DOI: https://doi.org/10.1007/s42114-025-01222-3
تاريخ النشر: 2025-02-01
المؤلف: Haowen Yuan وآخرون
الموضوع الرئيسي: العزل عالي الجهد والظواهر العازلة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تعزيز العوازل الإيبوكسية من خلال دمج الألياف النانوية الأراميدية (ANFs)، بهدف تحسين خصائصها العازلة والميكانيكية والحرارية. تكشف الدراسة أن التفاعل الواجهة القوي بين مصفوفة الإيبوكسي ونسبة الأبعاد العالية للألياف النانوية الأراميدية يعزز بشكل كبير من قوة الانهيار العازل، والصلابة الميكانيكية، والقوة الميكانيكية، ودرجة حرارة الانتقال الزجاجي ($T_g$). على وجه التحديد، يظهر مركب ANFs/Epoxy قوة انهيار عازلة ملحوظة تبلغ 196.8 kV/mm—أي حوالي 4.1 مرات أكبر من الإيبوكسي النقي—إلى جانب قوة ميكانيكية تصل إلى 75.68 MPa وصلابة تبلغ 195 MJ/m³، مع $T_g$ تبلغ 155 °C.
تشير النتائج إلى أن فعالية ANFs في تعزيز مركبات الإيبوكسي تتأثر بوقت التقشير أثناء تحضيرها. تظهر الخصائص من خلال المجهر الذري (AFM) أن المجموعات الوظيفية على ANFs تسهل ارتباطًا كيميائيًا مع الإيبوكسي، مما يعزز الخصائص العامة للمادة. من الجدير بالذكر أن قوة الانهيار تنخفض في البداية مع زيادة أوقات التقشير قبل أن ترتفع، محققة تحسينًا أقصى قدره 51.6%. بالإضافة إلى ذلك، تتحسن الخصائص الميكانيكية مثل الإجهاد عند الكسر، وقوة الشد، والصلابة بشكل ملحوظ، مع زيادات قصوى تبلغ 55.2%، 63.8%، و163.7%، على التوالي. كما توضح التحليلات الديناميكية الميكانيكية زيادة في معامل تخزين الطاقة و $T_g$، مما يبرز دور التأثيرات الواجهة في تعزيز الاستقرار الكهربائي والميكانيكي والحراري لمركبات ANFs/Epoxy.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية الدور الحاسم لمواد العوازل الإيبوكسية في المعدات الكهربائية الحديثة والإلكترونيات، مع التأكيد على خفتها، وانخفاض تمددها الحراري، ومقاومتها الكيميائية الممتازة. مع زيادة الطلب على المعدات ذات الجهد العالي والسعة، هناك حاجة ملحة لمواد الإيبوكسي التي يمكن أن تتحمل التعرض طويل الأمد للحقول الكهربائية العالية والإجهاد الحراري. التحدي يكمن في تعزيز الخصائص العازلة، والقوة الميكانيكية، والصلابة، ومقاومة الحرارة في وقت واحد، حيث يمكن أن تكون هذه الصفات متعارضة. تشمل الاستراتيجيات الحالية لتحسين أداء الإيبوكسي تحسين بنية الجزيئات ودمج الحشوات الوظيفية، مثل الألياف النانوية الأراميدية (ANFs)، التي أظهرت وعدًا في تعزيز الخصائص الميكانيكية.
