Kompozitní elektroizolační materiály a jejich komponenty
5. Vývoj nanodielektrik a současná situace v elektrotechnice
Z kapitoly „Historie nanomateriálů“ je zřejmé, že první nanoplniva se používala již ve 4. st. n. l. římskými skláři, kteří si ale neuvědomovali tuto skutečnost. V oblasti nanodielektrik byl vývoj mnohem delší. První pokusy s polymery a plnivy se uskutečnily v nedávné minulosti (20. století) a jednalo se víceméně o snahy jednotlivců. Jeden z prvních patentů (US Pat. 4760296) zabývající se elektroizolační technikou pochází z roku 1988 od autorů Johnston a Markovitz. Ti popisují experiment, ve kterém zlepšili elektrické vlastnosti přidáním plniva submikronových rozměrů do izolačního systému na základě epoxidu a slídy v izolaci cívek generátoru. [18], [14] Podobná práce zaměřující se na nanosiliku (Henk et al. 1999) popisuje vzrůst napěťové odolnosti v polymeru při zmenšování velikosti plniva. V roce 1994 se o průlom zájmu u odborné společnosti zasloužil prof. T. J. Lewis, který sepsal své teoretické pojednávání o nanodielektrikách. [21], [14] Celosvětový zájem nastal ovšem až po zveřejnění prakticky zaměřených prací angloamerického týmu pod vedením prof. J. Keith Nelsona (Nelson et al. 2002 [17]). Zobrazení vývoje počtu publikací v databázi CompendexTM při vyhledávání termínů „nanodielectrics“ a „dielectric nanocomposite“ je na Obr. 6. Z obrázku je jasně vidět, že termíny „nanodielectrics“ a „dielectric nanocomposite“ jsou fenoménem 21. století.
Další veliký přínos pro tento vědní obor přinesl vznik specializovaných periodik při významných institucích a profilování odborníků - Institute of Physics (Stevens 2005), Institute of Electrical and Electronics Engineers (Dissado a Fothergill 2004, Nelson a Schadler 2008) či Institute of Electrical Engineers of Japan (Tanaka 2006). První globální přehled perspektivních nanomateriálů publikoval již výše zmíněný a uznávaný vědec Tanaka se svým týmem v roce 2004. [14]
Z odborných článků [19], [20], [21] lze pozorovat určitý trend v použití nanočástic. Nejdříve byly použity jednoduché částice na bázi oxidů, jakou jsou SiO2, ZnO, Al2O3, TiO3 různých tvarů a velikostí. Později se začala používat složitější nanoplniva jako jsou nanojíly nebo uhlíkové materiály (uhlíkové nanotrubice, fullereny, uhlíková nanopěna). V posledním desetiletí se začalo experimentovat i s hybridními (chemicky na rozhraní mezi silikony a oxidem křemičitým) nanočásticemi POSS [21], [23] - oligomerní silsesquioxan, kterými se také zabývala Fakulta elektrotechnická v Plzni.
Že nanodielektrika jsou oblast, o kterou je široký zájem, svědčí počet patentů, které byly podány v posledních letech. Níže je uvedeno několik vybraných patentů:
· US 9117818 B2 - Dielektrické nanokompozity a způsoby výroby
Tento patent popisuje vytvoření nového dielektrického materiálu. Jedná se o substrát, (folie) na který je napařován polymer obsahující nanočástice - nanokompozitní dielektrický film.
· CN 104262655 A - obsahuje PI;
· CN 103554533 A - obsahuje PA. Proces výroby - sol-gel proces. [24]
· US 6762237 B2 - Nanokompozitní dielektrika
Americký patent se týká nového nanokompozitního dielektrika obsahujícího polymerní matrici a v ní dispergované uhlíkové nanotrubičky. [25]
· US 7884149 B2 - Nanostrukturované dielektrické kompozitní materiály
Nanokompozitní materiál vhodný pro elektrickou izolaci obsahuje polymer smíchaný s homogenně distribuovaným nanoplnivem. Materiál je vyroben smísením polymeru s nanočásticemi, na které působí smyková síla zabraňující aglomeraci plniva. [26]
· WO 2004034409 A1 - Nanometrické kompozity zlepšených dielektrických struktur
Tento patent popisuje teorii nanokompozitů jako Maxwell-Wagnerův proces, který snižuje mezipovrchovou polarizaci. Autoři aplikují nanočástice TiO2 a mikročástice TiO2 do polymerního základu a porovnávají jejich výsledky. [27]
· WO2012134452 A1 - Dvoučásticová nanokompozitní dielektrika
Popisuje nanokompozitní dielektrika, která mohou začlenit do polymerního základu dva typy nanočástic. Jeden druh je menší než druhý a tím vyplňuje mezery, které se vytvořily mezi většími částicemi - zvýšení elektrické pevnosti. [28]
O nanotechnologie v oblasti elektrotechniky mají zájem i komerční subjekty a ne jen lidé z akademické sféry. To dokazuje projekt ANASTASIA (Advanced NAno-Structured TApeS for electrotechnical high power Insulation Applications), který se započal 1. 1. 2010 a byl ukončen 31. 12. 2012. Anastasia byl společný výzkumný projekt financovaný Evropskou unií ze 7. rámcového programu pro výzkum a technologický rozvoj. Na projektu se podíleli jak průmysloví výrobci, výzkumné laboratoře, akademické instituce, tak koncoví uživatelé generátorů. Celkově se zúčastnilo 9 institucí. Cílem tohoto projektu byl vývoj „radikálně“ inovovaných elektroizolačních pásek používaných pro vysokonapěťové izolační systémy velkých generátorů a jejich výrobní proces s cílem zvýšit energetickou účinnost elektrotechnického systému a tím nahradit dosud využívané heterogenní vícevrstvé materiály, které se skládají ze skelné tkaniny, slídy a polymeru. Záměrem také bylo snížit tloušťku pásky nejméně o 30 %. [29], [30]
Během prací byla začleňována anorganická nanoplniva, a to zejména kvůli zvětšení homogenizace materiálu. Jako demonstrace sloužila statorová tyč vyrobená z různých druhů pásek impregnovaná modifikovanou pryskyřicí (modifikování nanosilikou nebo nanojílem). Vědci prokázali významné zlepšení izolačního materiálu integrujícího nanočástice v pásce nebo pryskyřici.
Nejslibnější páska vedoucí k dokončení celého projektu je s označením BM104B15 nazývaná „New Nanosilica & Boron Nitride Tape“, která obsahuje nanočástice siliky a nitridu boru. Toto složení zlepší elektrickou životnost přibližně 4,5 - 5,8krát a tepelnou vodivost o 43 %.
Nano-impregnované pásky bylo jednodušší vyrobit ve stávajících výrobních systémech než u výroby nano-modifikovaných pryskyřic. Vědci by tedy měli být schopni rychle vyrobit pásky pro další optimalizaci finálního designu.
Jak sama tvrdí vytvořená pracovní skupina: „Toto není konec“, shodli se, že zkušenosti z těchto materiálů jsou v současné době omezeny a věří, že další vylepšení současně vzniklého materiálu povede k dalšímu zlepšování elektrických vlastností. [29], [30]
Protože nanotechnologie byla nejdříve použita po delší dobu v polovodičové, biologické a senzorové oblasti, využití této technologie v izolačních systémech se teprve pomalu rozvíjí.