随着高铁、地铁、动车、轻轨等高速列车的快速发展及电网的升级、改造,机车大功率牵引变压器、电机及智能电网新型输变电等设备对芳纶纸基绝缘材料提出了更高的要求。国内产品由于较低的品质,仅适用于中低端领域,无法满足高端领域的需求。因此开发高性能的芳纶纸基绝缘材料迫在眉睫。传统改善芳纶纸基材料性能的方法或是需要复杂的设备;或是需要苛刻的处理条件;或是涉及繁琐、不可控的化学反应;并且大部分对纤维本身有一定的损伤,最重要的是材料性能提升并不明显。因此研究者们一直在探索一种简单、无损伤纤维的方法,力求能大幅度改善芳纶纸基材料的力学和绝缘性能。本课题从芳纶纤维原料出发,将芳纶纤维进行纳米化,以增加纤维的比表面积和表面活性,从而改善纸基材料的性能。首先,通过二甲基亚砜/氢氧化钾体系将芳纶宏观纤维(AF)纳米化,研究纤维从宏观到纳米尺度的物理和化学变化,另外还对比研究了芳纶宏观纸(MP)和芳纶纳米纸(NP)以及热压处理后两种材料性能的差异。结果表明制备的芳纶纳米纤维(ANF)直径约20～30nm,且ANF和AF具有相似的化学结构、结晶结构和耐高温性能。NP具有更加致密的纸页结构,其拉伸强度和特征击穿强度可达124.3 MPa和63.6 kV/mm,相对于MP分别提高了 557.7%和371.1%,同时NP还展现出优异的抗紫外性能。对MP和NP进行了热压处理,热压后MP的拉伸强度和特征击穿强度为29.1 MPa和26.1 kV/mm,相对于MP分别提高了 54.0%和93.3%;而热压后NP的拉伸强度和特征击穿强度高达159.6 MPa和92.8 kV/mm,相对于NP分别提高了28.4%和45.9%,同时热压处理后样品的抗紫外性能也有了明显的改善。然后,将ANF引入到MP中,结合AF和ANF的形貌、尺寸特性,构筑了类似“钢筋混凝土”结构的芳纶纸基复合材料。通过调控ANF和AF含量,优化结构,结果发现当ANF含量为50%时,复合材料拉伸强度和模量达到最大值,分别为84.4 MPa和2.4 GPa,比MP分别高346.6%和84.6%;当ANF含量达到70%时,其特征击穿强度达到最大值,为74.4 kV/mm,比MP高306.6%。经过48 h的紫外光照射,MP的力学性能损失66.7%,而复合材料的力学损失仅为8.5%,表明芳纶纸基复合材料具有优异的抗紫外性能,实验还发现紫外线对MP和芳纶纸基复合材料的绝缘性能影响较小。最后,基于蒙脱土来源广泛、价格低廉、易于剥离及良好绝缘性能,通过模仿天然贝壳的“砖-泥”结构,在ANF中引入蒙脱土纳米片(MTM),利用真空辅助抽滤法成功构筑了具有仿生贝壳层状结构的ANF/MTM纳米复合薄膜。该薄膜不仅具有良好的透明性、韧性,同时还具有优异的力学性能(拉伸强度为126.5 MPa)和绝缘性能(特征击穿强度为77.2 kV/mm)。当MTM含量达到20%时,复合薄膜依然保持较高的力学性能(101.5 MPa)和特征击穿强度(67.3 kV/mm);进一步提升MTM含量(50%)时,ANF/MTM纳米复合薄膜仍然具有优于其它复合材料的力学(98.4 MPa)和特征击穿强度(44.0 kV/mm)。通过热压处理ANF/MTM纳米复合薄膜,其拉伸强度和特征击穿强度相对于原始薄膜依然能提升20%～30%。本文利用将芳纶纤维纳米化、仿生贝壳结构等手段,改善材料结构、界面作用,制备了高强、高绝缘的芳纶纸基材料,该材料有望在柔性电子、高温绝缘领域得到应用。