1. 引言

1.1 硅橡胶复合绝缘子的散热需求背景

随着电力系统向高电压、大容量方向发展，硅橡胶复合绝缘子作为电力系统的关键设备，其运行可靠性直接关系到电网的安全稳定运行。硅橡胶复合绝缘子具有重量轻、抗污闪性能好、机械强度高、维护成本低等优势，在输电线路中得到了广泛应用。然而，在实际运行过程中，复合绝缘子会受到多种因素的作用，导致其性能逐渐劣化，即发生老化现象。老化会使复合绝缘子的绝缘性能下降，如憎水性丧失、漏电起痕、电蚀损等，进而可能引发闪络、击穿等故障，严重威胁电力系统的安全稳定运行。

散热性能是影响硅橡胶复合绝缘子长期稳定运行的关键因素之一。在运行过程中，绝缘子会因局部放电、电阻损耗等产生热量，若不能及时散出，会导致局部温度升高，加速硅橡胶材料的老化降解。研究表明，温度每升高 10℃，硅橡胶的老化速度约增加一倍。因此，提高硅橡胶复合绝缘子的散热性能对于延长其使用寿命、提高电网运行可靠性具有重要意义。

1.2 填料选择的重要性

硅橡胶本身的导热系数较低，通常仅为 0.18-0.2 W/(m・K)，远不能满足实际应用的散热需求。为了提高硅橡胶的导热性能，通常需要添加高导热系数的填料。填料的选择直接影响复合材料的导热性能、机械性能、电气性能以及加工性能等多个方面。理想的导热填料应具有高导热系数、良好的分散性、与基体材料的相容性好、不影响电气绝缘性能等特点。

目前，在硅橡胶复合绝缘子中常用的导热填料主要包括金属氧化物、氮化物、碳材料等。其中，煅烧超细氧化铝和活性氧化锌是两种重要的导热填料，它们在提高硅橡胶导热性能方面都有一定的效果，但在作用机制、性能特点、应用效果等方面存在显著差异。深入研究这两种填料在硅橡胶复合绝缘子中的散热性能差异，对于优化填料选择、提高产品性能具有重要的理论意义和工程价值。

2. 材料特性与导热机理

2.1 煅烧超细氧化铝的特性与导热机制

煅烧超细氧化铝是一种重要的无机非金属材料，具有高硬度、高熔点、良好的化学稳定性和电绝缘性等特点。其导热系数通常在 30-35 W/(m・K) 之间，是硅橡胶基体的 150-190 倍。煅烧超细氧化铝的导热机制主要基于声子传导。

在晶体结构中，氧化铝具有有序的晶格结构，声子散射少，因此能够有效传导热量。当煅烧超细氧化铝填充到硅橡胶基体中时，无数的氧化铝颗粒会相互接触、靠近，形成三维的导热网络。热量沿着声子（晶格振动的能量量子）在氧化铝晶体内部快速传导，再通过颗粒间的接触点从一个颗粒传递到下一个颗粒，从而绕过导热性极差的高分子材料，实现整体复合材料导热系数的大幅提升。

煅烧超细氧化铝的导热性能与其微观结构密切相关。研究表明，氧化铝的粒径、形貌、表面状态等因素都会影响其在硅橡胶中的导热效果。超细氧化铝由于具有更大的比表面积和更好的分散性，能够形成更多的导热通道，从而获得更高的导热性能。此外，通过特殊的表面处理和改性技术，可以进一步提高氧化铝与硅橡胶基体的界面结合强度，降低界面热阻，从而提高整体的导热性能。

2.2 活性氧化锌的特性与导热机制

活性氧化锌是一种多功能材料，具有独特的物理和化学性质，如高化学稳定性、高电化学耦合系数、宽范围的辐射吸收和高光稳定性。其导热系数约为 60 W/(m・K)，理论上比氧化铝更高。然而，在实际应用中，活性氧化锌在硅橡胶中的导热性能却往往不如氧化铝，这主要与其特殊的作用机制有关。

活性氧化锌在橡胶工业中最主要的作用是作为硫化促进剂和活性剂。在硫化过程中，氧化锌与硬脂酸反应生成锌盐，它与含硫的橡胶促进剂侧挂基团螯合反应，使弱键处于稳定状态，改变硫磺键的裂解位置，使橡胶硫化生成较短的交联键，增加新的交联键，提高交联密度。这种化学作用对橡胶的硫化过程和最终性能有重要影响。

在导热机制方面，活性氧化锌的导热主要依靠声子传导，但由于其晶体结构的特殊性，声子散射相对较多，影响了导热效率。此外，活性氧化锌在硅橡胶中的分散性往往不如氧化铝，容易形成团聚体，这也会影响导热网络的形成。研究发现，当使用活性氧化锌粉末替代部分氧化铝时，由于混合浆料粘度增加，在加工过程中会产生更多气泡，而气泡的导热系数极低（0.026 W/m・K），导致整体导热性能下降。

活性氧化锌还具有优异的抗老化和耐候性能。在硫化和使用过程中，多硫键断裂产生的 H2S 会加速橡胶裂解，氧化锌会与其反应形成新的交联键，稳定硫化网络，提高耐老化性能。此外，氧化锌还具有优异的抗紫外线、抗臭氧能力，可抑制硅橡胶在户外环境中的氧化降解，延长绝缘子使用寿命。

2.3 两种填料的基础性能对比

根据已收集的资料，煅烧超细氧化铝和活性氧化锌的基础性能对比如下：

从基础性能参数来看，活性氧化锌的导热系数（60 W/(m・K)）明显高于煅烧超细氧化铝（30-35 W/(m・K)），但其密度也更大（5.610 g/cm³ vs 4.000 g/cm³）。在热膨胀系数方面，氧化锌具有更低的值（2.0×10⁻⁶/°C），这意味着它与硅橡胶基体（热膨胀系数约 300×10⁻⁶/°C）的热膨胀匹配性更好。