تسلط الورقة الضوء على نتائج مهمة من الدراسات السابقة، مثل تعزيز قوة الانهيار العازل والصلابة الميكانيكية من خلال التعديلات الجزيئية وإدخال ANFs. من الجدير بالذكر أن إضافة 1 wt% فقط من ANFs يمكن أن تحسن بشكل كبير من صلابة الكسر بنسبة 376%. على الرغم من هذه التقدمات، تفتقر الأدبيات إلى دراسات شاملة حول تأثير ANFs على الخصائص العازلة. يقترح المؤلفون نهجًا جديدًا لتعزيز الخصائص متعددة الوظائف للعوازل الإيبوكسية من خلال دمج ANFs، مع التركيز على تفاعلاتها الواجهة وخصائصها الميكروهيكلية. تستخدم الدراسة محاكاة الديناميكا الجزيئية وطيف الاسترخاء العازل لإظهار أن ANFs يمكن أن تشكل روابط واجهة قوية مع مصفوفة الإيبوكسي، مما يؤدي إلى تحسينات كبيرة في القوة الميكانيكية، والصلابة، والأداء العازل، مما يجعل مركب ANF/Epoxy مرشحًا واعدًا للتطبيقات الكهربائية.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، استخدم المؤلفون خيوط Kevlar® 29 المستمدة من DuPont كمادة أساسية. كانت الراتنج الإيبوكسية المستخدمة هي ثنائي الفينول أ ثنائي الجليسيديل إيثر (E51)، والتي تتميز بمعادل الإيبوكسي البالغ 192، وتم دمجها مع ميثيل هكساهيدروفثاليد أنهدريد كعامل معالجة و2،4،6-تريس(ثنائي ميثيل أمينو ميثيل) فينول كعامل حفاز. تم الحصول على هذه المكونات من Nantong Star Synthesis Material Co.، LTD.، الصين. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) من Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co.، Ltd.، بينما تم الحصول على المذيبات مثل ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) والإيثانول اللامائي (C₂H₅OH)، إلى جانب مواد كيميائية أخرى من الدرجة التحليلية، من Chengdu Kelong Chemical Co.، LTD.، الصين.
تم التعامل مع جميع المواد والتخلص منها وفقًا لبروتوكولات السلامة والمواصفات المعمول بها، مما يضمن الامتثال للإرشادات ذات الصلة طوال الإجراءات التجريبية.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تصنيع الألياف النانوية الأراميدية (ANFs) بنجاح من خلال تفكيك الألياف الأراميدية باستخدام تشتت DMSO/KOH، مما أسفر عن أسلاك رفيعة ذات نسبة أبعاد عالية، تقيس عدة ميكرومترات في الطول و5 إلى 20 نانومتر في القطر. تم دمج ANFs في الإيبوكسي لإنشاء عوازل مركبة، والتي أظهرت انخفاضًا طفيفًا في الثابت العازل مع زيادة محتوى ANF بسبب التفاعلات الواجهة القوية وتكوين روابط هيدروجينية بين الجزيئات. ظلت الخسائر العازلة منخفضة (أقل من 0.005 عند 50 هرتز) عبر جميع التركيبات، وذلك بسبب حركة الجزيئات المقيدة ووجود شحنة فضائية عند الواجهات، كما يتضح من مخططات كول-كول التي تكشف عن سلوك استرخاء معقد.
تم تعزيز قوة الانهيار العازل لمركبات ANF/Epoxy بشكل كبير، حيث وصلت إلى 196.8 kV/mm، أي حوالي 3.13 مرة أعلى من الإيبوكسي النقي (47.65 kV/mm). يرتبط هذا التحسين بالموصلية الكهربائية الفائقة للألياف النانوية الأراميدية وقدرتها على إعاقة تشكيل الشوائب الكهربائية، مما يعزز العزل الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك، تحسنت الخصائص الميكانيكية للمركبات بشكل ملحوظ، حيث زادت قوة الشد والصلابة بنسبة 63.8% و163.7%، على التوالي، عند تحميل 0.1 wt% من ANF فقط. كما وجدت الدراسة أن الاستقرار الحراري لمركبات ANF/Epoxy كان متفوقًا على الإيبوكسي النقي، مع درجة حرارة انحلال حراري قصوى أعلى. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن دمج ANFs لا يعزز فقط الخصائص العازلة والميكانيكية لمركبات الإيبوكسي، بل يساهم أيضًا في استقرارها الحراري، مما يجعلها مواد واعدة لتطبيقات العزل الكهربائي.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم استكشاف تحضير وتوصيف الألياف النانوية الأراميدية (ANFs) ودمجها في مركبات الإيبوكسي لتقييم قدراتها التعزيزية. تم تصنيع ANFs من خيوط Kevlar باستخدام محلول قاعدي قوي، مع أوقات تقشير متغيرة تؤدي إلى درجات مختلفة من التشتت في مصفوفة الإيبوكسي. أظهرت مركبات ANFs/epoxy الناتجة خصائص ميكانيكية محسنة، بما في ذلك زيادات في قوة الشد (حتى 63.8%)، والإجهاد عند الكسر (حتى 55.2%)، والصلابة (حتى 163.7%) مقارنة بالإيبوكسي النقي. كما تحسنت قوة الانهيار العازل للمركبات، مع زيادة قصوى بلغت 51.6% لوحظت، والتي تعزى إلى تكوين فخاخ عميقة تعزز الخصائص الكهربائية للمادة.
