随着对间歇性可再生能源依赖性的增加，以及数据中心和电动汽车充电等日益增长的能源需求，全球电网基础设施正承受着前所未有的压力。电力变压器的故障极易导致大面积停电，而绝缘失效是最大的诱因，其根源在于电、热和机械应力的共同作用。自1890年代以来，植物基木质纤维素绝缘纸因其低成本、良好的介电强度（约72 kV/mm）和合理的机械强度（约100 MPa）而被广泛使用。然而，传统油浸绝缘纸（OIP）存在关键缺陷：其内部油分布在三维互连的微米级油袋网络中，由于绝缘油的介电击穿强度远低于木材纤维，电击穿路径容易沿着这些油网络蔓延，严重限制了材料的整体介电性能。此外，传统OIP采用耗时耗能的硫酸盐化学制浆工艺，该过程会降解纤维素纤维，降低其聚合度，导致材料在变压器运行条件下易于长期降解。同时，传统OIP的低热导率导致变压器内部散热不良，进一步加速了材料老化。

新型浸油致密木材薄板实现性能突破

针对上述难题，美国马里兰大学胡良兵教授团队联合多家研究机构，开发出一种基于浸油致密木材薄板（ODW）的新型绝缘纸。该材料利用木材天然的各向异性结构，通过部分脱木素和致密化处理，将绝缘油限制在平均尺寸仅为166±87纳米的纳米通道中，有效阻断了电击穿路径。研究显示，ODW实现了创纪录的105 kV/mm 介电强度，同时机械强度高达384 MPa，热导率达到0.33 W/(m·K)。经过150°C、6周的热老化测试后，ODW仍能保持274 MPa的机械强度，展现出优异的长期稳定性。该研究成果以Oil- impregnated densified wood veneer with high electrical insulation enabled by nanosized oil channels为题，发表于《Science Advances》杂志。

图1. 用于电力变压器绝缘的 ODW 的制备与性能。 （A）电网示意图，变压器在电力传输和分配中扮演重要角色。铁心组件中的绝缘纸提供铁心与绕组之间的电气绝缘，以及高低压绕组之间所需的绝缘。图片经 ANSYS, Inc. 许可使用。（B 和 C）传统 OIP（B）和所提出的 ODW（C）中油和纤维素分布的示意图，以及示例性电击穿路径（黄线所示）。传统 OIP 结构在随机分布的木质纤维素纤维内具有互连的微米级油袋。相比之下，ODW 结构在高取向和致密的纤维素纤维之间显示出孤立的纳米级油通道。（D）厚度约 70 μm 的 ODW 卷材照片。（E）密度分别为 1.3 和 0.95 g/cm³ 的 ODW 和高密度 OIP 的性能比较。 

材料制备与微观结构表征

研究人员通过巧妙的“三步法”制备ODW（图2A）。首先，将厚度为500微米的天然椴木 veneer 在5 vol% NaOH 溶液中煮沸2小时，进行温和的碱性脱木素处理。这一过程部分去除木质素和半纤维素，使木材结构变得疏松，原本直径1-50微米的导管腔和约10纳米至2微米的细胞间隙扩大（图2，B至D），同时暴露出高度取向的纤维素纤维，提高了木材的孔隙率和柔韧性。随后，在真空条件下将预先干燥脱气处理过的天然酯绝缘油浸渍到脱木素木材的孔隙中。最后，在7 MPa压力下进行冷压致密化，木材厚度减少至约120微米，多余的油被挤出，微米级的导管腔和细胞间隙被压缩成致密的叠层结构（图2，E至G），最终形成平均高度仅为167±87纳米的纳米级一维油通道（图2K）。作为对比，商用高密度OIP（密度0.95 g/cm³，厚度135微米）的纤维素纤维取向性较差（图2，H至J），内部油呈现三维互连分布。小角X射线散射（SAXS）分析进一步证实，ODW呈现出菱形的散射图案（图2L），表明纤维素纳米纤维高度取向，而传统OIP则为圆形图案（图2M），说明其纤维分布无序。因此，ODW中的绝缘油也遵循高度取向行为，形成了宏观尺度上的一维绝缘油通道。

