隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)電力需求持續(xù)不斷增加，中國(guó)成為全球輸電電壓最高的國(guó)家，安全低功耗的超/特高壓大規(guī)模輸變電技術(shù)成為兩大電網(wǎng)公司的共同任務(wù)和目標(biāo)。同時(shí)，近年來(lái)全國(guó)各地的環(huán)境形勢(shì)不容樂(lè)觀，發(fā)展大規(guī)模輸變電及其相關(guān)的環(huán)保新能源技術(shù)(儲(chǔ)能)成為未來(lái)幾十年國(guó)家層面必須關(guān)注重大問(wèn)題。因此，從電功能復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域而言，可以簡(jiǎn)單將電功能復(fù)合材料分為三大類：分別是電絕緣復(fù)合材料、儲(chǔ)能介質(zhì)復(fù)合材料以及導(dǎo)電功能復(fù)合材料。

一、電絕緣復(fù)合材料

（1）最新研發(fā)進(jìn)展評(píng)述

隨著電壓等級(jí)的提升，電力設(shè)備的失效成為制約電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和發(fā)展的重要因素，而設(shè)備的失效大部分來(lái)自于絕緣材料的破壞。為了提升現(xiàn)有電絕緣材料的性能，國(guó)內(nèi)外研究表明，通過(guò)納米復(fù)合技術(shù)是解決這類問(wèn)題的有效途徑。今后亟需加強(qiáng)電絕緣復(fù)合材料的理論研究，闡明電絕緣復(fù)合材料的劣化過(guò)程、破壞過(guò)程中的電、熱、機(jī)械、光學(xué)過(guò)程；進(jìn)而結(jié)合材料學(xué)、化學(xué)等不同的學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)高性能電絕緣復(fù)合材料。

在環(huán)境友好新型電絕緣材料研究方面，改善復(fù)合絕緣油漆和其它電絕緣材料性能，實(shí)現(xiàn)新型電絕緣材料的環(huán)境友好特性，必須通過(guò)研究無(wú)機(jī)/有機(jī)電絕緣復(fù)合材料的配方及其結(jié)構(gòu)與性能著手，揭示實(shí)現(xiàn)無(wú)毒、無(wú)副作用的新型電絕緣材料的設(shè)計(jì)原理。在極端條件下電絕緣復(fù)合材料失效規(guī)律與機(jī)理方面，其基礎(chǔ)是揭示電絕緣復(fù)合材料的宏觀特性與制備、微納尺度下多物理場(chǎng)耦合作用引發(fā)的介電效應(yīng)與損傷破壞規(guī)律；進(jìn)而運(yùn)用精準(zhǔn)的多物理場(chǎng)仿真與精算手段和先進(jìn)的材料制備手段開(kāi)發(fā)出可應(yīng)用于各種極端條件的先進(jìn)電絕緣復(fù)合材料。

（2）國(guó)內(nèi)外對(duì)比分析

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外結(jié)合材料設(shè)計(jì)、分子仿真和納米改性等技術(shù)不斷研究和探索新型電絕緣復(fù)合材料的制備和表征技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)電絕緣材料設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用方面的突破。納米復(fù)合電介質(zhì)的研究和發(fā)展為高擊穿性能電絕緣復(fù)合材料發(fā)展指明了方向。采用具有絕緣、導(dǎo)電或?qū)崽匦缘募{米尺度粒子改性聚合物基體，制備納米復(fù)合電介質(zhì)材料，可以改變介質(zhì)的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)，調(diào)控介質(zhì)材料的介電響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的提高。第二代納米復(fù)合電介質(zhì)材料的研究已經(jīng)證實(shí)了界面調(diào)控技術(shù)對(duì)電絕緣復(fù)合材料介電特性的改善，并且還可以實(shí)現(xiàn)電絕緣復(fù)合材料的多種性能同時(shí)提升。采用化學(xué)制備技術(shù)、表面修飾和微觀-介觀-宏觀的關(guān)聯(lián)研究和開(kāi)發(fā)高擊穿性能的絕緣材料是未來(lái)絕緣材料的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)際上已從聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的非規(guī)整性、分子運(yùn)動(dòng)、添加劑、溫度和二次效應(yīng)等各方面對(duì)電絕緣復(fù)合材料的擊穿過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)論述，總結(jié)了電聚合物復(fù)合材料不同情況下的擊穿機(jī)理，指出不同溫度下其擊穿機(jī)理的不同。