تم استخدام تقنيات التوصيف مثل المجهر الذري (AFM)، والتيار المحفز حراريًا (TSDC)، والتحليل الديناميكي الميكانيكي (DMA) لتقييم الشكل والأداء للمركبات. وجدت الدراسة أن التفاعلات الواجهة بين ANFs ومصفوفة الإيبوكسي ساهمت بشكل كبير في تعزيز الخصائص الكهربائية والميكانيكية والحرارية للمركبات. من الجدير بالذكر أن معامل تخزين الطاقة زاد من 2.53 GPa إلى 3.87 GPa عند 75 °C، مما يشير إلى سلوك لزج مرن محسّن. تؤكد هذه النتائج على إمكانية استخدام ANFs كتعزيزات فعالة في المواد القائمة على الإيبوكسي، لا سيما في التطبيقات التي تتطلب أداءً ميكانيكيًا وكهربائيًا معززًا.
DOI: https://doi.org/10.1007/s42114-025-01222-3
Publication Date: 2025-02-01
Author(s): Haowen Yuan et al.
Primary Topic: High voltage insulation and dielectric phenomena
Overview
This research investigates the enhancement of epoxy dielectrics through the incorporation of aramid nanofibers (ANFs), aiming to improve their insulation, mechanical, and thermal properties. The study reveals that a strong interfacial interaction between the epoxy matrix and the high aspect ratio of ANFs significantly enhances the dielectric breakdown strength, mechanical toughness, mechanical strength, and glass transition temperature ($T_g$). Specifically, the ANFs/Epoxy composite exhibits a remarkable dielectric breakdown strength of 196.8 kV/mm—approximately 4.1 times greater than that of neat epoxy—alongside a mechanical strength of up to 75.68 MPa and toughness of 195 MJ/m³, with a $T_g$ of 155 °C.
The findings indicate that the effectiveness of ANFs in reinforcing epoxy composites is influenced by the exfoliation time during their preparation. Characterization through atomic force microscopy (AFM) shows that the functional groups on the ANFs facilitate a chemical linkage with the epoxy, enhancing the material’s overall properties. Notably, the breakdown strength initially decreases with longer exfoliation times before increasing, achieving a maximum improvement of 51.6%. Additionally, mechanical properties such as strain at break, tensile strength, and toughness improve significantly, with maximum increases of 55.2%, 63.8%, and 163.7%, respectively. Dynamic mechanical analysis further demonstrates an increase in the energy storage modulus and $T_g$, underscoring the role of interfacial effects in enhancing the electrical, mechanical, and thermal stability of the ANFs/Epoxy composites.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the critical role of epoxy dielectric materials in modern electrical equipment and electronics, emphasizing their lightweight, low thermal expansion, and excellent chemical resistance. As the demand for higher voltage and capacity equipment increases, there is a pressing need for epoxy materials that can withstand long-term exposure to high electric fields and thermal stress. The challenge lies in simultaneously enhancing dielectric properties, mechanical strength, toughness, and heat resistance, as these attributes can be mutually exclusive. Current strategies to improve epoxy performance include molecular architecture optimization and the incorporation of functional fillers, such as aramid nanofibers (ANFs), which have shown promise in enhancing mechanical properties.
