电气工程技术的发展使电能使用更灵活、高效和安全，从而有利于构建能源互联网。近些年，随着电气设备使用范围的不断扩大，对电气行业提出更高的标准和要求，电气设备正在向高电压、大电流、高频化、小型化方向发展。在电气设备使用中由于整流、逆变产生高频变化的重复脉冲电压，容易加速材料老化，对电气绝缘性能产生负面影响[1-2]。热塑性材料是常见的电气绝缘材料之一，具有力学性良好、质量轻、绝缘性能好、耐用性强、加工便捷等优势[3]，在高压电缆、开关插座等方面应用前景良好。但由于热塑性材料在高压环境下易受高频、谐波电压影响，导致使用寿命缩短，通常需要共混改性、熔融改性等方式，进一步提升热塑性材料的耐用性能。目前，低密度聚乙烯复合材料、聚碳酸酯复合材料、聚酰胺66复合材料等在低压电器、电力电缆、开关等方面应用较广泛[4-5]。本研究以热塑性复合材料在电气绝缘的应用为研究目标，概述热塑性复合材料的定义、分类方法，并对不同种类的热塑性复合塑料的优缺点进行介绍。对应用较广泛的聚乙烯复合材料、聚丙烯复合材料、聚碳酸酯复合材料和其他热塑性复合材料在电气绝缘的应用现状进行综述，总结目前热塑性复合材料在电气绝缘领域的应用优势和研究的不足，为电气绝缘材料的研究提供方向和参考。1热塑性复合材料概述热塑性复合材料是指熔融状态下可以转化为无定形的制品，通过再加热可以再次改变形状，且满足多次重复使用，对力学性能影响较小的复合材料。热塑性复合材料是基于热塑性塑料基体，通过熔融共混、热压法等方式加入不同的改性剂，有针对性地提升热塑性材料的性能，从而满足热塑性复合材料在使用环境中的不同要求。热塑性复合材料包含聚乙烯复合材料、聚丙烯复合材料、聚氯乙烯复合材料、聚碳酸酯复合材料、聚酰胺复合材料等[6-9]。热塑性聚乙烯复合材料包含低密度聚乙烯复合材料和高密度聚乙烯复合材料，低密度聚乙烯复合材料柔韧性能好，但耐热性能和耐环境应力开裂性相对较差；而高密度聚乙烯复合材料的耐热性能和耐环境应力开裂性相对较好[10]。聚丙烯复合材料具有优异的电气性能和耐热性能，且聚丙烯复合材料是可回收的复合材料之一，在电气领域应用前景广阔[11-12]，但聚丙烯复合材料力学性能相对较差[13]。聚碳酸酯复合材料具有良好的尺寸稳定性、力学性能、耐热性能和阻燃性能，但聚碳酸酯复合材料的加工难度较高，耐磨性相对较差，加工成本更高[14]。2热塑性复合材料在电气绝缘中的应用2.1聚乙烯复合材料聚乙烯材料是常见的高压直流电缆材料，因长期受直流电场作用，容易产生空间电荷聚积，进而引起局部电场畸变，加速高压直流电缆材料的老化[15]。已有许多研究对聚乙烯材料进行复合改性，以提升聚乙烯材料的绝缘性能[16-18]。王思蛟等[19]采用纳米Al2O3颗粒对低密度聚乙烯进行改性，并探究不同改性条件下聚乙烯复合材料的绝缘性能。选择质量分数分别为0.1%、0.2%、0.5%、1%的纳米Al2O3颗粒，对低密度聚乙烯材料进行熔融共混改性，并测定在30 kV/mm场强中聚乙烯复合材料的空间电荷分布及场强畸变特性、电导率。结果表明：质量分数1%的纳米Al2O3颗粒对低密度聚乙烯材料改性效果最佳，可以抑制空间电荷聚集，具有良好的绝缘效果，在高压直流电缆输电系统中具有良好的应用前景。郑阳等[20]对高压电缆领域使用的交联聚乙烯生产工艺进行优化研究，通过改变吸收时间、吸收温度和振荡频率等影响因素，探究材料的负荷热延伸性能、电气强度可靠性参数。结果表明：最佳的改性条件为吸收时间16 h、吸收温度70 ℃，振荡频率10 min-1，改性后交联聚乙烯的拉伸强度为21.5 MPa，断裂伸长率为540%，相对介电常数是2.16，介电强度为44 MV/m，经过工艺改进后材料的性能显著提升。赵青洋等[21]以改性硅微粉(mSiO2)为改性剂，对低密度聚乙烯进行改性，并测定复合聚乙烯的绝缘性能、导热性能、力学性能。