在提高材料擊穿性能的研究中，復(fù)合材料成為研究熱點(diǎn)，上世紀(jì)末納米電介質(zhì)的出現(xiàn)，更是成為電絕緣材料擊穿性能提升的重要手段。在聚合物中添加無(wú)機(jī)納米粒子形成的納米復(fù)合電介質(zhì)材料一方面可以提高或降低聚合物的介電常數(shù)，另一方面可以提高材料的擊穿性能。納米復(fù)合電介質(zhì)材料擊穿機(jī)理與聚合物介質(zhì)的擊穿機(jī)理密切相關(guān)。

二、儲(chǔ)能介質(zhì)復(fù)合材料

（1）最新研發(fā)進(jìn)展評(píng)述

多樣化和規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用將成為未來(lái)智能電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。介質(zhì)電容器以及超級(jí)電容器儲(chǔ)能是適于電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能的主要物理儲(chǔ)能技術(shù)，具有良好發(fā)展前景和廣闊應(yīng)用前景。利用高介電常數(shù)和高介電強(qiáng)度材料作為全固態(tài)儲(chǔ)能介質(zhì)的電容器具有微秒甚至納秒級(jí)充放電速度、高功率密度、工作溫度范圍寬以及安全性好等優(yōu)點(diǎn)，在智能電網(wǎng)調(diào)頻、新能源汽車以及電磁能武器等系統(tǒng)中都是核心部件。目前國(guó)際上工程用薄膜介質(zhì)高儲(chǔ)能電容器主要用于脈沖功率電磁能武器，知名廠商是美國(guó)通用原子系統(tǒng)公司(General Atomics)，其電容器最大儲(chǔ)能密度僅為3-5J/cm³，最大循環(huán)次數(shù)可達(dá)10¹¹次。這類工程用商品電容器目前儲(chǔ)能密度較低的主要原因仍然是受制于雙軸拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜的物理性質(zhì)(2.4J/cm³，約2.7kJ/kg)，因此美國(guó)軍方非常重視新型薄膜介質(zhì)材料的應(yīng)用基礎(chǔ)研究?；趦?chǔ)能密度理論，對(duì)于普通電介質(zhì)材料而言，其相對(duì)介電常數(shù)(ε_r)和介電強(qiáng)度(E_b)相對(duì)較小，致使儲(chǔ)能密度較低。如果儲(chǔ)能介質(zhì)材料介電常數(shù)達(dá)到100、介電強(qiáng)度達(dá)到500kV/mm，則儲(chǔ)能密度大于30Wh/kg。因此，解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于發(fā)展同時(shí)具備高介電常數(shù)和高介電強(qiáng)度電介質(zhì)材料，同時(shí)優(yōu)化介質(zhì)薄膜電容器集成組裝技術(shù)和改善電容器的充放電特性，服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防等戰(zhàn)略需要。

（2）國(guó)內(nèi)外對(duì)比分析

2015年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金（NSF）宣布將在賓州州立大學(xué)和北卡羅萊納州立大學(xué)設(shè)立電介質(zhì)和壓電材料研究中心，主要研究的領(lǐng)域?yàn)殡娏﹄娮雍湍芰烤W(wǎng)格用高能量密度電容器、柔性電子用低溫加工的駐極體、特殊環(huán)境下應(yīng)用的電容器、提高儲(chǔ)能密度和改善功率分布的絕緣體等。這些舉措極大的促進(jìn)了美國(guó)電能儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展，儲(chǔ)能介質(zhì)復(fù)合材料在這期間也得到了極大的發(fā)展。在美國(guó)，電容器生產(chǎn)、科研的主要公司有Cooper、GE、GA等公司，這些公司都具有很強(qiáng)的綜合發(fā)展能力，產(chǎn)品比特性指標(biāo)和科技含量較高。2009年，美國(guó)GA公司研制出了最高儲(chǔ)能密度達(dá)到3.0MJ/m³的金屬化聚丙烯膜電容器。然而單純依靠聚合物自身很難獲得高儲(chǔ)能密度的介質(zhì)復(fù)合材料。目前國(guó)內(nèi)外的普遍做法是通過(guò)將高介電常數(shù)的無(wú)機(jī)納米顆粒與聚合物復(fù)合，獲得具有高功率密度和高能量密度的儲(chǔ)能介質(zhì)復(fù)合材料。

