NanoPower (EMVT 06447)

NanoPower (EMVT 06447)

Milieuvriendelijke en compacte energietechniek
In de elektrische energietechniek zijn de grenzen zijn bereikt van de huidige materialen en de materiaaltechnologieën voor componenten. Componenten moeten steeds kleiner, lichter en milieuvriendelijker worden. Daarnaast is er de behoefte aan grotere vermogensdichtheid in het transport van elektriciteit. Dat vraagt om nieuwe materialen. Aan de TU Delft wordt in het kader van het IOP EMVT aan de toepassing van nanodeeltjes aan epoxyhars en polyethyleen gewerkt. De resultaten van de hieruit verkregen composieten blijken zeer positief.

De elektrische energietechniek kenmerkt zich als degelijk, met componenten die een lange levensduur – 30 tot 40 jaar – hebben. De vraag naar hogere vermogensdichtheid bij energietransport – het opvoeren van de spanning op hoogspanningslijnen van 750 kV naar 1200 kV – kan niet met de materialen van de bestaande componenten worden gerealiseerd. Zeker bij de eindsluitingen, waar bij hogere spanningen de componenten groter worden en deze moeilijker hun warmte kunnen kwijtraken. Dit levert niet alleen een hogere thermische belasting, maar ook een hogere mechanische belasting op.

De energietechniek wil ‘droge’ eindsluitingen gaan toepassen, omdat de huidige met olie of zwavelhexafluoride (SF₆) gekoelde componenten een te grote belasting voor het milieu vormen. Feit is dat zowel minerale olie als SF₆ zich hebben bewezen als uitstekende koelmiddelen, dus de vervangers ervan moeten minstens dezelfde goede capaciteiten hebben, maar nauwelijks milieubelastend zijn.

Eerste traject
In het eerste traject van dit onderzoek verrichten dr.ir. Peter Morshuis en promovendus Roman Kochetov onderzoek naar de mogelijkheid van het toevoegen van nanodeeltjes in epoxy en polyethyleen.

Met nanotechnologie kunnen de eigenschappen van materialen worden veranderd en verbeterd. Vooral de warmtegeleiding van een materiaal als epoxy kan er aanzienlijk mee toenemen. Bij het onderzoek staat voorop dat de nieuwe componenten zodanig kunnen worden verbeterd dat deze als vervanging van bestaande componenten kunnen dienen. Uiteindelijk is het de bedoeling te komen tot componenten die met een zelfde omvang als de nu toegepaste hogere elektrische veldsterkten aankunnen. Daarnaast kunnen dan ook kleinere componenten worden vervaardigd die bij eenzelfde vermogen kunnen worden gebruikt.

Inzicht
Om volledig inzicht te krijgen in het gedrag van nanodeeltjes werd besloten deze zelf te maken. Dit lukte binnen een jaar en zo werd veel kennis opgedaan over de thermische eigenschappen, en de verbetering ervan door het toevoegen van nanodeeltjes. Hieraan werkten twee promovendi van verschillende projecten samen. Andere technische universiteiten maken gebruik van kant en klare nanodeeltjes als basismateriaal voor hoogspanningcomponenten, terwijl Morshuis c.s. deze zelf ontwikkelden. Dat geeft de TU Delft volgens Morshuis een voorsprong, omdat op deze wijze meer inzicht werd verkregen in het gedrag van de nanodeeltjes in composieten. De uitdaging hierbij was vooral het voorkomen van het clusteren van nanodeeltjes. Uiteindelijk werd gekozen voor een oppervlaktebehandeling van de deeltjes, waardoor de oppervlakte-energie omlaag gaat. Hiervoor werd samen gewerkt met de afdelingen materiaaltechnologie, scheikunde en deeltjestechnologie binnen de TU Delft. Inmiddels is een epoxy-nanodeeltjescomposiet verkregen en deze worden getest.

Mengen
Het onderzoek maakte veel duidelijk over het effect van het toevoegen van nanodeeltjes aan epoxy en polyethyleen. De gangbare regels voor het mengen van twee materialen bleken hier niet op te gaan. Bij het mengen van materialen met verschillende relatieve permittiviteit is de klassieke regel dat dit een hogere relatieve permittiviteit oplevert. Bij het mengen van nanodeeltjes met polyethyleen bleek de relatieve permittiviteit van de composiet lager te zijn. Dit bleek te verklaren met het feit dat de nanodeeltjes invloed op de ketens van het materiaal te hebben, want deze ketens krommen zich om de nanodeeltjes. In eerste instantie werd verwacht dat dit niet zou gebeuren. Het effect werd veroorzaakt door de oppervlaktebehandeling van de nanodeeltjes. Deze biedt aanhechtingspunten voor de polyethyleenketens, die radieel aankomen en zich daardoor kristallijn gaan gedragen. Dit levert een hoge mate van ordening op, waardoor de composiet andere macroscopische eigenschappen krijgt.

