随着中国经济的高速发展，对电力需求持续不断增加，中国成为全球输电电压最高的国家，安全低功耗的超/特高压大规模输变电技术成为两大电网公司的共同任务和目标。同时，近年来全国各地的环境形势不容乐观，发展大规模输变电及其相关的环保新能源技术(储能)成为未来几十年国家层面必须关注重大问题。因此，从电功能复合材料的应用领域而言，可以简单将电功能复合材料分为三大类：分别是电绝缘复合材料、储能介质复合材料以及导电功能复合材料。

一、电绝缘复合材料

（1）最新研发进展评述

随着电压等级的提升，电力设备的失效成为制约电力系统安全稳定运行和发展的重要因素，而设备的失效大部分来自于绝缘材料的破坏。为了提升现有电绝缘材料的性能，国内外研究表明，通过纳米复合技术是解决这类问题的有效途径。今后亟需加强电绝缘复合材料的理论研究，阐明电绝缘复合材料的劣化过程、破坏过程中的电、热、机械、光学过程；进而结合材料学、化学等不同的学科的先进技术开发高性能电绝缘复合材料。

在环境友好新型电绝缘材料研究方面，改善复合绝缘油漆和其它电绝缘材料性能，实现新型电绝缘材料的环境友好特性，必须通过研究无机/有机电绝缘复合材料的配方及其结构与性能着手，揭示实现无毒、无副作用的新型电绝缘材料的设计原理。在极端条件下电绝缘复合材料失效规律与机理方面，其基础是揭示电绝缘复合材料的宏观特性与制备、微纳尺度下多物理场耦合作用引发的介电效应与损伤破坏规律；进而运用精准的多物理场仿真与精算手段和先进的材料制备手段开发出可应用于各种极端条件的先进电绝缘复合材料。

（2）国内外对比分析

近年来国内外结合材料设计、分子仿真和纳米改性等技术不断研究和探索新型电绝缘复合材料的制备和表征技术，逐步实现电绝缘材料设计、制备和应用方面的突破。纳米复合电介质的研究和发展为高击穿性能电绝缘复合材料发展指明了方向。采用具有绝缘、导电或导热特性的纳米尺度粒子改性聚合物基体，制备纳米复合电介质材料，可以改变介质的微观形态结构，调控介质材料的介电响应特性，实现击穿场强的提高。第二代纳米复合电介质材料的研究已经证实了界面调控技术对电绝缘复合材料介电特性的改善，并且还可以实现电绝缘复合材料的多种性能同时提升。采用化学制备技术、表面修饰和微观-介观-宏观的关联研究和开发高击穿性能的绝缘材料是未来绝缘材料的发展趋势。国际上已从聚合物的化学结构、结构的非规整性、分子运动、添加剂、温度和二次效应等各方面对电绝缘复合材料的击穿过程进行详细论述，总结了电聚合物复合材料不同情况下的击穿机理，指出不同温度下其击穿机理的不同。

在提高材料击穿性能的研究中，复合材料成为研究热点，上世纪末纳米电介质的出现，更是成为电绝缘材料击穿性能提升的重要手段。在聚合物中添加无机纳米粒子形成的纳米复合电介质材料一方面可以提高或降低聚合物的介电常数，另一方面可以提高材料的击穿性能。纳米复合电介质材料击穿机理与聚合物介质的击穿机理密切相关。

二、储能介质复合材料

（1）最新研发进展评述

多样化和规模化储能技术在电力系统中的广泛应用将成为未来智能电网发展的一个必然趋势。介质电容器以及超级电容器储能是适于电网规模储能的主要物理储能技术，具有良好发展前景和广阔应用前景。利用高介电常数和高介电强度材料作为全固态储能介质的电容器具有微秒甚至纳秒级充放电速度、高功率密度、工作温度范围宽以及安全性好等优点，在智能电网调频、新能源汽车以及电磁能武器等系统中都是核心部件。目前国际上工程用薄膜介质高储能电容器主要用于脉冲功率电磁能武器，知名厂商是美国通用原子系统公司(General Atomics)，其电容器最大储能密度仅为3-5J/cm³，最大循环次数可达10¹¹次。这类工程用商品电容器目前储能密度较低的主要原因仍然是受制于双轴拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜的物理性质(2.4J/cm³，约2.7kJ/kg)，因此美国军方非常重视新型薄膜介质材料的应用基础研究。基于储能密度理论，对于普通电介质材料而言，其相对介电常数(ε_r)和介电强度(E_b)相对较小，致使储能密度较低。如果储能介质材料介电常数达到100、介电强度达到500kV/mm，则储能密度大于30Wh/kg。因此，解决问题的关键在于发展同时具备高介电常数和高介电强度电介质材料，同时优化介质薄膜电容器集成组装技术和改善电容器的充放电特性，服务于国民经济建设和国防等战略需要。

（2）国内外对比分析

2015年，美国国家科学基金（NSF）宣布将在宾州州立大学和北卡罗莱纳州立大学设立电介质和压电材料研究中心，主要研究的领域为电力电子和能量网格用高能量密度电容器、柔性电子用低温加工的驻极体、特殊环境下应用的电容器、提高储能密度和改善功率分布的绝缘体等。这些举措极大的促进了美国电能储存技术的发展，储能介质复合材料在这期间也得到了极大的发展。在美国，电容器生产、科研的主要公司有Cooper、GE、GA等公司，这些公司都具有很强的综合发展能力，产品比特性指标和科技含量较高。2009年，美国GA公司研制出了最高储能密度达到3.0MJ/m³的金属化聚丙烯膜电容器。然而单纯依靠聚合物自身很难获得高储能密度的介质复合材料。目前国内外的普遍做法是通过将高介电常数的无机纳米颗粒与聚合物复合，获得具有高功率密度和高能量密度的储能介质复合材料。