美國(guó)政府自2005年起，先后兩次資助了由多學(xué)科大學(xué)創(chuàng)新研究群聚焦新型高儲(chǔ)能介質(zhì)復(fù)合材料的研發(fā)。目標(biāo)是獲得介電常數(shù)比BOPP更高并同時(shí)具有高介電強(qiáng)度的柔性儲(chǔ)能介質(zhì)復(fù)合材料。網(wǎng)上查到美國(guó)EEStor公司構(gòu)想的基于鈦酸鋇基陶瓷電容器，能量密度達(dá)402Wh/kg(介質(zhì)膜厚9.81um、介電常數(shù)19861、介電強(qiáng)度557kV/mm)?；诓牧辖殡娦阅芙怦顓f(xié)同調(diào)控、生產(chǎn)成本和工藝等考慮，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)儲(chǔ)能介質(zhì)復(fù)合材研究主要有以下四種思路：(1) 設(shè)計(jì)制備具有顯著電極化響應(yīng)的極性分子結(jié)構(gòu)的高儲(chǔ)能聚合物材料。(2) 設(shè)計(jì)制備具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的高儲(chǔ)能無(wú)機(jī)納米顆粒/聚合物復(fù)合電介質(zhì)材料。(3) 利用不同物理性質(zhì)薄層設(shè)計(jì)制備多層結(jié)構(gòu)的高儲(chǔ)能密度介質(zhì)復(fù)合材料。(4) 利用極性高分子內(nèi)源性界面顯著增強(qiáng)極化。

三、導(dǎo)電功能復(fù)合材料

（1）最新研發(fā)進(jìn)展評(píng)述

導(dǎo)電功能復(fù)合材料結(jié)合了不同組分各自的優(yōu)點(diǎn)，賦予了傳統(tǒng)金屬材料不具備的物理和功能特性，是今后發(fā)展的方向。按照使用環(huán)境和性能要求不同，導(dǎo)電功能復(fù)合材料當(dāng)前發(fā)展方向主要分為金屬基導(dǎo)電復(fù)合材料和高聚物基導(dǎo)電復(fù)合材料和超導(dǎo)材料。

金屬基導(dǎo)電復(fù)合材料將纖維、顆粒、晶須等增強(qiáng)體分散于金屬或合金基體中，將金屬良好的韌性、可成型性和高導(dǎo)電導(dǎo)熱性與增強(qiáng)體高強(qiáng)度、耐磨抗疲勞、高彈性模量、低熱膨脹、輻射屏蔽等性能結(jié)合，獲得了優(yōu)良的綜合性能。聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料具有重量輕、易加工成各種復(fù)雜形狀、耐腐蝕，以及電導(dǎo)率可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，可用作電磁屏蔽材料、燃料電池的雙極板材料、自限溫加熱材料、過(guò)流保護(hù)材料等。聚合物基復(fù)合材料是在有機(jī)聚合物基體中（PC、PBT、ABS等）添加導(dǎo)電填料，根據(jù)逾滲效應(yīng)獲得較高的電導(dǎo)率。根據(jù)化學(xué)組成，可以將導(dǎo)電填料分為碳素系列、金屬及合金系列、金屬氧化物系列。碳系填料如碳纖維、炭黑、石墨以及近年來(lái)出現(xiàn)的碳納米管具有密度低、來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。

