間延長(zhǎng)了94.6%。然而,TiO2NPs的添加使得負(fù)極脈沖擊穿電壓減少了6.8%,擊穿時(shí)間減少了77.0%。由此可見,TiO2NPs對(duì)變壓器油的擊穿強(qiáng)度有顯著的極性效應(yīng)。純油和NFs中的正向流線具有類似的傳播趨勢(shì),一旦從針狀電極中導(dǎo)出,就會(huì)延伸到地面電極[41]。然而,兩個(gè)油樣中的流線模式有很大不同。在純油中,灌木狀的流線在最初階段形成,隨著一些分支的消失,它們很快變成了多絲狀結(jié)構(gòu)。

2.3 介質(zhì)損耗因數(shù)

絕緣液體介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)直接影響絕緣電阻,如果絕緣液體的tanδ太大,絕緣電阻會(huì)降至允許值以下,對(duì)變壓器安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅。同時(shí)需要根據(jù)tanδ的大小來(lái)確定絕緣液體的降解和污染程度。Emara等[42]在120 ℃條件下進(jìn)行加速老化試驗(yàn),并進(jìn)行老化3 d和10 d的介損測(cè)量。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),隨著TiO2NPs的加入,無(wú)論是老化3 d樣品,還是老化10 d的樣品,介質(zhì)損耗因數(shù)都有所降低。Diego等[43]以天然酯為基礎(chǔ)油液,制備了TiO2NFs并在150 ℃條件下加速老化300 h。研究發(fā)現(xiàn),NPs的加入會(huì)增加基礎(chǔ)油液的介電損耗。綜上所述,在不同因素的影響(基礎(chǔ)油液、NPs濃度、表面修飾劑、溫度、老化時(shí)間)都表現(xiàn)出不同的介電損耗。

2.4 熱導(dǎo)率

研究表明,NPs的添加可以在一定程度上提高基礎(chǔ)油液的熱導(dǎo)率[44]。尤其是考慮到金屬NPs的熱導(dǎo)率很高,納米流體的熱導(dǎo)率預(yù)計(jì)將高于基礎(chǔ)油。Dombek等[45]以礦物油和合成酯為基礎(chǔ)油液,研究了是否添加表面修飾劑以及不同溫度(25,40,60,80 ℃)對(duì)熱導(dǎo)率的影響,證實(shí)了NPs的添加可以在一定程度上提高基礎(chǔ)油液的熱導(dǎo)率。在用表面修飾劑對(duì)TiO2NPs進(jìn)行改性后,NFs的導(dǎo)熱性能得到明顯改善。在25 ℃下,NFs的熱導(dǎo)率比礦物油高5%以上。在80 ℃下,NFs的熱導(dǎo)率比礦物油高約2%。此外,在25 ℃下,NFs的熱導(dǎo)率比合成酯的熱導(dǎo)率高約4%。綜上所述,NFs的熱導(dǎo)率被認(rèn)為主要與基礎(chǔ)油液、NPs的物理特性、NPs的直徑和濃度有關(guān)。

2.5 黏度

絕緣液體的主要功能之一是通過(guò)自身或強(qiáng)制循環(huán)進(jìn)行傳導(dǎo)散熱,所以變壓器油的黏度不能太高,以免影響變壓器油的有效流動(dòng)和傳熱。黏度是說(shuō)明絕緣液體流動(dòng)性能的指標(biāo)。黏度越低,流動(dòng)性越好,變壓器冷卻效果也越好,同時(shí)有助于電力變壓器的有效運(yùn)行并延長(zhǎng)其使用壽命[46-47]。Abid等[34]進(jìn)行了為期兩個(gè)月的熱電老化試驗(yàn)并測(cè)量老化前后的黏度變化。研究發(fā)現(xiàn),老化后的TiO2NFs黏度相比于老化前增加了3.3%。

2.6 其 他

閃點(diǎn)低的絕緣液體可能會(huì)由于過(guò)載或局部過(guò)熱產(chǎn)生的易燃和可燃煙霧而誘發(fā)不可修復(fù)的故障[48-49]。閃點(diǎn)越高,說(shuō)明絕緣液體中的揮發(fā)組分越少,使用時(shí)越安全。Pugazhendhi等[50]以礦物油為基礎(chǔ)油液制備了TiO2納米流體。NPs的加入只引起了微小的變化。以大豆油和棕櫚油為基礎(chǔ)油液制備了TiO2納米流體[51]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),NFs和天然酯的閃點(diǎn)普遍高于礦物油,而在天然酯中加入NPs對(duì)NFs的閃點(diǎn)幾乎沒有影響。對(duì)于納米流體的低溫流動(dòng)性能Abid等[34]研究了老化前后納米流體的傾點(diǎn)變化,發(fā)現(xiàn)老化前后納米流體的傾點(diǎn)幾乎沒有變化。

3 納米流體應(yīng)用前景展望

為了促進(jìn)NFs大規(guī)模的應(yīng)用,需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題如下:①NFs的穩(wěn)定性和耐久性。懸浮顆粒和基礎(chǔ)油液的特征,如顆粒形狀、顆粒和基礎(chǔ)油液的化學(xué)結(jié)構(gòu),對(duì)NFs的穩(wěn)定性和耐久性有很大影響。此外,重力和NPs的密度大于基礎(chǔ)油液會(huì)促進(jìn)NPs的聚結(jié)和沉淀。未來(lái)的研究還可以尋找合適的添加劑或優(yōu)化NPs表面性質(zhì)(形貌、尺寸),以抑制NPs的聚結(jié)和沉淀的發(fā)生。此外,探索混合不同類型的基礎(chǔ)油液(礦物油和天然酯)與納米顆粒的相互作用,可能會(huì)表現(xiàn)出良好的協(xié)同作用。②NFs的高危險(xiǎn)性和高成本。各個(gè)國(guó)家和國(guó)際準(zhǔn)則都對(duì)其表示嚴(yán)重關(guān)切[52]。NPs通常比微米級(jí)的物質(zhì)更危險(xiǎn)?？茖W(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)顯示,如TiO2NPs進(jìn)入人體內(nèi)因沉淀導(dǎo)致炎癥。它們還可以產(chǎn)生基因毒性作用,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或染色體不穩(wěn)定等[53]。未來(lái)的研究還應(yīng)關(guān)注開發(fā)環(huán)境友好型、價(jià)格低廉型的NFs,減少對(duì)環(huán)境的污染和人體健康的影響。③未來(lái)的研究還應(yīng)在變壓器中使用NFs在長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)研究中進(jìn)行測(cè)試,以確定其老化行為、磁場(chǎng)下的特性、冷卻性能、電氣性能,充分發(fā)揮油基TiO2納米流體作為絕緣、冷卻、滅弧和信息載體的功能,進(jìn)而全面推動(dòng)油基TiO2NFs的應(yīng)用和發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

油基TiO2NFs具有出色的交流和脈沖擊穿性能、高電導(dǎo)率以及良好的抗老化性能,油基TiO2NFs在絕緣油中的應(yīng)用還處在探索試驗(yàn)階段,其大規(guī)模應(yīng)用需要解決很多問(wèn)題。