一張超薄“紙”守護(hù)高鐵“心臟”——記高云母摻量耐電暈芳綸復(fù)合材料制備關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用
文章來源：中化新網(wǎng) 更新時間：2025-12-15 15:43:43
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前不久，陜西省委、省政府公布了2024年度陜西省科學(xué)技術(shù)獎獲獎項(xiàng)目名單。其中，石油和化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域共有28項(xiàng)成果入選，包括一等獎10項(xiàng)、二等獎6項(xiàng)、三等獎12項(xiàng)，涵蓋油氣勘探、煤化工、石油化工、精細(xì)化工、化工新材料、石油裝備及資源綠色利用等多個方向。
為展現(xiàn)相關(guān)科技成果的研發(fā)歷程、創(chuàng)新價值與應(yīng)用成效，本報記者對其中3項(xiàng)一等獎成果進(jìn)行了深入采訪，并自本期起推出《2024年度陜西省科技獎成果展示》系列報道，以期呈現(xiàn)科技賦能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的生動實(shí)踐。 你可曾想過，在時速300多千米的高速列車飛馳的背后，有一層厚度不足1毫米的“紙”，正默默守護(hù)著列車的動力核心。這層紙薄如蟬翼、輕若絮羽，卻承載著絕緣、耐熱、抗電暈等多重使命，這就是被工程師們譽(yù)為高鐵牽引系統(tǒng)“隱形鎧甲”的芳綸紙。 近日，陜西科技大學(xué)、泰和新材集團(tuán)股份有限公司、陜西帕若德新材料科技有限公司等聯(lián)合完成的“高云母摻量耐電暈芳綸復(fù)合材料制備關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”榮獲陜西省科技獎科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎。該成果立足國家重大戰(zhàn)略需求，通過近10年科研攻關(guān)，突破了云母含量高達(dá)50%的芳綸云母絕緣紙的產(chǎn)業(yè)化核心關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到國際領(lǐng)先水平，填補(bǔ)了國內(nèi)高端紙基耐電暈絕緣材料的空白。 絕緣材料的“無聲之戰(zhàn)”：從“卡脖子”到“挺脊梁” 作為一種戰(zhàn)略意義的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，高性能纖維紙基功能材料具有比重輕、比強(qiáng)度高、比剛度大、耐高溫等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于電氣絕緣、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域。其制備理論和技術(shù)是國際公認(rèn)的難題，一直受到發(fā)達(dá)國家嚴(yán)密封鎖。其中，芳綸紙基功能材料被列入國家“先進(jìn)軌道交通行業(yè)急需新材料”。 隨著我國最新自主研制的CRH450高速列車進(jìn)入測試，這項(xiàng)關(guān)鍵材料逐漸進(jìn)入公眾視野。每節(jié)車廂的16組牽引電機(jī)，每組都需要精密敷貼約5平方米的芳綸紙。它必須長期耐受超過180℃高溫、承受高頻電磁振動，并抵御高壓電場引發(fā)的“電暈侵蝕”，保障列車在嚴(yán)苛工況下安全穩(wěn)定運(yùn)行。 以輕工技術(shù)與工程(造紙)學(xué)科見長的陜西科技大學(xué)扮演了沖鋒者的角色。該校在此領(lǐng)域已深耕20余年，此前攻克的高性能纖維紙基材料制備關(guān)鍵技術(shù)，已成功應(yīng)用于國產(chǎn)CRH系列高速列車和新型軍用直升機(jī)。站在前人肩膀上，以陸趙情教授為核心的團(tuán)隊，再次向絕緣材料領(lǐng)域的珠峰——高摻量芳綸云母復(fù)合材料發(fā)起挑戰(zhàn)。科研團(tuán)隊開展了高性能纖維紙基復(fù)合材料纖維制備、高效分散與界面增強(qiáng)等基礎(chǔ)理論研究，相繼攻克了有機(jī)無機(jī)高密度差漿料系統(tǒng)難分散、高摻量云母芳綸纖維體系難共容等“卡脖子”技術(shù)瓶頸，在云母活化改性、有機(jī)/無機(jī)界面結(jié)合、芳綸云母絕緣紙復(fù)合等關(guān)鍵核心技術(shù)取得突破，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的芳綸云母復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)體系。 “如果把牽引電機(jī)比作高鐵的‘心臟’，絕緣材料就是保護(hù)心臟的‘心肌膜’。”該科研團(tuán)隊成員、陜西科技大學(xué)賈峰峰博士形象地解釋說，傳統(tǒng)芳綸紙絕緣性能好但耐電暈?zāi)芰Σ蛔恪Ｔ诟哞F高密度運(yùn)行下，電機(jī)頻繁承受電壓劇變，易在絕緣層表面產(chǎn)生局部放電，即“電暈”。