Testen
Bij het testen werd gekeken naar de mogelijke thermische belasting en er werd elektrisch getest. Hierbij werd vooral gekeken naar de doorslagspanning en de ruimtelading. Tevens werd meegenomen wat de ideale verhouding is van epoxy en nanodeeltjes. Gebleken is dat als het composiet voor slechts 2% bestaat uit nanodeeltjes, de geleidende eigenschappen spectaculair toenemen. Uit het testen van de epoxycomposiet bleek hoe lang een batch kan worden bewaard en wat de impact is van doorslagspanning. Daarnaast werden duurtesten uitgevoerd om inzicht te krijgen in de veroudering van de nanocomposieten.

Tweede traject
Het testen van de composieten in een industrieel ontwerp zal plaatsvinden in het tweede traject van dit onderzoek, dat in 2011 start. De eerder verkregen resultaten zullen dan worden gevalideerd in industriële modellen.

Voor het testen in een product voor energietransport wordt samengewerkt met kabelproducent Prysmian en met producent van hoogspanningscomponenten Eaton Electric. Dit vervolgonderzoek is gericht op de toevoeging van zowel micro- als nanodeeltjes aan polyethyleen. Deze stof heeft een slechte geleidbaarheid, maar ook die kan sterk worden verbeterd met de toevoeging van deze deeltjes, hoewel dit lastiger is gebleken dan bij de toevoeging aan epoxy.

Nanofluids
Mede gevolg van het creëren van nanocomposieten is een onderzoek naar het toepassen van plantaardige olie waaraan nanodeeltjes zijn toegevoegd. Deze milieuvriendelijke nanofluids kunnen mogelijk de vervuilende minerale oliën vervangen die in de koeling van transformatoren worden toegepast. Ook bij dit onderzoek bleek dat door het toevoegen van fractinale nanodeeltjes de koelende eigenschap van de olie spectaculair toenam.

Ook het toepassen van nanofluids als – stilstaande – impregnant in hoogspanningskabels lijkt beter koelende voordelen te bieden dan de gangbare minerale oliën.

Uitvoerders
TU Delft, Faculteit EWI
dr.ir. P.H.F. Morshuis
Roman Kochetov

Onderzoeksperiode
2007-2011

Referentielijst:

Kochetov, R., Andritsch, T., Lafont, U., Morshuis, P.H.F., Picken, S.J., Smit, J.J.: Preparation and dielectric properties of epoxy – BN and epoxy – AlN nanocomposites; 2009 IEEE Electrical Insulation Conference, pp. 397-400, 2009.

Kochetov, R., Andritsch, T., Lafont, U., Morshuis, P.H.F., Picken, S.J., Smit, J.J.: Thermal behaviour of epoxy resin filled with high thermal conductivity nanopowders; 2009 IEEE Electrical Insulation Conference, pp. 524-528, 2009.

Kochetov, R., Andritsch, T., Lafont, U., Morshuis, P.H.F., Smit, J.J.: The thermal conductivity in epoxy – aluminum nitride and epoxy – aluminum oxide nanocomposite systems; Nordic Insulation Symposium 2009 (Nord-IS 09), 2009.

Kochetov, R.; Andritsch, T.; Lafont, U.; Morshuis, P.H.F.; Smit, J.J.: Thermal conductivity of nano-filled epoxy systems; IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 2009. CEIDP ’09; pp.658-661, 18-21 Oct. 2009

Andritsch, T.; Kochetov, R.; Gebrekiros, Y.T.; Lafont, U.; Morshuis, P.H.F.; Smit, J.J.: Synthesis and dielectric properties of epoxy based nanocomposites; IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 2009. CEIDP ’09., vol. pp.523-526, 18-21 Oct. 2009

R. Kochetov, T. Andritsch, U. Lafont, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: Effects of Inorganic Nanofillers and Combinations of them on the Complex Permittivity of Epoxy-based Composites; IEEE International Symposium on Electrical Insulation (ISEI), San Diego, California, USA, pp. 340-344, June 6-9, 2010.

R. Kochetov, T. Andritsch, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: Thermal and Electrical Behaviour of Epoxy Based Microcomposites Filled with Al2O3 and SiO2 Particles; IEEE International Symposium on Electrical Insulation (ISEI), San Diego, California, USA, pp. 509-513, June 6-9, 2010.

R. Kochetov, T. Andritsch, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: Effect of Filler Size on Complex Permittivity and Thermal Conductivity of Epoxy-Based Composites Filled with BN Particles; IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), West Lafayette, Indiana, USA, October 17-20, 2010.

R. Kochetov, T. Andritsch, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: Dielectric Response and Thermal Conductivity of Epoxy Resin Filled with Nanoalumina Particles of Different Size in α, γ and δ Phase; IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), West Lafayette, Indiana, USA, October 17-20, 2010.