结果表明：改性剂质量分数在3%时，复合低密度聚乙烯电气强度为35.1 kV/mm，体积电阻率为3.63×1015 Ω‧cm，导热系数为0.72 W/(m·K)，拉伸强度为15.2 MPa。郑昌佶等[22]采用纳米SiC改性直流电缆中的低密度聚乙烯，并通过熔融共混法制得不同质量分数的聚乙烯复合材料，测定纳米SiC颗粒对低密度聚乙烯介电性能的影响。结果表明：纳米SiC/低密度聚乙烯复合材料空间电荷注入量明显低于低密度聚乙烯，且电导率随着纳米SiC的增加而减少。研究证明，采用纳米SiC改性能够有效抑制载流子的输运，从而阻碍空间电荷的迁移和积聚，有利于提升直流电缆材料的绝缘性。为提升聚乙烯材料的老化性能，研究者们对聚乙烯老化规律、改性剂、改性条件进行研究。张斌等[23]对高压电缆用的低密度聚乙烯进行改性，提升聚乙烯的力学性能和老化性能，采用复合抗氧剂为改进剂进行熔融共混改性。结果表明：复合抗氧质量分数为1.8%时，复合低密度聚乙烯拉伸强度和断裂强度等力学性能略有提高，提升1%~4%，热延伸性能稳定，长效老化性能也有所提升，说明低密度聚乙烯经过改性后电气可靠性能得到优化。刘露萍等[24]对电工绝缘领域交联聚乙烯的热老化性能进行研究，并评估复合交联聚乙烯的电化学性能、耐老化性能。结果表明：经过150 ℃恒温老化，交联聚乙烯击穿场强由最初的26.18 kV/mm降至19.12 kV/mm，极化指数在老化初期为1.77，老化结束后增加至11.02。该研究为交联聚乙烯的电缆等电气设备的使用寿命研究提供依据。2.2聚丙烯复合材料聚丙烯具有优异的介电性能和耐热性能，且符合环保回收的条件，在高压直流电缆领域具有良好的应用前景，目前聚丙烯基材料正向高压直流电缆主绝缘材料的商业化应用发展[25-26]。由于高压直流电缆材料需要具有优异的绝缘性能和力学性能，目前国内外学者采用纳米材料、碳纤维、碳纳米管对聚丙烯进行复合改性[27-28]。江平开等[29]采用纳米MgO改善电缆聚丙烯材料空间电荷积累问题，并探究不同质量分数下纳米MgO/聚丙烯复合材料的力学性能和绝缘性能。结果表明：质量分数为1%的纳米MgO/聚丙烯复合材料特征击穿场强明显增加，但对其力学性能影响不大。研究表明，改性后聚丙烯复合材料可以作为高压直流电缆材料。竺佳一等[30]对绝缘电缆的聚丙烯的绝缘性能和抗腐蚀性能进行研究，采用碳酸钙无机纳米粒子对聚丙烯进行改性，测定复合聚丙烯的介电常数、击穿强度、拉伸强度以及抗腐蚀性能。结果表明：加入改性剂后聚丙烯复合材料的拉伸强度有所降低，但仍然符合GB/T 8815—2008标准，介电常数为3.13，击穿电场强度为62.3 kV/mm，说明经过改性后聚丙烯能够满足高压电缆的要求。纳米MgO、石墨烯是常见的改性材料。李光吉等[31]以聚丙烯为研究对象，采用四针状氧化锌晶须(T-ZnOw)和MgO改性制备聚丙烯复合材料，并测定体积电阻率(ρv)和热导率(λ)。结果表明：当MgO体积分数为33%，聚丙烯复合材料的ρv为9.20×1015 Ω‧cm，λ为0.756 3 W/(m‧K)，能够满足绝缘材料性能要求。蒋培松等[32]对聚丙烯进行研究，采用石墨烯微片、碳化硅为改性剂，测定改性聚丙烯复合材料的导电性能和导热性能。结果表明：最佳的改性条件为碳化硅添加剂质量分数为5%，聚丙烯复合材料电导率最高，为4×10-5 Ω‧cm。当添加剂碳化硅质量分数为20%，聚丙烯复合材料导热率最高为0.625 W/(m‧K)。邹勃等[33]采用石墨烯对聚丙烯进行熔融挤出共混改性。结果表明：经过改性后，石墨烯质量分数为15%时，聚丙烯复合材料电导率最大，为0.127 S/cm。石墨烯质量分数为3%时，聚丙烯复合材料的拉伸强度最大，为35. 658 MPa。韦良强等[34]以多壁碳纳米管(MWCNTs)为改性剂，采用微纳层叠共挤方式对聚丙烯进行改性。结果表明：增加MWCNTs含量能够提升聚丙烯的介电常数，且具有层结构的MWCNTs改性效果更强，聚丙烯复合材料的介电常数能够提升1.2倍。