它如同悄無聲息的“電腐蝕”，逐漸破壞絕緣結(jié)構(gòu)，縮短電機(jī)壽命，增加維護(hù)成本。 云母與芳綸跨界握手：破解異質(zhì)材料融合難題 如何增強(qiáng)芳綸紙的“抗電暈”體質(zhì)?科研團(tuán)隊將目光投向了古老礦物——云母。這種天然層狀硅酸鹽礦物，具有極高的絕緣強(qiáng)度、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和卓越的耐電暈特性，已在電氣工業(yè)中廣泛應(yīng)用。用云母增強(qiáng)芳綸紙，理論上可大幅提升耐電暈壽命，并借助云母的相對低廉性，減輕高端材料制造成本。 然而，理論與現(xiàn)實(shí)之間橫亙著巨大的鴻溝。“云母是親水的無機(jī)礦物，密度大、質(zhì)硬而脆；芳綸纖維是疏水的有機(jī)高分子，輕盈柔軟。兩者性質(zhì)猶如油與水，在常規(guī)水相造紙體系中極難均勻融合。”賈峰峰對記者說。混合漿料分散不均導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷，云母鱗片在成形中大量流失，有機(jī)纖維與無機(jī)礦物界面結(jié)合弱，成紙強(qiáng)度差、易分層，高含量云母芳綸紙制備無疑成為國際公認(rèn)的技術(shù)難題。 面對挑戰(zhàn)，陸趙情教授團(tuán)隊提出了一套“活化改性—結(jié)構(gòu)調(diào)控—梯度成形”的創(chuàng)新方案。他們發(fā)明了機(jī)械力活化耦合化學(xué)改性技術(shù)，使云母片層表面由“疏水”變?yōu)?ldquo;親水”，極大改善了其在水系中的分散性及與芳綸纖維的親和力。“這相當(dāng)于讓原本‘高冷光滑’的云母片表面長出無數(shù)‘小手’，牢牢抓住芳綸纖維。”賈峰峰這樣生動描述。他們還開發(fā)了微納芳綸纖維可控細(xì)纖化技術(shù)，對芳綸纖維進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)重塑，與改性云母形成強(qiáng)韌界面結(jié)合。 解決了分散與結(jié)合問題后，團(tuán)隊又創(chuàng)新設(shè)計分層成形及云母梯度分布控制技術(shù)，攻克了成形難關(guān)。最終，云母留著率從不足50%躍升至85%以上，穩(wěn)定制備出云母含量達(dá)50%的高性能均勻復(fù)合紙材。 從“追趕”到“引領(lǐng)”：國產(chǎn)紙基絕緣材料逆襲 經(jīng)國家權(quán)威檢測機(jī)構(gòu)測試，這款新型芳綸云母復(fù)合絕緣紙與國外公司同類頂級產(chǎn)品相比，抗張強(qiáng)度提升42%，介電強(qiáng)度提升35%，耐電暈壽命延長超22%。這意味著在同等惡劣工況下，使用該材料的關(guān)鍵設(shè)備壽命可獲得顯著延長。更值得一提的是，通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，產(chǎn)品中云母含量可在30%~50%范圍內(nèi)靈活調(diào)控，滿足絕緣材料在不同場景的定制化需求。 2022年5月，“高性能纖維云母絕緣紙基復(fù)合材料制備關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”通過中國輕工業(yè)聯(lián)合會組織的科技成果鑒定。專家認(rèn)為整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，標(biāo)志著我國芳綸紙基絕緣材料實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”“并跑”到“領(lǐng)跑”的歷史性跨越。 技術(shù)開發(fā)期間，成果完成單位累計獲授權(quán)發(fā)明專利56件，參與制定國家標(biāo)準(zhǔn)4件。2017年以來，技術(shù)不斷推廣應(yīng)用，在相關(guān)企業(yè)建成云母芳綸絕緣紙、高纖化芳綸漿粕、芳綸云母纜芯包帶專用生產(chǎn)線，打通從關(guān)鍵原材料到終端產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈。產(chǎn)品成功應(yīng)用于國產(chǎn)CRH高速列車牽引電機(jī)、核電站關(guān)鍵電氣設(shè)備、特高壓直流輸電等國家重大工程和高端裝備領(lǐng)域，全面提升了我國新一代軌道交通、航空航天、能源電力等領(lǐng)域特種紙基功能材料的自主保障能力，并出口美國、俄羅斯、芬蘭等國，成為ABB、西門子等國際知名企業(yè)的供應(yīng)商，創(chuàng)造了顯著的社會和經(jīng)濟(jì)效益，有力推動了我國特種造紙工業(yè)技術(shù)進(jìn)步與轉(zhuǎn)型升級。 圖：陜西科技大學(xué)提供 |
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