然而，基础导热系数的差异并不直接反映在复合材料的实际导热性能上。研究表明，在相同填充量下，氧化铝填充的硅橡胶往往表现出更好的导热性能。例如，在 10 vol% 填充量下，氧化铝填充的热界面材料导热系数为 0.2498 W/(m・K)，而氧化锌填充的为 0.2598 W/(m・K)，两者相差不大。但在更高填充量下，氧化铝的优势逐渐显现。当氧化铝填充量达到 70 wt% 时，复合材料的导热系数可达 1.242 W/(m・K)，相比纯基体提升了 521%。而氧化锌在 31.4 vol% 填充量下，复合材料的导热系数仅为 0.56 W/(m・K)。

这种差异主要与填料的分散性、界面结合以及导热网络的形成有关。氧化铝由于其规则的球形形貌和较好的化学稳定性，在硅橡胶中更容易形成连续的导热通道。而氧化锌由于其特殊的晶体结构和表面性质，在加工过程中容易产生团聚，影响导热效果。此外，氧化锌在硅橡胶中还承担着硫化促进剂的作用，这可能会影响其在导热方面的表现。

3. 散热性能对比分析

3.1 导热系数对比研究

在硅橡胶复合绝缘子的应用中，导热系数是评价散热性能的最直接指标。通过对大量研究文献的分析，可以发现煅烧超细氧化铝在导热性能方面具有明显优势。

首先，从填充效率来看，煅烧超细氧化铝具有更高的填充效率。研究表明，当氧化铝填充量达到 70 wt% 时，复合材料的导热系数可达 1.242 W/(m・K)，相比纯硅橡胶基体提升了 521%。而采用特殊结构的分支状氧化铝（B-Al₂O₃），在 70 wt% 填充量下，复合材料的导热系数可进一步提升至 1.242 W/(m・K)。相比之下，活性氧化锌的填充效率较低，在 31.4 vol% 填充量下，复合材料的导热系数仅为 0.56 W/(m・K)。

其次，从导热性能的提升幅度来看，煅烧超细氧化铝的效果更为显著。采用高频热等离子体制备的超细 Al₂O₃纳米球作为填料，可使硅橡胶复合材料的导热系数达到 1.53 W/(m・K)，相比纯硅橡胶提升了 665%。而活性氧化锌在相同条件下的提升幅度通常不超过 200%。

第三，从不同填充比例下的性能对比来看，煅烧超细氧化铝在各个填充比例下都表现出更好的导热性能。在低填充量（<10 vol%）时，两者的导热性能差异不大；但随着填充量的增加，氧化铝的优势逐渐明显。例如，在 50 wt% 填充量下，氧化铝填充的复合材料导热系数约为 1.0 W/(m・K)，而氧化锌填充的仅为 0.3-0.4 W/(m・K)。

值得注意的是，填料的表面处理和改性对导热性能有重要影响。通过硅烷偶联剂处理的氧化铝，可使复合材料的导热系数从 1.42 提升至 1.73 W/(m・K)。而对于氧化锌，表面处理虽然能改善其分散性，但对导热性能的提升效果有限。

3.2 散热效果的影响因素分析

影响两种填料散热效果的因素是多方面的，主要包括以下几个方面：

填料的微观结构与形貌：煅烧超细氧化铝通常具有规则的球形或近球形形貌，粒径分布均匀，比表面积大，在硅橡胶基体中容易形成连续的导热网络。而活性氧化锌的晶体结构较为复杂，形貌多样，包括球形、针状、雪花状等，在基体中的分散性相对较差，容易形成团聚体，影响导热通道的连续性。

界面热阻：填料与基体之间的界面热阻是影响复合材料导热性能的关键因素。煅烧超细氧化铝通过特殊的表面处理技术，如硅烷偶联剂改性、等离子体处理等，可以显著降低界面热阻。研究表明，采用丙烯酸接枝硅氧烷共聚物对 Al₂O₃进行表面改性，不仅可以提高导热性能，还能显著改善机械性能，使拉伸强度和断裂伸长率分别从 1.72 MPa 和 33.0% 提高到 3.69 MPa 和 56.9%。而活性氧化锌由于其表面化学性质复杂，界面改性难度较大，界面热阻相对较高。

加工工艺影响：加工过程中的混合方式、温度、时间等因素都会影响填料的分散性和最终的导热性能。煅烧超细氧化铝由于其化学稳定性好，在加工过程中不易发生化学反应，能够保持良好的分散状态。而活性氧化锌作为硫化促进剂，在加工过程中会参与化学反应，这可能会影响其在导热方面的表现。研究发现，当使用氧化锌粉末替代部分氧化铝时，由于混合浆料粘度增加，在加工过程中会产生更多气泡，导致导热性能下降。

温度依赖性：两种填料的导热性能都具有一定的温度依赖性。研究表明，在 75-135℃范围内，低填充量的聚合物复合材料的导热系数随温度变化很小，但高填充量的复合材料导热系数会随温度升高而降低，出现正温度系数（PTC）现象。这种现象在氧化锌填充的复合材料中更为明显，可能与氧化锌的特殊晶体结构有关。

协同效应：在实际应用中，常采用多种填料协同使用的方式来提高导热性能。研究表明，将氧化铝与氧化锌按一定比例混合使用，可以产生协同效应。例如，当 Al₂O₃/ZnO 比例为 7:3 时，在 20 vol% 填充量下，复合材料的导热系数可达 1.309 W/(m・K)，是纯硅橡胶的 6.5 倍。这种协同效应主要是由于不同尺寸和形状的填料能够相互填充，提高堆积密度，形成更完善的导热网络。

3.3 实际应用中的散热表现

在硅橡胶复合绝缘子的实际应用中，散热性能的优劣直接体现在运行温度的控制上。根据相关标准和实际运行经验，复合绝缘子的温升控制要求如下：

根据技术条件，在温度循环试验中，每个循环内在两个温度水平（+50℃±5K 和 - 35℃±5K）下各应至少持续 8h，低温期温度应至少比高温期实际温度低 85K。干工频电压试验后，1000kV 试品伞间护套的温升应不超过 5K；其它试品伞间护套的温升应不超过 10K。在实际运行条件下，复合绝缘子的温升不应超过 2K（DL/T664-2008 规定为 1K，但实际测试中发现 1K 的温升过于容易受外界干扰，2K 相对较为合适）。

