目前我国能源基地大都远离负荷中心,大容量远程电力输送成为了我国电力发展的重大课题之一。直流GIL因设计为封闭的同轴金属管道结构,具有电压等级高、输送容量大、电磁辐射小、敷设灵活等天然优势而获得了广泛的应用,然而其绝缘故障仍是造成设备失效的主要原因。迄今为止,直流电压作用下存在的绝缘子表面电荷积聚效应仍是导致直流GIL无法长期稳定运行的主要原因。随着我国直流特高压输电技术的不断发展,对GIL中环氧浇注盆式绝缘子和支柱绝缘子的物理性能提出了更高的要求。因此,设计并优化出具有更高的物理性能的绝缘材料成为了提高直流GIL绝缘运行可靠性所亟待解决的问题。为了探寻一种具有更高物理性能的抑制表面电荷积聚的环氧树脂备选材料,本文基于分子动力学模拟方法开展研究工作,主要内容包括:构建纯交联环氧树脂及掺杂了碳纳米管和石墨烯两类碳纳米颗粒及其功能化改性的环氧树脂复合材料模型,仿真计算所建模型的介电常数、热扩散系数(热导率、比热容)、力学性能以及玻璃转化温度等物理性能,从微观层次上探究一维、二维碳纳米材料及其功能化不同对复合材料的性能影响。主要研究结果如下:(1)通过Materials Studio(MS)建立了纯交联环氧树脂和掺杂了4种碳纳米管(未封端、半封端、全封端和氨基胺功能化)的环氧树脂复合材料模型,在LAMMPS下仿真计算其各项物理性能。结果表明:掺杂了上述4种碳纳米管的环氧树脂复合材料性能均有所提升,但提升程度有所不同。其中,掺杂了氨基胺功能化碳纳米管的复合材料在力学性能、介电常数以及热扩散系数上提升最明显,包括抑制温升对力学性能的破坏、减小介电常数24.8%、提高热扩散系数96.98%;掺杂了全封端碳纳米管的复合材料仅可最大程度提升玻璃转化温度为25.7 K,其余关键物理性能提升不明显。综合模拟计算结果,掺杂碳纳米管的情况下,认为选用氨基胺功能化碳纳米管作为环氧树脂的掺杂颗粒更加符合对表面电荷积聚抑制的需求。(2)通过MS建立掺杂了4种石墨烯(未改性、羧基、羟基和氨基功能化)的环氧树脂复合材料模型,在LAMMPS下计算其各项物理性能。结果表明:掺杂了石墨烯的环氧树脂复合材料性能均有所提高。其中,掺杂了羟基功能化石墨烯的复合材料在介电常数、热扩散系数上提升最为明显,减小介电常数30.7%、提高热扩散性质55.7%;掺杂羧基功能化石墨烯的复合材料在玻璃转化温度上提高最大,与纯环氧树脂相比提高了 63.98 K。在石墨烯改性中,选用羟基功能化石墨烯作为掺杂颗粒得到的环氧树脂复合材料,可最大程度优化介电常数、热扩散系数和力学性能等参数,是抑制表面电荷积聚的备选材料。(3)对比掺杂碳纳米管和石墨烯的环氧树脂复合材料,掺杂石墨烯的环氧树脂复合模型体系的相对介电常数均下降更多,其平均值相比纯环氧树脂降低了8.9%,这表明石墨烯更适合用于作为降低介电常数的掺杂颗粒;掺杂羟基功能化石墨烯的复合材料的热导率没有掺杂氨基胺功能化碳纳米管的高,这说明相比石墨烯而言,一维材料碳纳米管在热传导方面具有更大的优势,其更能在其特定方向上大幅提高热传导效率;在力学性能方面,掺杂碳纳米管和石墨烯均能与纯环氧树脂维持基本一致,并在体积模量上有所提高;掺杂羧基功能化石墨烯的复合模型的玻璃转化温度与纯环氧树脂相比提高了 63.98 K,掺杂了全封端碳纳米管的玻璃转化温度提高了25.7 K,相比掺杂碳纳米管,石墨烯的加入能够更加明显的提高复合材料的玻璃转化温度,提升复合体系的热稳定性。综合考虑,认为选用石墨烯作为纳米掺杂颗粒能够最大程度提升介电常数、热扩散系数、力学性能和玻璃转化温度等物理性能,其中以掺杂羟基功能化石墨烯的环氧树脂复合模型为最优,是抑制表面电荷积聚的备选材料。本文基于分子动力学模拟计算了环氧树脂复合材料的各项关键物理性能,所得结果可为直流GIL绝缘子环氧树脂纳米复合材料的掺杂设计、筛选以及性能调控提供理论基础和技术支持。