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2020年05月07日 星期四
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纸能包住火,还能抗电击
湖南大学教授发明神秘纳米纸

    湖南日报记者 易禹琳 

    通讯员 李妍蓉

    纸能包住火,还能抗电击?一项新成果让这成为现实。5月6日,记者从湖南大学获悉,该校材料科学与工程学院王建锋教授研发出了一种高端的云母基纳米纸材料,正在申请专利。一张25微米厚的薄纸片,可以抗4000V高压电击(通常65V就可电晕人),耐565℃的高温,可拉长0.8倍,能广泛应用于高压绝缘领域。它的诞生,有望打破国内高端绝缘材料严重依赖进口的局面。

    材料微米变纳米

    结构仿造“鲍鱼壳”

    绝缘材料被广泛应用于生产生活中。无论是风扇、电视机、手机,还是飞机、高铁,都需要电绝缘组件。随着电动机、变压器等电力设备向着大功率、小体积快速发展,对云母纸、芳纶纸这种常用的电绝缘组件的耐高电压击穿能力、耐热性等性能提出了越来越苛刻的要求。然而,国内高端的云母基绝缘材料严重依赖于国外进口。

    1983年出生的王建锋教授研究仿生纸已经10年了,他研发过导电和导热仿生纸,其中的导热仿生纸,应用于流行电子产品,性能好,耐弯折,散热性强。在做仿生纸的过程中,他研究了“鲍鱼壳”这一神奇的构造。

    “你看鲍鱼壳,很硬,摔在地上也不容易碎,这是什么原因?”王建锋告诉记者,在显微镜下,薄薄的鲍鱼壳有千万层,一层碳酸钙一层高分子纤维,就像砌墙用一层砖一层水泥,层层铺叠的复合结构,使得贝壳有高拉伸强度和高韧性。

    受此启发,王建锋以芳纶微米纤维和云母为原材料,将原本头发丝大小的芳纶微米纤维和云母剥离分散成纳米纤维和纳米片,再通过溶胶—凝胶—薄膜转换技术复合成千万层,大面积制备出云母基纳米纸。从2017年底开始,经过近两年的实验,王建锋研发的云母基纳米纸,其断裂应变能力是目前文献报道的所有仿贝壳薄膜材料的4至240倍,韧性是6至220倍,高电击穿强度每毫米达164 KV,热分解温度达565℃,性能大大超过了国外的各种云母基绝缘材料。相较于目前最受欢迎的美国杜邦公司生产的云母/芳纶微米纸,在耐热性相当的情况下,其强度是前者的5倍,断裂应变是前者的45倍,耐电击穿强度是前者的5.5倍。

    2019年8月26日,王建锋正式申请云母基纳米纸材料的专利。2020年1月1日,国际纳米材料领域权威期刊《ACS Nano》发表了他的科研成果。

    连续生产已攻关

    云母尝试纳米片

    “休息了一天,其他时间都在实验室。”刚刚过去的“五一”假期,王建锋只在5月1日陪5岁的女儿玩了一天,在家门口坐滑梯和玩篮球。

    王建锋带了2个硕士研究生和1个博士研究生。从2017年底项目启动,到2019年8月26日正式申请专利,学生们每周6天,都是早上8时30分到实验室,晚上10时30分才离开,王建锋自己更是没有休息日。可现在学校还没开学,学生们都来不了实验室。

    这种高端的云母基纳米纸发明后,原来一次只能做一张,为让它的工业化生产成为可能,王建锋团队自行设计加工了一套装置,经过半年的实验室调整工艺,终于可以像生产卷纸一样,可连续制备出云母基纳米带。

    现在,王建锋团队正在攻关的是把天然的云母矿剥离成云母纳米片,因为原来做实验用的合成云母是从日本进口的,价格高。如果解决了这个问题,这种神奇的纳米纸将降低成本,造福国内企业。

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