2.3聚碳酸酯复合材料聚碳酸酯具有良好的热稳定性好、耐老化、耐油、自熄等优点，在电气绝缘领域应用广泛。目前，聚碳酸酯在插线板、开关插座、智能电表等方面应用较多[35-37]。但聚碳酸酯容易产生应力开裂，通常与其他材料共混提升聚碳酸酯的使用性能[38]。刘世远等[39]以聚碳酸酯、聚酯薄膜复合材料为研究对象，与传统纤维素绝缘纸的耐热性能和老化性能、电化学性能相比，探究聚碳酸酯、聚酯薄膜复合材料替代传统绝缘材料的可行性。结果表明：聚碳酸酯复合材料可以减少油浸变压器电荷聚积现象，可以代替纤维素绝缘纸，作为油浸变压器中的绝缘材料。Du等[40]对聚碳酸酯复合材料、环氧树脂复合材料、聚乙烯复合材料、聚对苯二甲酸乙二醇酯复合材料在高原环境下的电气绝缘性能进行比较。结果表明：聚碳酸酯复合材料随着电压的升高，漏电痕迹击穿时液滴数增加，电气绝缘性能略有降低，因此在高原环境下影响聚碳酸酯复合材料的使用性能。李富平等[41]研究变压器中聚碳酸酯、聚酯复合材料的耐电性能，并选择芳香纤维绝缘纸作为对比材料。结果表明：聚碳酸酯复合材料的综合耐电性能优于芳香纤维绝缘纸、聚酯复合材料，击穿电压为21.6 kV左右，说明聚碳酸酯可以作为一种油浸式变压器绝缘材料。2.4其他热塑性复合材料除了常见的热塑性聚乙烯复合材料、聚丙烯复合材料、聚碳酸酯复合材料，聚酰胺复合材料、热塑性氟塑料复合材料、聚苯乙烯复合材料等在电气绝缘领域应用较多。以聚酰胺复合材料为例，任洛卿等[42]对高压热塑性绝缘材料进行研究，并选择聚酰胺66复合材料，聚苯醚(PPO)改性PA66材料，聚苯硫醚(PPS)改性PA66材料为研究对象，探究复合材料的力学性能、耐热性能和电气绝缘性能，以研究替代传统环氧树脂绝缘材料的可行性。结果表明：聚酰胺66复合材料的强度、韧性、绝缘相比环氧树脂绝缘材料具有明显提升，但吸水率、电气性能稳定性还需要进一步提升。通过采用PPO、PPS改性后，聚酰胺复合材料综合性能明显提升。经过高性能材料改性，聚酰胺66复合材料能够满足中压绝缘应用要求，一定限度上可以替代环氧树脂绝缘材料。蔡凡一等[43]对电力电网领域常用的聚酰胺66复合材料电气性能进行研究，并探究不同的吸水处理条件下，聚酰胺66复合材料的介电性能变化。结果表明：随着吸水率增加，聚酰胺66复合材料的电气性能降低，但绝缘性能影响较小，为聚酰胺66复合材料能够在湿度较高的环境下使用提供依据。赵凯斌等[44]综述3种热塑性氟塑料在航空领域的应用情况，并选择四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、聚全氟乙丙烯(FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)复合材料测试力学性能、绝缘性能和耐热性能。结果表明：3种热塑性氟塑料复合材料均能够满足20AWG规格航天线缆的使用要求。Jung等[45]选择苯乙烯-乙烯基氯苄嵌段共聚物(PS-b-PSVBC)包覆的钛酸钡纳米颗粒，对热塑性聚苯乙烯材料进行复合改性，以提升热塑性聚苯乙烯的电气性能。结果表明：聚苯乙烯复合材料的介电常数明显提升，10 kHz条件下，介电常数高达44，电气强度也达到222 MV/m，明显减少漏电电流和击穿路径的形成，提升材料的绝缘性能。3结论热塑性塑料通过与其他材料进行复合改性，综合性能明显提升。目前，聚乙烯复合材料、聚丙烯复合材料、聚碳酸酯复合材料和聚酰胺复合材料等在电气绝缘领域中具有广泛应用，展现良好的环保性能、绝缘性能、加工性能和耐老化性能等优势，逐渐成为电气绝缘领域的重要材料之一。但目前的研究对热塑性复合材料的改性条件、改性材料种类、热塑性材料基材等方面不够深入，未来仍然需要进一步加强热塑性复合材料的加工工艺、改性方式和种类研究，以进一步提升热塑性复合材料在电气绝缘领域的使用优势。