The paper highlights significant findings from previous studies, such as the enhancement of dielectric breakdown strength and mechanical toughness through molecular modifications and the introduction of ANFs. Notably, the addition of just 1 wt% of ANFs can dramatically improve fracture toughness by 376%. Despite these advancements, the literature lacks comprehensive studies on the impact of ANFs on dielectric properties. The authors propose a novel approach to enhance the multifunctional attributes of epoxy dielectrics by integrating ANFs, focusing on their interfacial interactions and microstructural characteristics. The study employs molecular dynamics simulations and dielectric relaxation spectroscopy to demonstrate that ANFs can form strong interfacial bonds with the epoxy matrix, leading to significant improvements in mechanical strength, toughness, and dielectric performance, thereby positioning the ANF/Epoxy composite as a promising candidate for electrical applications.
Methods
In the experimental section of the study, the authors utilized Kevlar® 29 yarns sourced from DuPont as the primary material. The epoxy resin employed was bisphenol A diglycidyl ether (E51), characterized by an epoxide equivalent of 192, which was combined with methyl hexahydrophthalic anhydride as the curing agent and 2,4,6-tris(dimethylaminomethyl)phenol as the catalyst. These components were procured from Nantong Star Synthesis Material Co., LTD., China. Additionally, potassium hydroxide (KOH) was obtained from Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd., while solvents such as dimethyl sulfoxide (DMSO) and anhydrous ethanol (C₂H₅OH), along with other analytical grade reagents, were sourced from Chengdu Kelong Chemical Co., LTD., China.
All materials were handled and disposed of in accordance with established safety protocols and specifications, ensuring compliance with relevant guidelines throughout the experimental procedures.
Results
In this study, aramid nanofibers (ANFs) were successfully fabricated through the dissociation of aramid fibers using a DMSO/KOH dispersion, resulting in thin wires with a high aspect ratio, measuring several micrometers in length and 5 to 20 nm in diameter. The ANFs were incorporated into epoxy to create composite dielectrics, which exhibited a slight decrease in dielectric constant with increasing ANF content due to robust interfacial interactions and the formation of intermolecular hydrogen bonds. The dielectric losses remained low (below 0.005 at 50 Hz) across all compositions, attributed to restricted molecular motion and the presence of space charge at the interfaces, as indicated by Cole-Cole plots revealing complex relaxation behavior.
The dielectric breakdown strength of the ANF/Epoxy composites was significantly enhanced, reaching 196.8 kV/mm, approximately 3.13 times higher than that of pure epoxy (47.65 kV/mm). This improvement is linked to the ultrahigh electrical resistivity of ANFs and their ability to impede electric dendrite formation, thereby enhancing electrical insulation. Additionally, the mechanical properties of the composites improved markedly, with tensile strength and toughness increasing by 63.8% and 163.7%, respectively, at just 0.1 wt% ANF loading. The study also found that the thermal stability of the ANF/Epoxy composites was superior to that of pure epoxy, with a higher maximum thermal degradation temperature. Overall, the findings suggest that the incorporation of ANFs not only enhances the dielectric and mechanical properties of epoxy composites but also contributes to their thermal stability, making them promising materials for electrical insulation applications.
Discussion
In this study, the preparation and characterization of aramid nanofibers (ANFs) and their incorporation into epoxy composites were explored to assess their reinforcing capabilities. ANFs were synthesized from Kevlar yarns using a strong alkaline solution, with varying exfoliation times leading to different degrees of dispersion in the epoxy matrix. The resulting ANFs/epoxy composites exhibited enhanced mechanical properties, including increases in tensile strength (up to 63.8%), strain at break (up to 55.2%), and toughness (up to 163.7%) compared to neat epoxy. The dielectric breakdown strength of the composites also improved, with a maximum increase of 51.6% observed, attributed to the formation of deep traps that enhanced the material’s electrical properties.
Characterization techniques such as atomic force microscopy (AFM), thermally stimulated depolarization current (TSDC), and dynamic mechanical analysis (DMA) were employed to evaluate the morphology and performance of the composites. The study found that the interfacial interactions between the ANFs and the epoxy matrix significantly contributed to the overall enhancement of the composites’ electrical, mechanical, and thermal stability properties. Notably, the energy storage modulus increased from 2.53 GPa to 3.87 GPa at 75 °C, indicating improved viscoelastic behavior. These findings underscore the potential of ANFs as effective reinforcements in epoxy-based materials, particularly in applications requiring enhanced mechanical and electrical performance.