高温硫化硅橡胶（HTV SR）作为介电材料的前景研究：二氧化钛纳米颗粒增强的探索

作者及发表信息
本研究的通讯作者为Abhijit Lahiri（印度Supreme Knowledge Foundation Group of Institutions），合作者包括Argha Kamal Pal（印度B. P. Poddar Institute of Management and Technology）和Arijit Baral（印度IIT (ISM) Dhanbad）。研究发表于2021年的*IET Science, Measurement & Technology*期刊，文章标题为《Studies on Prospect of HTV Silicone Rubber as Dielectric Material When Reinforced with TiO2 Nano Particles》，DOI编号10.1049/smt2.12030。

学术背景

研究领域与动机
本研究属于高分子材料与电气工程交叉领域，聚焦于高温硫化硅橡胶（HTV SR）的介电性能优化。传统陶瓷和玻璃绝缘体在高压应用中存在重量大、易碎等问题，而聚合物材料（如HTV SR）因其轻量、柔韧性和疏水性成为潜在替代品。然而，HTV SR的介电性能和热稳定性需进一步提升以满足高压设备（如变压器套管）的要求。为此，作者提出通过掺入二氧化钛纳米颗粒（TiO2 NPs）改善其性能。

科学问题与目标
研究核心问题是：如何通过低浓度TiO2 NPs填充（5%~15%重量比）同时提升HTV SR的介电、热学和机械性能，避免高填充量导致的材料脆化。目标是为电力绝缘应用开发一种综合性能优化的纳米复合材料。

研究流程与方法

1. 材料制备与表征

纳米颗粒合成
- 通过水热法在高压釜中制备TiO2 NPs，使用异丙醇溶液和四烷基氢氧化铵作为分散剂，最终干燥获得平均粒径113.6 nm的球形颗粒（FESEM验证）。

复合材料制备
- 基材：选用Dow-Corning公司的RBB-2888-60型HTV SR。
- 填充工艺：将TiO2 NPs（5%、8.3%、11.6%、15%重量比）与HTV SR及交联剂过氧化二异丙苯（DCP）在三辊混合机中混合，经180℃热压成型为2 mm厚圆片。
- 对照组：未填充的空白HTV SR样本。

表征技术
- 形貌分析：场发射扫描电镜（FESEM）和能谱分析（EDX）确认纳米颗粒分散性及元素组成（Si、O、Ti、C）。
- 热学分析：热重分析（TGA）、差热分析（DTA）和差示扫描量热法（DSC）评估分解温度、热稳定性和比热容。

2. 性能测试

介电性能
- 频率响应测试：在20 Hz–1 MHz范围内测量相对介电常数（εr）、损耗因子（tanδ）和交流电导率（σ），分析界面极化（Wagner-Maxwell-Sillars效应）和松弛行为。
- 击穿电压（VB）：样本浸入硅油中，通过10次重复测试取平均值。

机械性能
- 拉伸强度、断裂伸长率和压缩永久变形测试（依据ISO 3400标准）。

主要结果

1. 热学性能

• 分解温度：TiO2填充量增加导致起始分解温度（T1）降低（空白样本455℃ vs. 15%填充样本380℃），但5%填充样本（423℃）接近空白样本。
  
• 热导率：5%和8.3%填充样本的热导率显著提升（如5%样本：16.977×10⁻⁵ W·m⁻¹·°C⁻¹），减少局部过热风险。
  

2. 介电性能

• 低频增强：5%填充样本在50 Hz下εr提升153.5%，tanδ仅增加5.9%，表明低填充量下介电性能显著优化（图14、16）。
  
• 击穿电压：VB随填充量降低而升高，5%样本达16.95 kV/mm（空白样本为5.625 kV/mm）。
  

3. 机械性能

• 权衡效应：高填充量（15%）导致拉伸强度下降60%，而5%填充样本保留90%原始强度（5.4 MPa vs. 空白6.1 MPa）。
  

结论与价值

科学意义
- 揭示了低浓度TiO2 NPs（5%~8.3%）通过界面极化优化介电性能的机制，同时维持机械稳定性。
- 提出了多层界面模型（接触层、束缚层、松散层）解释纳米复合材料的介电行为。

应用价值
- 为高压绝缘子、变压器套管等设备提供了一种轻量化、高耐候的替代材料，尤其适用于极端环境。

研究亮点

1. 低填充高效性：5% TiO2填充量即可实现介电与热学性能的显著提升，突破传统高填充导致脆化的限制。
   
2. 多性能协同优化：首次在单一纳米填料（TiO2）体系中实现介电、热学和机械性能的平衡。
   
3. 工业适用性：采用可规模化制备的轧制混合工艺，降低成本。
   

其他价值

• 研究数据为后续开发其他纳米填料（如Al2O3、SiO2）复合体系提供了参考基准。
  
• 提出的频率依赖性介电模型可用于预测复合材料在交流高压环境下的长期稳定性。
  

（全文约2400字）