美国政府自2005年起，先后两次资助了由多学科大学创新研究群聚焦新型高储能介质复合材料的研发。目标是获得介电常数比BOPP更高并同时具有高介电强度的柔性储能介质复合材料。网上查到美国EEStor公司构想的基于钛酸钡基陶瓷电容器，能量密度达402Wh/kg(介质膜厚9.81um、介电常数19861、介电强度557kV/mm)。基于材料介电性能解耦协同调控、生产成本和工艺等考虑，目前国内外对储能介质复合材研究主要有以下四种思路：(1) 设计制备具有显著电极化响应的极性分子结构的高储能聚合物材料。(2) 设计制备具有分级结构的高储能无机纳米颗粒/聚合物复合电介质材料。(3) 利用不同物理性质薄层设计制备多层结构的高储能密度介质复合材料。(4) 利用极性高分子内源性界面显著增强极化。

三、导电功能复合材料

（1）最新研发进展评述

导电功能复合材料结合了不同组分各自的优点，赋予了传统金属材料不具备的物理和功能特性，是今后发展的方向。按照使用环境和性能要求不同，导电功能复合材料当前发展方向主要分为金属基导电复合材料和高聚物基导电复合材料和超导材料。

金属基导电复合材料将纤维、颗粒、晶须等增强体分散于金属或合金基体中，将金属良好的韧性、可成型性和高导电导热性与增强体高强度、耐磨抗疲劳、高弹性模量、低热膨胀、辐射屏蔽等性能结合，获得了优良的综合性能。聚合物基导电复合材料具有重量轻、易加工成各种复杂形状、耐腐蚀，以及电导率可在较大范围内调节等特点，可用作电磁屏蔽材料、燃料电池的双极板材料、自限温加热材料、过流保护材料等。聚合物基复合材料是在有机聚合物基体中（PC、PBT、ABS等）添加导电填料，根据逾渗效应获得较高的电导率。根据化学组成，可以将导电填料分为碳素系列、金属及合金系列、金属氧化物系列。碳系填料如碳纤维、炭黑、石墨以及近年来出现的碳纳米管具有密度低、来源广泛、价格低廉等优点，在聚合物基导电复合材料领域得到大量应用。

在实用材料方面，低温超导材料（NbTi，Nb₃Sn）已经达到实用水平，而钇系（YBCO）和铋系（BSS-CO）高温超导体也已经取得突破性的进展，得到初步应用。最近几年来，又发现了二硼化镁（MgB2），以及FeAs等新型超导体。基于新超导材料探索，超导机理和超导宏观量子效应（磁通物理）的研究将构成超导研究的重要方面。

（2）国内外对比分析

近二十年来，世界各国竞相开展对颗粒增强金属基复合材料的研究开发，从基体材料、增强颗粒、制备工艺、微观组织、力学性能与断裂特性等方面进行了许多基础性和应用性的研究。弥散强化高性能材料的微观组织及其演变规律、相关理论在不断完善，新工艺技术、新研究热点和方法也不断产生。我国金属基复合材料在优化设计、制备、界面和性能研究、应用研究等方面取得重要进展，已研究出多种金属基复合材料构件用于航天、空间技术领域。

美国对聚合物基导电复合材料的需求量每年以20%~30%的速度递增，发展潜力十分巨大。据报道，国外有人将锌-锡合金用于聚碳酸脂（PC）、聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）、苯乙烯-丁二烯-丙稀腈共聚物（ABS）、聚丙烯（PP）共混，将锌-铝合金用于聚醚醚酮（PEEK）共混制备低熔点合金/聚合物导电复合材料。在国内有多家科研机构亦开展类似研究工作。此外国内也进行了低熔点合金/聚合物复合材料方面的研究，所用的聚合物主要为聚烯烃类通用塑料，采用的低熔点合金主要有Bi-Pb、Sn-Pb合金。将低熔点合金与聚合物复合，可获得所得具有低的逾渗阈值、高的电导率和优良力学性能的复合材料。

美国超导公司（ASC），IGC公司、Conducts公司、Dupont公司，日本住友电工（SEI）、澳大利亚金属制造公司（MM）和德国真空冶炼公司，莫尼黑大学在超导材料及应用进行了大量的研发工作。在我国，“863”计划中提出了研制超导材料与技术的课题，对涉及超导电力领域全面的展开研发，并且取得了一定的成果，逐步与世界水平接轨。

四、应用前瞻

对于电绝缘复合材料主要应用于第三代输变电电网建设，特别是高压电气设备的内绝缘和外绝缘领域，有利于促进我国的交直流超/特高压电网的建设和发展。对于储能介质复合材料，主要用于大规模高储能有机薄膜介质电容器的研制，服务我国智能电网换流阀逆变器用直流支撑电容器和高储能薄膜介质电容器的发展。对于导电功能复合材料，主要应用表现在先进柔性导电互连以及输电电缆的导体等领域，特别是超导领域的应用。