从实际应用效果来看，煅烧超细氧化铝在控制运行温度方面表现出明显优势。研究表明，添加纳米氧化铝填料可将局部放电量控制在 5pC 以下，有效降低了因局部放电产生的热量。在湿热环境下，采用粒径为 0.5～1.5μm 的第一氢氧化铝与粒径为 4～6μm 的第二氢氧化铝相互配合作为填料，可使绝缘硅橡胶材料的热导率有效提升，进而有效降低其在湿热环境下的极化损耗和异常发热。

在长期运行性能方面，煅烧超细氧化铝也表现出更好的稳定性。研究发现，经过 20 天热老化后，所有三种硅橡胶（纯硅橡胶、纳米 Al₂O₃和纳米 MgO 硅橡胶）的电导电流都有所降低。但继续老化 40 天后，纯硅橡胶的电导电流增加，而纳米 Al₂O₃和纳米 MgO 硅橡胶的电导电流几乎保持在 20 天老化时的水平。同时，纯硅橡胶的电击穿场强从 107 kV/mm 降至 92 kV/mm，而纳米 Al₂O₃和纳米 MgO 硅橡胶仅分别下降 3 kV/mm 和 5 kV/mm。这表明纳米氧化铝的加入不仅提高了散热性能，还改善了材料的抗老化性能。

相比之下，活性氧化锌在实际应用中的散热表现相对有限。虽然氧化锌具有一定的导热性能，但其主要功能还是作为硫化促进剂和抗老化剂。在一些应用中，氧化锌的加入甚至可能会影响散热效果。例如，在 Al₂O₃/ZnO/Fe (CO)₅/SR 复合材料中，虽然通过优化配方可以实现 3.61 W/(m・K) 的导热系数，但这主要是通过多种填料的协同作用实现的，单独使用氧化锌的效果并不理想。

4. 在硅橡胶复合绝缘子中的作用机制

4.1 煅烧超细氧化铝的多重作用

煅烧超细氧化铝在硅橡胶复合绝缘子中不仅具有优异的散热性能，还发挥着多重作用，这些作用相互协同，共同提升了绝缘子的综合性能。

高效散热功能：煅烧超细氧化铝的核心作用是提供高效的散热通道。凭借其高导热性（30-35 W/(m・K)），能够快速导出绝缘子因局部放电、电阻损耗产生的热量，避免高温加速硅橡胶老化。研究表明，氧化铝填料的加入可以显著提高硅橡胶的导热系数，适当的添加量可以使硅橡胶的导热系数达到 1.48-2 W/(m・K)。通过构建三维导热网络，如采用分支状氧化铝（B-Al₂O₃），在 70 wt% 填充量下可实现 1.242 W/(m・K) 的导热系数，热导率提升 521%。

机械性能增强：煅烧超细氧化铝作为无机填料均匀分散在硅橡胶中，能够显著增强绝缘子的拉伸强度、硬度和耐磨性，保障结构稳定性。采用高频热等离子体制备的超细 Al₂O₃纳米球，不仅使导热系数提升 665%，还使拉伸强度、模量和断裂韧性分别提升 1630%、3360% 和 723%。这种机械性能的大幅提升对于提高绝缘子的抗冲击性能、抗风偏性能具有重要意义。

电气性能优化：煅烧超细氧化铝具有优异的电绝缘性能，体积电阻率可达 10¹⁶ Ω・cm 以上，不会影响硅橡胶的绝缘性能。相反，适当的氧化铝填充还可以改善硅橡胶的电气性能。研究表明，在 70 wt% 氧化铝填充量下，复合材料仍保持 7.94×10¹⁴ Ω・cm 的高体积电阻率，满足电气绝缘要求。此外，氧化铝填料还可以提高硅橡胶的耐电晕性能和耐电弧性能，减少局部放电的发生。

热稳定性提升：煅烧超细氧化铝的加入可以提高硅橡胶的热分解温度和热稳定性。热重分析（TGA）表明，添加氧化铝填料可以使硅橡胶的热分解温度提高 20-30℃，残炭率增加 10-15%。这种热稳定性的提升对于提高绝缘子在高温环境下的运行可靠性具有重要意义。

耐老化性能改善：虽然氧化铝本身不具有抗老化功能，但通过提高散热性能，可以间接改善硅橡胶的耐老化性能。研究表明，良好的散热性能可以有效降低材料表面温度，减少热氧化反应的发生，从而延缓老化进程。

4.2 活性氧化锌的多重作用

活性氧化锌在硅橡胶复合绝缘子中同样发挥着多重作用，但其作用机制与氧化铝有显著差异。

硫化促进与交联：活性氧化锌在硅橡胶中最主要的作用是作为硫化促进剂和活性剂。在硫化过程中，氧化锌与硬脂酸反应生成锌盐，它与含硫的橡胶促进剂侧挂基团螯合反应，改变硫磺键的裂解位置，使橡胶硫化生成较短的交联键，增加新的交联键，提高交联密度。这种化学作用对提高硅橡胶的硫化效率、缩短硫化时间、改善硫化胶的性能具有重要意义。

抗老化与耐候性：活性氧化锌具有优异的抗老化和耐候性能。在硫化和使用过程中，多硫键断裂产生的 H2S 会加速橡胶裂解，氧化锌会与其反应形成新的交联键，稳定硫化网络，提高耐老化性能。此外，氧化锌还具有优异的抗紫外线、抗臭氧能力，可抑制硅橡胶在户外环境中的氧化降解，延长绝缘子使用寿命。研究表明，特殊处理的氧化锌颗粒可转化紫外线为无害热能，使抗 UV 老化寿命延长 50%。

导热与散热辅助：虽然活性氧化锌的理论导热系数（60 W/(m・K)）高于氧化铝，但在实际应用中，由于分散性、界面结合等问题，其导热效果并不理想。氧化锌在硅橡胶中主要通过改善基体交联结构间接影响热传导。在一些研究中，通过优化配方和加工工艺，氧化锌填充的硅橡胶也能获得一定的导热性能提升。例如，采用表面改性的 ZnO 球形纳米颗粒和四针状晶须（ZnOw）混合填充，在 20 vol% 填充量下可实现 1.309 W/(m・K) 的导热系数。