图2. ODW 的形貌与结构表征。 （A）ODW 的制备示意图。步骤1是对木材单板进行化学处理，部分去除木质素和半纤维素。步骤2是向木材孔隙中浸渍油。步骤3是机械压制，得到含油的致密化纸张。R、L、T 分别代表径向、纵向和切向，即木材关于切割或纹理方向的三个主要方向。（B、E 和 H）数码照片，（C、F 和 I）横截面 SEM 图像，以及（D、G 和 J）俯视 SEM 图像，分别为（B-D）部分脱木素木材单板、（E-G）ODW 和（H-J）传统 OIP。注意，用于 SEM 表征时，ODW 和 OIP 中的油已用己烷去除。部分脱木素木材单板中所示的微米级导管腔（蓝色箭头指示）和导管腔之间的间隙（绿色箭头指示）在 ODW 中被完全压缩，而传统 OIP 则具有可填充油的三维互连空间。（K）致密化后不同厚度 ODW 样品中油通道的高度。（K）中的数据基于至少50次测量，以平均值±标准差表示。红色双箭头表示木材单板样品和 OIP 中的纤维取向。（L 和 M）120 μm 厚 ODW（L）和传统高密度 OIP（M）的 SAXS 图案。 

介电性能与击穿机理

在介电性能方面，厚度为120微米的ODW相对介电常数为5.2±0.078，略低于高密度OIP的5.47±0.31。而交流击穿强度测试显示（图3A），ODW的击穿强度高达105 kV/mm，远高于高密度OIP（约72 kV/mm）和低密度OIP（约50 kV/mm）。威布尔分布分析表明，ODW的特征击穿强度参数为110.8 kV/mm，而高密度和低密度OIP分别为80.3和56.6 kV/mm。研究还发现，ODW的介电强度随厚度减小而增加（图3B），从500微米样品的约65 kV/mm提升至120微米样品的105 kV/mm。与文献报道的其他纤维素基绝缘材料相比（图3C），ODW的性能优势十分显著。为揭示其机理，研究人员进行了有限元模拟。模拟结果表明（图3，D至H），在传统OIP中，三维互连的油通道为电击穿提供了连续的低阻抗路径；而在ODW中，被高介电强度纤维素隔离的一维纳米油通道有效地阻断了击穿路径的延伸。模拟还显示（图3I），随着油通道高度的减小，ODW的介电强度显著提升，与实验结果高度吻合。

图3. ODW 介电性能的实验测量与有限元模拟。 （A）ODW、低密度和高密度 OIP 的交流击穿强度比较，以及材料的威布尔尺度参数。（B）介电强度随 ODW 厚度的变化。（C）ODW 与其他已报道纤维素基绝缘材料的介电强度比较。（D 至 G）ODW 和 OIP 的模拟电场分布，其中绝缘系统的上表面和下表面分别施加 1 至 4 kV 和 0 V 的电压。黑线是每种结构中的典型击穿路径。（H）沿 OIP（D）和 ODW-2.2 μm（F）的电场彩色图中所示路径的电场强度。x 轴表示从介电击穿路径起点到终点的距离，如（D）和（F）所示。（I）OIP 和 ODW 样品的模拟介电强度与其油通道高度的函数关系。注意，OIP 具有三维互连的油结构，没有明确的尺寸。 