在實(shí)用材料方面，低溫超導(dǎo)材料（NbTi，Nb₃Sn）已經(jīng)達(dá)到實(shí)用水平，而釔系（YBCO）和鉍系（BSS-CO）高溫超導(dǎo)體也已經(jīng)取得突破性的進(jìn)展，得到初步應(yīng)用。最近幾年來(lái)，又發(fā)現(xiàn)了二硼化鎂（MgB2），以及FeAs等新型超導(dǎo)體。基于新超導(dǎo)材料探索，超導(dǎo)機(jī)理和超導(dǎo)宏觀量子效應(yīng)（磁通物理）的研究將構(gòu)成超導(dǎo)研究的重要方面。

（2）國(guó)內(nèi)外對(duì)比分析

近二十年來(lái)，世界各國(guó)競(jìng)相開(kāi)展對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)，從基體材料、增強(qiáng)顆粒、制備工藝、微觀組織、力學(xué)性能與斷裂特性等方面進(jìn)行了許多基礎(chǔ)性和應(yīng)用性的研究。彌散強(qiáng)化高性能材料的微觀組織及其演變規(guī)律、相關(guān)理論在不斷完善，新工藝技術(shù)、新研究熱點(diǎn)和方法也不斷產(chǎn)生。我國(guó)金屬基復(fù)合材料在優(yōu)化設(shè)計(jì)、制備、界面和性能研究、應(yīng)用研究等方面取得重要進(jìn)展，已研究出多種金屬基復(fù)合材料構(gòu)件用于航天、空間技術(shù)領(lǐng)域。

美國(guó)對(duì)聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料的需求量每年以20%~30%的速度遞增，發(fā)展?jié)摿κ志薮蟆?jù)報(bào)道，國(guó)外有人將鋅-錫合金用于聚碳酸脂（PC）、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯（PBT）、苯乙烯-丁二烯-丙稀腈共聚物（ABS）、聚丙烯（PP）共混，將鋅-鋁合金用于聚醚醚酮（PEEK）共混制備低熔點(diǎn)合金/聚合物導(dǎo)電復(fù)合材料。在國(guó)內(nèi)有多家科研機(jī)構(gòu)亦開(kāi)展類似研究工作。此外國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了低熔點(diǎn)合金/聚合物復(fù)合材料方面的研究，所用的聚合物主要為聚烯烴類通用塑料，采用的低熔點(diǎn)合金主要有Bi-Pb、Sn-Pb合金。將低熔點(diǎn)合金與聚合物復(fù)合，可獲得所得具有低的逾滲閾值、高的電導(dǎo)率和優(yōu)良力學(xué)性能的復(fù)合材料。

美國(guó)超導(dǎo)公司（ASC），IGC公司、Conducts公司、Dupont公司，日本住友電工（SEI）、澳大利亞金屬制造公司（MM）和德國(guó)真空冶煉公司，莫尼黑大學(xué)在超導(dǎo)材料及應(yīng)用進(jìn)行了大量的研發(fā)工作。在我國(guó)，“863”計(jì)劃中提出了研制超導(dǎo)材料與技術(shù)的課題，對(duì)涉及超導(dǎo)電力領(lǐng)域全面的展開(kāi)研發(fā)，并且取得了一定的成果，逐步與世界水平接軌。

四、應(yīng)用前瞻

對(duì)于電絕緣復(fù)合材料主要應(yīng)用于第三代輸變電電網(wǎng)建設(shè)，特別是高壓電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣和外絕緣領(lǐng)域，有利于促進(jìn)我國(guó)的交直流超/特高壓電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展。對(duì)于儲(chǔ)能介質(zhì)復(fù)合材料，主要用于大規(guī)模高儲(chǔ)能有機(jī)薄膜介質(zhì)電容器的研制，服務(wù)我國(guó)智能電網(wǎng)換流閥逆變器用直流支撐電容器和高儲(chǔ)能薄膜介質(zhì)電容器的發(fā)展。對(duì)于導(dǎo)電功能復(fù)合材料，主要應(yīng)用表現(xiàn)在先進(jìn)柔性導(dǎo)電互連以及輸電電纜的導(dǎo)體等領(lǐng)域，特別是超導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用。