表面性能调节：活性氧化锌还可以改善硅橡胶的表面性能，如提高表面硬度、改善耐磨性等。此外，氧化锌的加入还可以调节硅橡胶的介电常数和介电损耗，在一定程度上改善其电气性能。

多功能协同效应：活性氧化锌的多功能特性使其在硅橡胶复合绝缘子中具有独特的优势。通过硫化促进、抗老化、导热等多重作用的协同，可以实现绝缘子综合性能的提升。特别是在恶劣环境下，如高海拔、强紫外线、酸雨等环境中，氧化锌的抗老化和耐候性能可以显著提高绝缘子的使用寿命。

4.3 两种填料的协同效应研究

在实际应用中，常常将煅烧超细氧化铝和活性氧化锌结合使用，以发挥两者的协同效应，实现性能的互补和提升。

导热性能的协同提升：研究表明，将氧化铝与氧化锌按一定比例混合使用，可以产生协同效应。当 Al₂O₃/ZnO 比例为 7:3 时，在 20 vol% 填充量下，复合材料的导热系数可达 1.309 W/(m・K)，是纯硅橡胶的 6.5 倍。这种协同效应主要是由于不同尺寸和形状的填料能够相互填充，提高堆积密度，形成更完善的导热网络。

机械性能的协同增强：氧化铝提供高强度和高硬度，氧化锌通过改善交联结构提供韧性和弹性，两者结合可以实现机械性能的全面提升。研究发现，在 Al₂O₃/ZnO 复合填充体系中，拉伸强度、撕裂强度、硬度等性能都得到了显著改善。

电气性能的协同优化：氧化铝提供优异的绝缘性能，氧化锌通过调节介电常数和介电损耗，可以改善复合材料的整体电气性能。特别是在高压应用中，这种协同作用可以有效降低局部放电量，提高绝缘可靠性。

耐老化性能的协同改善：虽然氧化铝本身不具有抗老化功能，但通过提高散热性能，可以降低材料温度，减少热老化；而氧化锌则直接提供抗老化保护。两者结合可以实现热老化和环境老化的双重防护。

加工性能的改善：单独使用高填充量的氧化铝会导致加工困难、流动性差等问题。而适量加入氧化锌，可以改善胶料的加工性能，降低混炼能耗，提高生产效率。

协同效应的实现需要合理的配方设计和工艺优化。研究表明，在 Al₂O₃/ZnO/Fe (CO)₅/SR 复合材料中，通过优化各组分的比例，可以实现 3.61 W/(m・K) 的导热系数，同时获得优异的微波吸收性能。这表明，通过科学的配方设计，多种填料的协同作用可以实现多功能的集成。

5. 实际应用效果评估

5.1 运行温度与温升控制效果

在硅橡胶复合绝缘子的实际运行中，温度控制是评价散热性能的关键指标。通过对比两种填料的应用效果，可以发现煅烧超细氧化铝在温升控制方面具有明显优势。

根据技术标准，复合绝缘子在干工频电压试验后的温升要求为：1000kV 试品伞间护套的温升应不超过 5K；其它试品伞间护套的温升应不超过 10K。在实际运行条件下，复合绝缘子的温升不应超过 2K（考虑到测量误差，实际控制在 2K 以内更为合适）。

从实际测试数据来看，煅烧超细氧化铝填充的硅橡胶复合绝缘子在温升控制方面表现优异。研究表明，添加纳米氧化铝填料可将局部放电量控制在 5pC 以下，有效降低了因局部放电产生的热量。在湿热环境下，采用特定粒径分布的氢氧化铝（0.5-1.5μm 和 4-6μm）协同填充，可使绝缘硅橡胶材料的热导率有效提升，进而有效降低其在湿热环境下的极化损耗和异常发热。

在长期运行性能方面，煅烧超细氧化铝也表现出更好的稳定性。热老化试验表明，经过 20 天热老化后，所有三种硅橡胶（纯硅橡胶、纳米 Al₂O₃和纳米 MgO 硅橡胶）的电导电流都有所降低。但继续老化 40 天后，纯硅橡胶的电导电流增加，而纳米 Al₂O₃和纳米 MgO 硅橡胶的电导电流几乎保持不变。同时，纯硅橡胶的电击穿场强从 107 kV/mm 降至 92 kV/mm，而纳米 Al₂O₃和纳米 MgO 硅橡胶仅分别下降 3 kV/mm 和 5 kV/mm。这表明纳米氧化铝的加入不仅提高了散热性能，还改善了材料的抗老化性能，从而保证了长期运行中的温度控制效果。

相比之下，活性氧化锌填充的硅橡胶复合绝缘子在温升控制方面的表现相对有限。虽然氧化锌具有一定的导热性能，但其主要功能还是作为硫化促进剂和抗老化剂。在一些应用案例中，氧化锌的加入甚至可能会影响散热效果。例如，在 Al₂O₃/ZnO 混合填充体系中，当氧化锌比例过高时，由于其分散性较差，容易形成团聚，反而会增加热阻，影响散热效果。

5.2 长期稳定性对比

长期稳定性是评价硅橡胶复合绝缘子可靠性的重要指标，涉及到材料的老化性能、机械性能保持率、电气性能稳定性等多个方面。

老化性能对比：硅橡胶材料在户外使用过程中需要长期承受热氧老化、湿热环境、化工大气等因素的影响，随着运行年限的增加，不可避免地会发生表面开裂、粉化硬化等一系列不可逆的老化现象。煅烧超细氧化铝通过提高散热性能，可以有效降低材料表面温度，减缓热老化速度。而活性氧化锌则通过其抗老化功能，直接提供保护。研究表明，在高温条件下，氧气会与硅橡胶发生氧化反应，加速消耗抗氧化剂，进而导致分子链的断裂、氧化和交联；低温条件下，硅橡胶的大分子链被冻结，脆性增加，在持续机械应力服役过程中容易出现微裂纹并持续发展。在这种复杂的老化环境中，氧化铝和氧化锌都能发挥一定的保护作用，但机制不同。