机械强度、热导率与热老化性能

ODW不仅在电绝缘性能上表现优异，其机械和热管理性能同样出色。拉伸测试表明（图4A），ODW的机械强度高达384 MPa，是低密度OIP（36 MPa）的10倍以上，也是高密度OIP（110 MPa）的3.5倍。这得益于致密化过程中纤维素之间形成的紧密氢键网络和高密度结构。在热导率方面（图4B），ODW的穿透平面热导率达到0.33 W/(m·K)，高于高密度OIP的0.21 W/(m·K)和低密度OIP的0.12 W/(m·K)。增强的热导率主要归因于更高的纤维素含量、致密化过程中形成的连续固相传热网络以及高度取向的纤维结构减少了界面声子散射。为了模拟变压器内部运行条件，研究人员依据IEEE C57.100-2011标准在150°C惰性气氛下进行了加速热老化测试。经过6周老化后，ODW的拉伸强度从384 MPa逐渐降至274 MPa，降幅为28.6%（图4C）；而高密度OIP则从110 MPa降至76 MPa，降幅为31%（图4D）。尽管两者降幅相近，但ODW老化后的绝对强度（274 MPa）远高于传统OIP（76 MPa），充分证明了ODW在热降解后仍能保持优异的机械性能。

图4. ODW 的机械性能、热导率和热稳定性。 （A）ODW、高密度和低密度 OIP 的拉伸强度。（B）ODW、高密度和低密度 OIP 的热导率。（C）在不同热老化时间（0至6周）下，ODW 和高密度 OIP 的拉伸强度变化。（D）不同热老化时间后 ODW 和高密度 OIP 相应的拉伸应力变化。 

规模化制备与平面变压器应用演示

ODW的制备工艺与卷对卷连续生产兼容，具有良好的可扩展性。研究团队成功制备了长度超过1.5米的大尺寸ODW样品（图5B），且材料具有良好的柔韧性，能够满足缠绕变压器铜排的要求。为了进一步验证ODW的实际应用能力，研究人员制作了一台平面变压器（图5C）。ODW被加工成方形绝缘盒，用于固定重约5公斤的铁氧体磁块和线圈（图5E），并以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）绝缘盒作为对照（图5G）。在线圈通入37安培电流模拟发热、底部强制风冷散热的条件下，红外相机监测显示，使用ODW绝缘盒的装置最高温度稳定在83.0°C（图5F），而使用塑料绝缘盒的装置最高温度为93.6°C（图5H）。ODW使热点温度降低了约10°C，这主要归功于其更高的热导率（0.33 W/(m·K) 对比塑料的0.15 W/(m·K)），有限元分析也验证了这一结果。

图5. ODW 的大面积制备与平面变压器演示。 （B）照片显示 ODW 可以大面积制备（长度 > 1.5 米）。（C）平面变压器的示意图。（E）由 ODW 制成的用于平面变压器的绝缘盒，其机械强度足以容纳铁氧体磁块和线圈，总重量约 5 公斤。（G）作为对照的塑料（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）绝缘盒。（F 和 H）使用 ODW（F）和塑料（H）绝缘盒的装置中 Litz 线线圈的红外相机图像，显示了最高温度（Tmax）分别为 83.0°C 和 93.6°C。

总结与展望

本研究成功开发并展示了一种用于电力变压器的高性能绝缘纸——浸油致密化木材 veneer。ODW利用木材天然的各向异性结构，将油限制在平均高度为166±87纳米的纳米通道中，通过有限元模拟验证了这种结构通过阻断电击穿路径来提升整体介电强度的机制。ODW实现了高达105 kV/mm的介电强度，刷新了木质纤维素基油浸绝缘纸的记录。同时，ODW展现出高达384 MPa的机械强度和0.33 W/(m·K)的穿透平面热导率。经过150°C、6周的热老化测试后，ODW仍保持274 MPa的机械强度。这种优异的综合性能使ODW成为电力变压器绝缘材料的有力替代品。此外，这种基于ODW veneer的结构提出了一种通用的介电性能增强策略：即利用一维纳米尺度的排空气体介质通道，可进一步与环氧树脂等材料结合，形成固态混合绝缘系统，应用于干式变压器、电机、印刷电路板等领域。