《納米電介質：基礎和應用》是日本電氣學會（IEEJ）聚合物納米復合電介質應用技術專門委員會，過去十幾年中在對電介質的基本特性及其工業應行調查的基礎上形成的技展報告，其榮獲2016年IEEJ傑出技術報告獎，2017年出版了英文版，本書是在購買了日文原文版權的基礎上翻譯而成的。

凡在外電場作用下產生宏觀上不等於零的電偶極矩，因而形成宏觀束縛電荷的現像稱為電極化，能產生電極化現像的物質統稱為電介質。電工材料中一般認為電阻率超過10Q·cm的物質便歸於電介質，電介括氣態、液態和固態等範圍廣泛的物質，括真空。

聚合物與其他材料相結合的復合技術是改善介質和絕緣材料的有效方法，利用納米無機材行改性是其中的重要途徑。聚合物無機納米復合材料（以下簡稱納米電介質）是指以聚合物為有機相（基體）、以納米顆粒為無機相（添加相）而制備的一種新型復合材料體繫。由於利用了無機納米粒子的表面效應、體積效應、量子尺效應以及量子隧道效應，加之聚合物本身具有密度小、強度高、易加工等優點，聚合物無機納米復合材料呈現出很多不同於常規的特性，在電力設備、電子器件的絕緣中得到廣泛應用。

本書從介紹納米復合聚合物材料的魅力入手，說明了納米復合材料所具有的介電與絕緣性能，描述了納米復合材料的光明前景；從材料應用的角度，介紹了納米復合材料在電氣（開關設備、電纜、線、電機繞組、戶外聚合物絕緣子等）和電子（電子器件用高密度組件）領域潛在的應用，以及介電性能和其他工程性能（高熱導率、低熱膨脹繫數、高磁導率、高耐熱）的兼容性；從材料制備的角度，介紹了聚合物納米復合材料制備的均勻分散制備技術（溶膠凝膠法、類球形填料的分散技術、層狀結構填料的混方法、納米填料表面改性等）；從材料特性的角度，分析了納米電介質的介電性能（介電常數、介質損耗、低電場電導、高電場和空間電荷積聚下的傳導電流、短時擊穿特性、長時介質擊穿、局部放電導致材料的劣化、水樹枝導致材料的劣化、漏電起痕而導致的材料劣化、電化學遷移導致材料的劣化等）、熱學性能（熱學行為、熱學性質和耐熱性）和力學性能（拉伸強度、彎曲特性、裂痕擴散、耐疲勞性等）；從理論分析的角度，介紹了聚合物納米填料界面結構、界面模型和界面分析方法，並簡略介紹了聚合物中納米填料可視化的計算機模擬方法。

全書給出了很多新成果和實際應用案例，提供了有關用於電氣和電子工程的聚合物納米復合材料的前沿技術知識，有助於對納米復合材料的制備、特性和應行了解，堪稱是為初學者和專家提供的一本實用手冊。此外，本書在原著和英文譯著的基礎上翻譯而成，為便於讀者閱讀及查詢相關資料，沿用了英文版的參考文獻。

本書由西安交通大學成永紅、陳玉、孟國棟負責組織翻譯，成永紅負責核對、統稿。參與翻譯的人員如下：

第pan>章：1.pan>、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7節（謝茜）；

第2章：2.pan>、2.2節（毛佳樂），2.3、2.4節（董承業）；

第3章：3.pan>、3.2、3.4節（王爭東），3.3、3.5節（楊萌萌）；

第4章：4.pan>、4.2、4.4節（陳思宇），4.3節（劉菁雅）；

第5章：5.pan>、5.4、5.5節（孟國棟），5.2、5.3、5.9節（蘇芮），5.6、5.7、5.8節（邵穎煜）；

第6章：6.pan>節（王文棟），6.2、6.3節（張篤佼）；

第7章：7.pan>、7.2節（陳玉）；

第8章：8.pan>、8.2節（任遠洋）；

第9章：9.pan>、9.2節（李貝津妮）；

前言、目錄翻譯和所有章節的參考文獻的整理、排版等工作（高新宇）。

本書能夠得以出版需要感謝日本電氣學會許可我們將《納米電介質：基礎和應用》翻譯成中文，讓更多的中文讀者能夠方便地讀到本書；感謝科學出版社的編輯為本書出版付出的努力；感謝所有為本書出版付出辛勞的人們。

後，要感謝本書的主編——電氣與電子工程師學會終身會士（IEEELifeFellow）、日本電氣學會終身會士（IEEJLife Fellow）、國際大電網組織傑出會員(CIGRE Distinguished Member)、早稻田大學教授、西安交通大學名譽教授田中祀捷，他支持我們翻譯出版此書、時時關心出度、及時解答翻譯中的疑問。田中祀捷教授不僅是一位國際的學者，更是中日友好和文化交流、傳播的使者，他酷愛中國歷史、中國文化，喜歡中國太極、熱愛中文書法，時常用中文練讀寫。他不僅自己學文化，而且還廣泛傳播中國文化，2018年他因在西安交通大學突出的科研教學工作和文化交流活動獲得“西安友誼獎”。2020年恰逢田中祀捷教授八十大壽，願以此書作為獻給他的生日禮物，祝他健康長壽！