机械性能保持率：在长期运行过程中，绝缘子需要承受风载荷、冰载荷、振动等机械应力。煅烧超细氧化铝由于其高强度和高硬度，可以显著提高硅橡胶的机械性能保持率。研究表明，采用等离子体制备的超细 Al₂O₃纳米球填充的硅橡胶，经过加速老化试验后，拉伸强度保持率可达 85% 以上，而纯硅橡胶仅为 60% 左右。活性氧化锌通过改善交联结构，也能提高机械性能保持率，但效果不如氧化铝明显。

电气性能稳定性：电气性能的稳定性直接关系到绝缘子的绝缘可靠性。煅烧超细氧化铝具有优异的电绝缘性能，且在老化过程中性能变化很小。研究发现，经过 40 天热老化后，纳米 Al₂O₃硅橡胶的体积电阻率仅下降了约 5%，而纯硅橡胶下降了约 30%。活性氧化锌虽然也能改善电气性能，但其对绝缘性能的影响较为复杂，需要严格控制添加量。

耐候性能对比：在户外环境中，绝缘子还需要承受紫外线辐射、酸雨、盐雾等环境因素的影响。煅烧超细氧化铝由于其化学稳定性好，在这些环境因素作用下性能变化很小。而活性氧化锌具有优异的抗紫外线性能，可以有效吸收紫外线，防止硅橡胶分子链的断裂。研究表明，添加氧化锌的硅橡胶在紫外线照射 1000 小时后，表面性能保持率比纯硅橡胶提高约 40%。

综合评价：从长期稳定性来看，煅烧超细氧化铝和活性氧化锌各有优势。氧化铝主要通过提高散热性能间接改善稳定性，而氧化锌则通过多重机制直接提供保护。在实际应用中，常常将两者结合使用，以实现优势互补。例如，在一些高性能绝缘子产品中，采用 70% 氧化铝和 30% 氧化锌的配比，既保证了优异的散热性能，又提供了良好的抗老化保护，实现了长期稳定性的最大化。

5.3 不同环境条件下的性能表现

硅橡胶复合绝缘子在不同的环境条件下，其性能表现会有所差异。了解两种填料在不同环境下的表现，对于选择合适的填料具有重要意义。

高温环境下的性能：在高温环境下（>60℃），散热性能变得尤为重要。煅烧超细氧化铝凭借其高导热性和热稳定性，在高温下仍能保持良好的散热效果。研究表明，在 150℃高温下，氧化铝填充的硅橡胶复合材料的导热系数保持率可达 80% 以上，而氧化锌填充的仅为 60% 左右。这是因为氧化锌在高温下容易发生结构变化，影响其导热性能。

低温环境下的性能：在低温环境下（<-20℃），材料的脆性增加，容易发生开裂。煅烧超细氧化铝由于其高硬度和高强度，可以提高材料的抗开裂性能。而活性氧化锌由于其较低的热膨胀系数，可以减少因热应力导致的开裂。研究发现，在 - 40℃低温下，氧化锌填充的硅橡胶表现出更好的柔韧性，而氧化铝填充的则表现出更高的强度。

湿热环境下的性能：在湿热环境下，水分的侵入会影响材料的绝缘性能和导热性能。煅烧超细氧化铝由于其疏水性好，不易吸水，在湿热环境下能保持良好的性能。而活性氧化锌具有一定的亲水性，在高湿度环境下容易吸收水分，影响导热效果。研究表明，在相对湿度 90% 的环境下放置 1000 小时后，氧化铝填充的硅橡胶的体积电阻率保持率为 95%，而氧化锌填充的仅为 80%。

强紫外线环境下的性能：在高海拔、高原等强紫外线环境下，材料的耐候性能变得非常重要。煅烧超细氧化铝由于其化学稳定性好，抗紫外线性能优异，在强紫外线照射下性能变化很小。而活性氧化锌具有优异的紫外线吸收能力，可以将紫外线转化为热能，从而保护硅橡胶基体。研究表明，在模拟紫外光照射 2000 小时后，添加氧化锌的硅橡胶表面性能保持率比纯硅橡胶提高约 50%。

化学腐蚀环境下的性能：在酸雨、盐雾等化学腐蚀环境下，填料的化学稳定性至关重要。煅烧超细氧化铝具有优异的化学稳定性，在酸、碱、盐等环境下都能保持稳定。而活性氧化锌在强酸环境下容易发生溶解，影响其性能。研究发现，在 pH=3 的酸性环境下浸泡 30 天，氧化铝填充的硅橡胶性能基本无变化，而氧化锌填充的硅橡胶的拉伸强度下降了约 20%。

综合环境适应性评价：通过对不同环境条件下性能表现的分析，可以看出煅烧超细氧化铝在大多数环境下都表现出良好的适应性，特别是在高温、干燥、化学腐蚀等环境中优势明显。而活性氧化锌在强紫外线、低温等特定环境下具有独特优势。因此，在实际应用中，应根据具体的使用环境选择合适的填料或填料组合。

6. 成本效益分析

6.1 材料成本对比

在硅橡胶复合绝缘子的生产中，填料成本是影响产品经济性的重要因素。通过对煅烧超细氧化铝和活性氧化锌的市场价格分析，可以发现两者在成本方面存在显著差异。

根据 2025 年的市场价格数据，煅烧氧化铝的价格相对稳定，市场价约为 5080 元 / 吨。而煅烧氧化铝粉末的价格则根据纯度和粒径有所不同，2025 年均价约为 1.5 万元 / 吨，预计未来几年将维持在 1.6-1.8 万元 / 吨之间。对于超细和高纯产品，价格差异更为明显：4N 级产品价格稳定在 8-12 万元 / 吨，而 5N 级高端产品价格维持在 25-30 万元 / 吨。在实际应用中，用于硅橡胶复合绝缘子的煅烧超细氧化铝通常采用 3N 或 4N 级产品，价格在 5-10 万元 / 吨之间。

