目前我國電網系統輸電規模日益擴大，傳輸電壓不斷提高。環氧樹脂復合材料作為我國電網系統中的關鍵絕緣材料，維系著電網的安全與穩定，但其絕緣性能水平難以滿足逐步提高的電氣性能要求，急需進一步研發。為此，本文擬采用α-Al2O3納米顆粒提升環氧樹脂材料的電絕緣性能。主要研究內容與結果如下:
(1)改善了α-Al2O3納米顆粒的制備工藝。利用高純Al與水在微波下反應制得AlOOH納米顆粒，對AlOOH納米顆粒制備Al2O3前驅體進行煅燒，在1000℃及以下生成γ-Al2O3，1100℃時γ-Al2O3開始轉化為α-Al2O3，至1150℃時完全轉化。制備的AlOOH、γ-Al2O3以及α-Al2O3三種納米顆粒粒徑均在100nm左右，α-Al2O3納米顆粒平均粒徑相對更小、粒徑分布更集中。SEM分析表明，α-Al2O3納米顆粒未發生團聚。XPS分析表明納米顆粒表面的氧元素按照結合能從低到高分別有晶格氧(Olatt)、吸附氧(Oads)和羥基氧(O-oH)三種存在形式。三種納米顆粒中只有AlOOH納米顆粒表面明顯存在羥基氧，表面羥基能夠與空氣中的氧氣形成氫鍵，這也為AlOOH表面帶來大量的吸附氧。三種納米顆粒中α-Al2O3納米顆粒的表面吸附氧最少而晶格氧最多，表明其結晶度最高，結構最穩定。
(2)將制成的α-Al2O3納米顆粒與環氧樹脂復合，研究其各項性能。環氧樹脂中α-Al2O3含量從0%增加到1%時，其電阻率在不同溫度均基本呈現逐漸升高的趨勢，而α-Al2O3含量從1%繼續升高至2%時，電阻率變化不大。在30℃下，α-Al2O3含量2%的納米復合環氧樹脂電阻率最高，為2.2×1018Ω·cm，而在80℃下，α-Al2O3含量0.5%的納米復合環氧樹脂電阻率最高，為7.3×1017Ω·cm。納米α-Al2O3顆粒能夠有效的阻擋強電場對環氧樹脂材料的腐蝕，直流擊穿強度最高可提升至79.2kV·mm-1。納米α-Al2O3復合環氧樹脂的拉伸模量受α-Al2O3含量影響不大，而拉伸強度、玻璃化轉變溫度、玻璃化轉變活化能以及環氧分子鏈交聯密度均隨著α-Al2O3含量的升高先升高后降低，當納米α-Al2O3含量為1%時這些物理量均達到極大值，此時拉伸強度、玻璃化轉變溫度分別為78.64MPa和153.8℃。使用此納米α-Al2O3復合環氧樹脂按照±400kV規格制造的柱式絕緣子各項應用性能檢測結果均為通過。絕緣子可耐受的工頻電壓大于500 kV，雷電沖擊電壓大于903 kV，操作沖擊電壓大于825KV。絕緣子可耐受612 kV的直流電壓達120min，并且在此過程的最后30min中未發生超過2000pC的局部放電。多項數據表明，納米α-Al2O3在環氧樹脂中起到了影響環氧分子鏈間相互作用強弱以及分子鏈交聯狀態的作用。
(3)對比研究了AlOOH、γ-Al2O3以及α-Al2O3三種納米顆粒對于環氧樹脂復合材料各項性能的改善情況并以此為依據分析了α-Al2O3納米顆粒在未進行表面改性的狀況下對環氧樹脂性能的作用機理。在30℃到80℃的溫度范圍內，納米α-Al2O3復合環氧樹脂電阻率在四種環氧樹脂材料中均為最高，在30℃下為2.2×1018Ω·cm，在80℃下為4.6×1017Ω·cm。四種材料電阻率隨著溫度的升高均會下降，α-Al2O3復合環氧樹脂電阻率下降最少。納米AlOOH以及納米γ-Al2O3對于環氧樹脂的直流擊穿性能產生了明顯的負面影響，而納米α-Al2O3復合環氧樹脂的擊穿強度及電場穩定性相對純環氧樹脂都得到了有效的提高。納米α-Al2O3復合環氧樹脂的介電常數與介電損耗均低于純環氧樹脂，而AlOOH復合環氧樹脂的介電常數和介電損耗相對較高。當溫度升高時，納米γ-Al2O3復合環氧樹脂的介電常數與介電損耗上升較快，而納米α-Al2O3復合環氧樹脂的介電常數與介電損耗上升較慢。2%質量分數的納米α-Al2O3對環氧樹脂材料的拉伸模量影響相對較小，然而能夠提升材料的斷裂應變以及拉伸強度(達76.63MPa)，而納米AlOOH以及納米γ-Al2O3均使得環氧樹脂材料的斷裂應變以及拉伸強度明顯降低。三種納米填料對環氧樹脂在周期性電場以及周期性應力下的弛豫過程產生的影響均不相同。其中，AlOOH納米顆粒的存在使得環氧樹脂復合材料介電α弛豫以及玻璃化轉變的活化能明顯的降低，γ-Al2O3使兩者稍有降低，而α-Al2O3使這兩種過程的活化能有顯著的升高。
(4)根據Jonscher普適弛豫定律計算發現，α-Al2O3增強了環氧樹脂分子鏈間的相互作用。而AlOOH以及γ-Al2O3使環氧樹脂分子鏈間的相互作用減弱。環氧樹脂材料的介電絕緣性能與動力學性質具有內在聯系，較高的玻璃化轉變溫度以及較高的玻璃化轉變活化均能說明α-Al2O3納米顆粒限制了α-Al2O3/環氧樹脂界面層中環氧樹脂分子鏈的運動。而分子鏈運動受限后，載流子在界面層中的傳遞同樣受到了阻礙，這提升了納米α-Al2O3復合環氧樹脂的絕緣性能。環氧樹脂材料力學性能的變化規律同樣與分子鏈交聯有關，即交聯密度越大，材料越難以斷裂，拉伸強度得到提高。AlOOH表面羥基可與酸酐固化劑發生副反應影響固化，降低環氧樹脂交聯密度，并在AlOOH/環氧樹脂界面層中留下酸根離子，形成雙電層，進而影響電阻性能。環氧樹脂分子鏈中的羥基與納米顆粒表面吸附氧產生氫鍵，不利于固化，使環氧樹脂材料的表觀交聯密度下降，影響電學、力學性能;反之若環氧樹脂分子鏈與納米顆粒表面晶格氧產生氫鍵，可加強環氧樹脂分子鏈與Al2O3納米顆粒間相互作用，增強電絕緣性能以及力學性能。因此表面晶格氧最多的納米α-Al2O3能夠成為高絕緣性環氧樹脂的最佳填料。