因譯者和經驗有限，翻譯中的疏漏和錯誤在所難免，敬請讀者批評指正。

第pan>章緒論：聚合物納米復合材料的魅力

聚合物納米復合材料的出現已有50多年歷史。過去主要注重含納米尺度粒子的膠體的理論研究，而現在入制備納米物質的納米技術應用階段。聚合物納米復合材料源於納米技術，在膠體科學中得到廣泛研究。20世紀90年代，聚合物納米復合材料發源於工程塑料，2pan>世紀初開始用作電介質絕緣材料。研究發現，將少量的無機納米填料添加到純的聚合物樹脂中可以提高材料的多種性能。在電介質領域，聚合物納米復合材料的研究始於20世紀90年代中期，基礎研究和應用開發在2pan>世紀初取得顯展，人們將各種聚合物納米復合材料用於開關電氣設備、電力電纜以及微電子器件的絕緣。未來為了適應社會發展需求，人們還將探索具能、高性能的復合材料。

1.pan>添加少量填料的納米復合材料

納米復合材料一般由主體材料和客體材料組成。本書中復合材料的主體材料為聚合物，客體材料為無機填料。復合材料中納米填料的尺至少在一個維度上小於100nm，填料的質量分數一般小於10%。

納米復合材料的制備是為了使主體材料在保有原來優良特性的基礎上具有客體材料的性能。有了這種納米復合技術，就有可能創造出一種材料，其甚至可以同時具有通常認為矛盾的強度和彈性。一般來說，無機材料具有的光學、電學、力學和熱學性能，有機材料具有輕質、柔韌和可塑等優良性能，而復合材料有望具有這兩者的優點，實現無論是主體材料還是客體材料都不能單的新性能。主體材料和客體材料有三種可能的組合：無機/無機、無機/有機、有機/有機。

目前，有吸引力的組合是有機材料（聚合物）為主體材料，無機材料為客體材料。有機/黏土復合材料的研打開了一個納米材料的新世界。起初人們主要關注復合材料的力學、光學性能，隨著技步，人們的關注點轉移到其他重要特性上，如氣體阻隔性、潤滑性、耐熱性、散熱性、導電性和絕緣性等。

納米復合材料需要納米填料。納米填料有三種制備方法：固相法、液相法和氣相法。納米填料的傳統制備方法是固相法，就是將塊狀材料破碎，這種方法不適合含有多素的多組分填料的制備，同時顆粒尺小隻能到0.lum（100nm）。液相法和氣相法適合用於合成納米填料。研制納米填料的主要廠商有Acerosil、愛化成（C.I.Kasei）等，它們提供納米尺度的二氧化硅（SiO2）、氧化鋁（A,O,）、二氧化鈦（TiO，）等，但未公布制備方法。

涉及一個重要話題：如何將納米填料混合到聚合物中。納米填料有兩種結構：球形體和層狀結構。混合球形納米填料和聚合物的制備方法主要有直接混合法和溶膠-凝膠法，混合層狀納米填料伴隨著化學反應的發生而出現。

1.1.pan>球形納米填料復合材料的制備方法

1.直接混合法

（pan>）環氧納米復合材料。首先，將環氧樹脂（主劑）、納米填料、硅烷偶聯劑這三種材料用高壓高速攪拌行混合，高壓高速攪拌機可以提供高的剪切力；其次，在混合物中加入固化劑；後，將混合物注模，抽真空，熱固化。

（2）聚乙烯納米復合材料。一種可用的制備方法是將納米填料放入氯仿（溶劑），用超聲行分散，然後將分散的混合物添加到低密度聚乙烯（LDPE）的二甲苯溶液中，將溶液在100Pa、393K下攪拌2h，溶劑揮發後得到試樣材料。

2.溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是將細小顆粒通過溶膠-凝膠過程的化學反應合成並分散在聚合物中的一種方法，即水解、脫水縮合反應。具體來說，金屬醇鹽（如烷氧基硅烷）在堿催化劑下發生水解或縮合反應。通常正硅酸乙酯（TEOS）和正硅酸甲酯（TMOS）可用於在聚合物中析出二氧化硅納米顆粒。

1.1.2層狀納米填料復合材料的制備方法

層狀納米填料（層狀硅酸鹽或黏土）是由組成的，層的結構中含有三片層，兩側分別為一個Si-O四面體片，中間為一個Al-O或Mg-O八面體片。每個硅酸鹽層長約為100nm，寬度約為10nm，厚度約為lnm。負電荷是由於Si-O四面體片中的鋁被硅代替，或者中間八面體片中三價陽離子被二價陽離子代替產生的，為了補償這個負電荷，片層之間通過陽離行結合（如Na*）。這種結構使層狀納米材料具有離子交換能力，因此可以在有機物中形成插層混合物。

1.插層共混法

層狀納米填料（層狀硅酸鹽）通過插層法混合到聚合物中。這主要分為兩個過程：層間插入過程和層剝離過程。

2.直接共混法

層狀納米填料在水漿料中和聚酰胺混合，通過雙軸攪拌擠壓機來分散層狀納米填料，以制備復合材料。