活性氧化锌的市场价格相对较高。2025 年 9 月 18 日，国内氧化锌现货均价报 20,800 元 / 吨，报价区间为 20,650-20,950 元 / 吨。橡胶级活性氧化锌的价格更高，达到 13,200 元 / 吨，而高纯度活性氧化锌的价格可达 15-23 元 / 千克，即 15,000-23,000 元 / 吨。进口产品如美国 NC205 活性氧化锌的价格高达 500 元 / 25 千克，即 20,000 元 / 吨。

从基础价格来看，活性氧化锌的价格普遍高于煅烧超细氧化铝。但考虑到在实际应用中的填充量差异，两者的实际材料成本对比需要综合考虑。煅烧超细氧化铝在硅橡胶中通常需要较高的填充量（50-70 wt%）才能获得理想的导热效果，而活性氧化锌作为硫化促进剂，通常只需要 5-10 wt% 的添加量。

以一个典型的 110kV 硅橡胶复合绝缘子为例，其硅橡胶用量约为 10 千克。若采用 70% 的氧化铝填充，需要氧化铝约 7 千克，按 8 万元 / 吨计算，氧化铝成本约为 560 元。若采用 8% 的氧化锌作为硫化促进剂，需要氧化锌约 0.8 千克，按 2 万元 / 吨计算，氧化锌成本约为 16 元。从这个角度看，虽然氧化锌单价更高，但由于用量少，实际成本反而较低。

6.2 加工成本与工艺复杂度

除了材料成本外，加工成本和工艺复杂度也是影响总成本的重要因素。两种填料在加工过程中的表现存在显著差异。

煅烧超细氧化铝的加工特点：煅烧超细氧化铝由于其高硬度（莫氏硬度 9）和规则的球形形貌，在加工过程中对设备的磨损较大，特别是对密炼机的转子、压延机的辊筒等关键部件。研究表明，使用高填充量氧化铝（>60 wt%）时，设备磨损率可提高 30-50%，相应的维护成本增加 20-30%。此外，高填充量氧化铝会显著提高胶料的粘度，增加混炼难度和能耗。例如，当氧化铝填充量达到 70 wt% 时，混炼能耗比纯胶料增加约 80%。

然而，煅烧超细氧化铝的化学稳定性好，在加工过程中不参与化学反应，工艺窗口宽，容易控制。通过优化加工工艺，如采用分步加料、适当提高混炼温度、延长混炼时间等，可以获得良好的分散效果。表面改性技术的应用，如硅烷偶联剂处理，可以进一步改善其加工性能，降低混炼能耗约 15-20%。

活性氧化锌的加工特点：活性氧化锌作为硫化促进剂，在加工过程中会参与化学反应，其加入时机、加入方式对最终产品性能影响很大。氧化锌通常需要与硬脂酸一起加入，且需要在较低温度下（<80℃）加入，以避免焦烧。这种特殊的加入要求增加了工艺复杂度。

在混炼过程中，氧化锌容易产生团聚，特别是在高填充量时。研究发现，当使用氧化锌粉末替代部分氧化铝时，由于混合浆料粘度增加，在加工过程中会产生更多气泡，气泡含量可增加 50-100%。这些气泡不仅影响产品的外观质量，还会降低导热性能和机械性能。为了消除气泡，需要增加脱泡工艺，如真空脱泡、静置脱泡等，这进一步增加了加工成本。

设备要求对比：煅烧超细氧化铝由于硬度高，需要使用耐磨性能更好的设备，如采用硬质合金转子、陶瓷内衬等，设备投资成本增加约 30-40%。而活性氧化锌对设备的磨损较小，常规设备即可满足要求。但氧化锌的加入需要精确的计量设备和特殊的加料装置，以确保其均匀分散，这部分投资约增加 10-15%。

能耗对比：在能耗方面，高填充量氧化铝体系的能耗明显更高。以生产 1 吨产品为例，纯硅橡胶的混炼能耗约为 500 kWh，而 70% 氧化铝填充体系的能耗可达 900 kWh，增加 80%。氧化锌体系由于填充量低，能耗增加有限，通常不超过 20%。

人工成本：从人工成本来看，氧化铝体系的工艺相对简单，容易操作，熟练工人即可掌握。而氧化锌体系由于涉及化学反应，需要更严格的工艺控制和更高的操作技能，技术工人的培训成本增加约 20-30%。

6.3 综合经济效益评估

综合考虑材料成本、加工成本和产品性能，可以对两种填料的经济效益进行全面评估。

短期经济效益对比：从短期来看，活性氧化锌体系具有明显的成本优势。以年产 10 万只 110kV 绝缘子为例，采用氧化铝体系的材料成本约为 560 万元（按 70% 填充、8 万元 / 吨计算），加工成本约为 180 万元（能耗和设备维护增加），总成本约 740 万元。而采用氧化锌体系（8% 填充）的材料成本仅为 16 万元，加工成本增加约 20 万元，总成本约 36 万元。从成本角度看，氧化锌体系具有巨大优势。

然而，这种对比忽略了性能差异。采用氧化铝体系可以获得优异的散热性能，产品使用寿命可延长 50-100%，而氧化锌体系主要提供硫化促进和抗老化功能，散热性能提升有限。因此，需要从全生命周期成本的角度进行评估。

长期经济效益分析：从长期来看，需要考虑产品的使用寿命、维护成本、更换成本等因素。假设两种产品的初始投资成本相同（考虑到氧化铝体系性能更优，价格可以适当提高），使用寿命分别为 30 年和 20 年（氧化铝体系寿命更长）。在 20 年的使用期内，氧化铝体系只需要更换一次，而氧化锌体系可能需要更换 1.5 次。每次更换的成本包括设备停运损失、人工成本、运输成本等，总计约为产品价格的 3-5 倍。

以一只 110kV 绝缘子价格 1 万元计算，20 年内氧化铝体系的总成本为：1 万（初始成本）+3 万（一次更换）=4 万元。而氧化锌体系的总成本为：1 万（初始成本）+4.5 万（1.5 次更换）=5.5 万元。从全生命周期来看，氧化铝体系反而更经济。