Andritsch, R. Kochetov, Y.T. Gebrekiros, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: Short term DC Breakdown Strength in Epoxy based BN Nano- and Microcomposites; IEEE International Conference on Solid Dielectrics (ICSD), Potsdam, Germany, pp. 179-182, July 4-9, 2010.

T. Andritsch, R. Kochetov, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: Dielectric Properties and Space Charge Behavior of MgO-Epoxy Nanocomposites; IEEE International Conference on Solid Dielectrics (ICSD), Potsdam, Germany, pp. 344-347, July 4-9, 2010.

T. Andritsch, R. Kochetov, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: Short Term DC Breakdown and Complex Permittivity of Al2O3 – and MgO – Epoxy Nanocomposites: IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), West Lafayette, Indiana, USA, October 17-20, 2010.

R. Kochetov, T. Andritsch, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: Effect of Filler Size on Complex Permittivity and Thermal Conductivity of Epoxy-Based Composites Filled with BN Particles; IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), West Lafayette, Indiana, USA, October 17-20, 2010.

R. Kochetov, T. Andritsch, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: Dielectric Response and Thermal Conductivity of Epoxy Resin Filled with Nanoalumina Particles of Different Size in α, γ and δ Phase; IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), West Lafayette, Indiana, USA, October 17-20, 2010.

T. Andritsch, R. Kochetov, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: Short Term DC Breakdown and Complex Permittivity of Al2O3 – and MgO – Epoxy Nanocomposites; IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), West Lafayette, Indiana, USA, October 17-20, 2010.

T. Andritsch, R. Kochetov, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: DC Conduction in Epoxy Based Nano- And Mesocomposites; IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), West Lafayette, Indiana, USA, October 17-20, 2010.

T. Andritsch, R. Kochetov, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: DC Conduction in Epoxy Based Nano- And Mesocomposites; IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), West Lafayette, Indiana, USA, October 17-20, 2010.

M.F. Fréchette, A. Vijn, M.L. Trudeau, L. Utracki, A. Sami, E. David, C. Laurent, P.H. Morshuis, T. Andritsch, R. Kochetov, A. Vaughan, J. Castellon, D. Fabiani, S. Gubanski, J. Kindersberger, C. Reed, A. Krivda, J. Fothergill, S. Dodd, F. Guastavino, H. Alamdari: Nanodielectrics. A “Universal” Panacea for Solving All Electrical Insulation Problems?; IEEE International Conference on Solid Dielectrics (ICSD), Potsdam, Germany, pp. 127-158, July 4-9, 2010

P.H.F. Morshuis, T. Andritsch, R. Kochetov, M.F. Fréchette, H.D. Martinez, S. Savoie, A. Krivda, L.E. Smith, D. Zegaraz: Dielectric Frequency Response of Epoxy-based Composites with Various Silica Filler Sizes; IEEE International Conference on Solid Dielectrics (ICSD), Potsdam, Germany, pp. 200-203, July 4-9, 2010.

R. Kochetov, T. Andritsch, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: Evaluation of the influence of various nanofillers on the AC breakdown strength of epoxy-based nanocomposites; IEEE International Symposium on Electrical Insulation Materials, Kyoto, Japan, pp. 383-386, September 6-10, 2011.

R. Kochetov, A.V. Korobko, T. Andritsch, P.H.F. Morshuis, , S.J. Picken, J.J. Smit: Three-phase Lewis-Nielsen model for fitting the thermal conductivity of polymer nanocomposites; IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), Cancun, Mexico, October 16-19, 2011.

R. Kochetov, T. Andritsch, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: Impact of postcuring and water absorption on the dielectric response of epoxy-based composites filled with MgO nanoparticles; IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), Cancun, Mexico, October 16-19, 2011.

T. Andritsch, R. Kochetov, B. Lennon, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: Space charge behavior of magnesium oxide filled epoxy nanocomposites at different temperatures and electric field strengths; IEEE Electrical Insulation Conference (EIC), Annapolis, Maryland, USA, pp. 136-140, June 5-8, 2011.

T. Andritsch, R. Kochetov, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: The complex permittivity of epoxy based nanocomposites with alumina and magnesium oxide fillers at very low temperatures; IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), Cancun, Mexico, October 16-19, 2011.

T. Andritsch, R. Kochetov, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: Introducing the polymer chain alignment model for explaining experimental results Unique to polymer-based nanocomposites; IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), Cancun, Mexico, October 16-19, 2011.

R. Kochetov, A.V. Korobko, T. Andritsch, P.H.F. Morshuis, S.J. Picken, J.J. Smit: Modelling of the thermal conductivity in polymer nanocomposites and the impact of the interface between filler and matrix; Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 44, № 395401, 2011.

R. Kochetov, T. Andritsch, P.H.F. Morshuis, J.J. Smit: Anomalous behaviour of the dielectric spectroscopy response of nanocomposites: IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 19, № 1, pp. 107-117, February 2012.