聚合物基纳米复合电介质发展至今，关注的两大关键问题：一是其组成与结构设计，二是研究影响电/热特性的关键因素及其本质的多尺度性。鉴于聚合物自身性能的不足，须与无机纳米材料复合才能改善其导电性、介电性、耐热性或耐电晕性能等。随着“十三五”现代综合交通运输体系发展规划的提出，确立了高铁作为构建高品质快速交通网的重要主体地位。聚酰亚胺耐电晕薄膜作为高铁变频电机中的匝间绝缘材料起到了关键作用，但目前该材料仍依赖于进口的现状使其制备成为一项“卡脖子”的核心技术。聚酰亚胺具有刚硬的主链结构，难于加工成型，导致材料制造成本高，严重制约着在高新技术产业中的广泛应用，因此，寻找新材料结构与性能的关系是聚酰亚胺面临的重要科学问题。二维层状纳米材料是一类新型的、具有各向异性的无机填料，少量添加即能显著提升薄膜的耐电晕性能。　　本论文利用无机纳米材料对聚合物的综合性能增效优势，开展了二维层状纳米材料及其聚酰亚胺复合薄膜的多层次结构设计和性能研究，选用了价格低廉且适宜工业生产的镁铝水滑石（Mg/Al-LDHs）和六方氮化硼（h-BN）分别对聚酰亚胺薄膜进行性能调控。主要工作有：　　1.聚酰亚胺/水滑石类复合薄膜　　首先，采用全氟辛基磺酸钾（potassium perfluorooctane sulfonate，FS）对Mg/Al-LDHs进行改性，得到了LDH-FS（layereddouble hydroxide–potassium perfluorooctane sulfonate），以LDH-FS为前驱体，采用超声辅助剥离法制备了LDHNSs（layereddouble hydroxidenanosheets）。以LDH-FS和LDHNSs为无机填料，采用原位聚合法分别制备了PI/LDH-FS和PI/LDHNSs复合薄膜。　　其次，通过多种手段对LDH-FS、LDHNSs及其聚酰亚胺复合薄膜进行了结构和形貌表征。结果表明，FS是一种能对Mg/Al-LDHs有效改性的氟碳表面活性剂。LDH-FS层间距从原来的0.75nm扩大至2.75nm，粒径从1~2μm降至632nm，LDHNSs粒径为450nm，厚度为5.02nm，仅有1~4层。LDH-FS依旧保持原有的层板结构，而LDHNSs趋于平缓的X射线衍射峰表明了原始水滑石层状结构的崩塌及纳米片的成功剥离。通过对复合薄膜的化学结构表征证实了其成功制备及亚胺化的完全。在PI/LDH-FS体系中，低填料浓度的是以剥离型复合薄膜为主，而较高填料浓度的则是部分插层型加部分剥离型，以插层型为主。PI/LDHNSs复合薄膜属于剥离型，且LDHNSs在聚酰亚胺基体中并未出现大规模的团聚。　　再次，本论文研究了聚酰亚胺/水滑石类复合薄膜的热、电性能。研究表明，LDH-FS与LDHNSs分别加入聚酰亚胺基体后对复合薄膜的热稳定性影响有所不同，但两者都在一定程度上降低了复合薄膜的体积电阻率及击穿强度，这与材料的结构和性质、在聚酰亚胺基体中的分散性以及有机-无机相间的界面效应等因素有关。两类复合薄膜的介电常数和介电损耗均高于纯聚酰亚胺薄膜，介电常数的提高与填料自身较高的介电常数、在复合薄膜中的取向极化及界面极化相关，介电损耗则与电导损耗和介质极化滞后引起的松弛损耗紧密相连。随着LDH-FS及LDHNSs含量的增加，两类复合薄膜的耐电晕寿命较纯聚酰亚胺薄膜均有所提高。当LDH-FS含量为15%时，复合薄膜耐电晕寿命是150min，当LDHNSs含量为0.25%时，复合薄膜耐电晕寿命是120min，分别是纯聚酰亚胺薄膜寿命的10倍和8倍。　　2.聚酰亚胺/氮化硼类复合薄膜　　首先，选取硅烷偶联剂Z6020对h-BN进行改性得到了f-BN（functional h-BN），采用融盐插层-机械辅助剥离法制备了BNNSs（BN nanosheets），并采用原位聚合法分别制备了相应的聚酰亚胺/氮化硼类复合薄膜。　　其次，通过多种手段对f-BN、BNNSs及其聚酰亚胺复合薄膜进行了结构和形貌表征。结果表明，Z6020独特的双氨基结构更易提高f-BN在聚酰亚胺基体中的分散性。对h-BN进行改性和剥离后并未改变其六方晶型结构。BNNSs厚度为1.3~1.9nm左右，仅有4~6层。f-BN和BNNSs均匀分散在聚酰亚胺基体中，但随其含量增加，分散性略有下降。　　再次，本论文研究了聚酰亚胺/氮化硼类复合薄膜的热、电性能。f-BN加入聚酰亚胺基体后会提高复合薄膜的热稳定性，而BNNSs却起到了反向作用。随着f-BN与BNNSs含量的增加，相应聚酰亚胺复合薄膜的体积电阻率和击穿强度均逐步下降，但仍满足绝缘材料的使用要求。在1~1000kHz下，PI/f-BN复合薄膜的介电常数均高于纯聚酰亚胺薄膜，介电损耗随f-BN的含量变化规律不明显，除在1000kHz下的介损值最高接近0.012外，其它频率下的介损值都在10-3范围内。PI/BNNSs复合薄膜的介电常数随BNNSs含量的增加先升高后下降，在BNNSs含量为0.25%后变化幅度变缓，介电损耗随BNNSs含量的增加呈上升趋势。随着f-BN、BNNSs含量的增加，相应聚酰亚胺复合薄膜的耐电晕寿命均逐步提高。与PI/1f-BN复合薄膜相比，PI/1BNNSs复合薄膜的耐电晕寿命更长，由12min延长至24min。　　通过以上两个体系的研究，分析了两类二维层状纳米材料对聚酰亚胺复合薄膜结构和性能的影响，从材料结构、导电性、击穿强度、介电性等方面探讨了与耐电晕性之间的关系，建立了可能的耐电晕模型，并阐明了相应的微观机制：二维层状材料在复合薄膜内部平行排列，在电晕放电过程中，使电荷在其内部易传输而不易积累，同时吸引放电结构轨迹，限制了放电结构轨迹在复合薄膜内部的延伸，从而延缓了电晕对薄膜的腐蚀。这些研究为新型耐电晕薄膜的产品设计和制造提供了理论依据和技术支撑。