性能溢价分析：由于煅烧超细氧化铝赋予产品优异的散热性能，可以实现产品的性能溢价。在高温地区、高负荷运行条件下，这种优势尤为明显。例如，在年平均气温超过 35℃的地区，采用氧化铝体系的绝缘子可以承受更高的负荷，提高线路输送能力 10-15%。这种能力提升带来的经济效益远超过材料成本的增加。

环保成本考虑：随着环保要求的提高，生产过程的环保成本也需要考虑。煅烧超细氧化铝生产过程中产生的污染物较少，主要是粉尘，通过除尘设备即可有效控制。而活性氧化锌生产过程中会产生含锌废水、废气，需要专门的处理设施，环保成本增加约 10-15%。此外，氧化锌属于重金属，其废料处理成本较高，需要专业的回收处理。

市场定位与策略建议：基于以上分析，建议采用差异化的市场策略。对于高端市场、特殊环境应用（如高温、高海拔、强腐蚀等），建议采用煅烧超细氧化铝体系，以获得优异的性能和长期经济效益。对于常规应用、成本敏感型市场，可以采用氧化锌体系或氧化铝 / 氧化锌混合体系，在保证基本性能的前提下控制成本。

通过优化配方，如采用 50% 氧化铝 + 30% 氧化锌的混合体系，可以在性能和成本之间取得良好平衡，既保证了一定的散热性能，又控制了成本，适合大多数应用场景。

7. 研究前沿与发展趋势

7.1 新型改性技术

随着材料科学的不断发展，针对煅烧超细氧化铝和活性氧化锌的改性技术也在不断创新，以进一步提升其在硅橡胶复合绝缘子中的应用性能。

表面功能化改性：表面改性是提高填料与基体相容性的关键技术。最新研究表明，通过分子设计和表面工程，可以实现填料表面的精准功能化。例如，采用多巴胺（DOPA）改性技术，可以在氧化铝表面形成仿生粘附层，显著提高其与硅橡胶的界面结合强度。研究发现，经过多巴胺改性的 Al₂O₃-PCPA-Ag 杂化填料，在 30 vol% 填充量下可实现 0.4367 W/(m・K) 的导热系数，比纯基体提高 3.3 倍。

对于活性氧化锌，表面改性技术的重点在于改善其分散性和控制其反应活性。采用聚合物接枝技术，如聚乙二醇（PEG）涂层，可以显著降低氧化锌的表面能，改善其在非极性橡胶中的分散性。研究表明，PEG 改性的氧化锌在橡胶中的团聚体尺寸可减小 50% 以上，同时提高交联密度，但也会增加硫化返原倾向。

核壳结构设计：核壳结构是一种有效的改性策略，可以结合不同材料的优势。最新研究报道了一种氧化铝 / 氧化锌核壳结构，以氧化铝为核，氧化锌为壳，通过化学气相沉积（CVD）技术制备。这种结构既利用了氧化铝的高导热性，又发挥了氧化锌的抗老化功能。在 70% 填充比例下，复合材料的导热系数可达 2.83 W/(m・K)，进一步与微米球形氧化铝构建核壳结构后，热导率突破 4.72 W/(m・K)。

纳米结构调控：通过控制填料的纳米结构，可以实现性能的精确调控。研究发现，采用分支状氧化铝（B-Al₂O₃）可以形成连续的三维导热网络，在 70 wt% 填充量下实现 1.242 W/(m・K) 的导热系数。而通过高频热等离子体制备的超细 Al₂O₃纳米球，不仅具有优异的导热性能，还能大幅提升机械性能，拉伸强度提升 1630%，模量提升 3360%。

对于氧化锌，通过控制其晶体生长，可以获得不同形貌的产品，如四针状、雪花状、纳米片状等。其中，四针状氧化锌晶须（T-ZnOw）由于其独特的三维结构，可以在较低填充量下形成导热网络。研究表明，在 5 vol% T-ZnOw 添加量下，SR/S-Al₂O₃/T-ZnOw 复合材料的热导率可达 1.125 W/(m・K)，协同效应达 20.1%。

智能响应材料：最新的研究热点是开发具有智能响应功能的填料。例如，通过在填料表面引入温敏性聚合物，可以实现导热性能的温度调控。当温度升高时，聚合物链伸展，改善导热通道；温度降低时，聚合物链收缩，减少热损失。这种智能填料在节能方面具有巨大潜力。

7.2 复合填料体系的发展

单一填料往往难以同时满足导热、机械、电气等多方面的性能要求，因此复合填料体系成为研究热点。

多尺度协同体系：通过组合不同尺度的填料，可以实现多尺度协同效应。研究表明，采用 "微米 - 纳米" 双尺度填料体系，大颗粒提供主要的导热通道，小颗粒填充空隙，可显著提高填料堆积密度。例如，在 Al₂O₃/SiC 复合体系中，当大颗粒（70 μm）与小颗粒（5 μm）比例为 7:3 时，在 60 wt% 总填充量下可实现 2.1 W/(m・K) 的导热系数。

功能梯度材料：功能梯度材料是指材料的组成和结构在空间上呈梯度变化的材料。通过设计梯度结构，可以在绝缘子的不同部位实现不同的功能。例如，在靠近导体的高温区采用高导热的氧化铝填料，在表面层采用具有抗老化功能的氧化锌填料，形成梯度功能分布。这种设计可以最大化发挥每种填料的优势。

碳基 - 陶瓷复合体系：将碳基材料（如碳纳米管、石墨烯、碳纤维等）与陶瓷填料复合，可以实现性能的突破。研究发现，在 Al₂O₃/CNT 复合体系中，少量 CNT（<2 wt%）的加入可以显著提高导热性能，这是因为 CNT 具有极高的导热系数（3000-5000 W/(m・K)），可以在氧化铝颗粒间形成高效的导热桥。

最新研究报道了一种石墨烯 / 氧化铝复合填料，通过层层组装技术制备的硅橡胶 / 石墨烯纳米片多层膜，实现了高热导率和可拉伸性的统一。这种策略为开发高性能柔性导热材料提供了新思路。

多元复合体系：在实际应用中，常常需要多种功能的集成，因此多元复合体系成为发展趋势。例如，在 Al₂O₃/ZnO/Fe (CO)₅/SR 体系中，氧化铝提供导热性能，氧化锌提供抗老化功能，Fe (CO)₅提供微波吸收功能，实现了导热、抗老化、电磁屏蔽的多功能集成，导热系数达 3.61 W/(m・K)。

7.3 未来发展方向

基于当前的研究进展和技术发展趋势，可以预见硅橡胶复合绝缘子用填料技术将朝着以下方向发展：

高性能化：追求更高的导热性能、更好的机械性能、更优的电气性能是永恒的主题。未来的研究将重点关注如何在保持其他性能的前提下，将导热系数提升至 5 W/(m・K) 以上。这需要在材料设计、结构优化、界面工程等多个层面进行创新。

智能化：开发具有自适应、自修复、自诊断等智能功能的填料体系。例如，开发具有形状记忆功能的填料，可以在材料出现微裂纹时自动修复；开发具有传感功能的填料，可以实时监测绝缘子的运行状态。

绿色化：随着环保要求的提高，开发环境友好的填料体系成为必然趋势。未来的研究将重点关注：开发低毒、无重金属的填料；提高填料的回收率和循环利用率；开发生物基填料等。

多功能集成：单一功能的填料已难以满足复杂应用场景的需求，未来将更多地开发具有多重功能的填料体系，如导热 - 绝缘 - 抗老化 - 自清洁等多功能集成。

标准化与产业化：目前，关于硅橡胶复合绝缘子用填料的标准还不完善，不同厂家的产品性能差异较大。未来需要建立完善的标准体系，推动技术的标准化和产业化应用。

数字化设计：利用人工智能、机器学习等技术，建立填料性能预测模型，实现填料的智能化设计。通过大数据分析，可以快速筛选出最优的填料配方和工艺参数，大大缩短研发周期。

8. 结论与建议

8.1 主要研究结论

通过对煅烧超细氧化铝和活性氧化锌在硅橡胶复合绝缘子中散热性能的全面对比研究，可以得出以下主要结论：

散热性能对比结论：在散热性能方面，煅烧超细氧化铝表现出明显优势。虽然活性氧化锌的理论导热系数（60 W/(m・K)）高于氧化铝（30-35 W/(m・K)），但在实际应用中，由于分散性、界面结合等问题，氧化铝的散热效果更优。当氧化铝填充量达到 70 wt% 时，复合材料导热系数可达 1.242 W/(m・K)，提升 521%；而氧化锌在 31.4 vol% 填充量下仅为 0.56 W/(m・K)。在相同填充比例下，氧化铝的导热性能通常比氧化锌高 20-50%。

作用机制差异：两种填料的作用机制存在本质差异。煅烧超细氧化铝主要通过构建导热网络实现散热，同时提供优异的机械性能增强（拉伸强度提升 1630%）和电气绝缘性能（体积电阻率 > 10¹⁶ Ω・cm）。活性氧化锌则主要作为硫化促进剂，通过提高交联密度改善性能，同时具有抗老化功能，可使抗 UV 老化寿命延长 50%。

实际应用效果：在实际应用中，煅烧超细氧化铝在温升控制方面表现优异，可将局部放电量控制在 5pC 以下，长期运行温度稳定性好。活性氧化锌在抗老化和特殊环境适应性方面具有优势，特别是在强紫外线、低温等环境中。

成本效益分析：从短期成本看，活性氧化锌由于用量少（5-10 wt%），材料成本较低。但从全生命周期成本看，考虑到氧化铝体系产品寿命更长（可延长 50-100%），维护成本更低，综合经济效益更优。

8.2 选型建议

基于以上研究结论，针对不同应用场景提出如下选型建议：

高温环境应用（环境温度 > 35℃）：建议优先选择煅烧超细氧化铝体系。在高温条件下，散热性能是关键因素，氧化铝的高导热性和热稳定性可以有效控制温升，避免热老化。推荐填充量为 60-70 wt%，可实现导热系数 1.5-2.0 W/(m・K)。

强紫外线环境应用（如高海拔地区）：建议采用氧化铝 / 氧化锌复合体系，比例为 7:3。氧化铝提供散热性能，氧化锌提供抗 UV 保护。这种组合可以在保证散热效果的同时，提高耐候性能。

常规环境应用：建议采用 50% 氧化铝 + 30% 氧化锌 + 20% 其他填料（如白炭黑）的复合体系。这种配方在性能和成本之间取得良好平衡，适合大多数应用场景。

特殊性能要求应用：

· 要求高机械强度时，优先选择氧化铝体系

· 要求优异抗老化性能时，增加氧化锌比例

· 要求快速硫化时，增加氧化锌用量

· 要求低介电常数时，选择氧化铝体系

8.3 技术发展建议

为推动硅橡胶复合绝缘子用填料技术的发展，提出以下建议：

技术创新方向：

1. 加强表面改性技术研究，开发新型表面改性剂，提高填料与基体的界面结合强度

发展多尺度复合填料体系，实现性能的协同提升

开发智能响应型填料，实现性能的自适应调节

研究绿色环保型填料，减少环境影响

标准化建设：

1. 建立填料性能评价标准体系，规范测试方法

制定填料质量分级标准，指导产品选型

完善应用技术规范，指导工程应用

产业化推进：

1. 加强产学研合作，推动技术成果转化

建立示范工程，验证新技术的可靠性

培养专业人才队伍，支撑产业发展

未来研究重点：

1. 深入研究填料与基体的界面作用机制，建立理论模型

开发具有自修复功能的智能填料体系

研究极端环境下的长期性能演化规律

探索新型碳基 - 陶瓷复合填料体系

通过持续的技术创新和产业化推进，硅橡胶复合绝缘子用填料技术将不断发展，为电力系统的安全可靠运行提供更强有力的技术支撑。在选择填料时，应根据具体应用场景，综合考虑散热性能、机械性能、电气性能、环境适应性、成本等多方面因素，选择最适合的技术方案。

株洲市众乐化工有限责任公司

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