高致密度、高耐腐蚀性、高绝缘强度及优良的表面电荷特性是氮化硅陶瓷材料应用于特高压气体内绝缘环境的决定性因素。为实现氮化硅陶瓷材料力-电性能的协同调控，项目组从原材料、配方体系、制备工艺等角度出发，采用高纯度、亚微米级氮化硅粉体，通过掺杂钇、铋等稀土功能离子和镁、铝金属氧化物烧结助剂，优化氮化硅陶瓷材料配方体系，并调控陶瓷材料的晶格、晶界及缺陷结构。

在优选的氮化硅陶瓷配方体系基础上，研发团队采用***的热等静压烧结技术，制备得到了高致密度氮化硅陶瓷材料。研发团队模拟特高压气体内绝缘运行环境，验证了氮化硅陶瓷材料的服役可靠性。与传统材料相比，新型氮化硅陶瓷材料在强电场、大温度梯度、六氟化硫气氛环境下的机械强度、电阻率-温度变化特性、表面电荷积聚特性及耐腐蚀性等方面均展现出性能优势。该技术的突破为提升气体内支柱绝缘子材料的可靠性提供了新的解决方案。

为优化支柱绝缘子结构，2020年，国网智研院、华北电力大学、中材高新材料股份有限公司、阿尔斯通意大利公司密切沟通、协同创新，针对气体内支柱绝缘子主体结构开展设计研究。为满足±800千伏特高压直流穿墙套管运行工况的支柱绝缘子应用要求，研发团队将氮化硅材料特性与生产装配工艺的各项要求融合到陶瓷支柱结构设计中，提出了多种不同类型、不同尺寸的氮化硅陶瓷支柱绝缘子模型整体优化设计方案，并采用多个软件进行建模仿真，计算陶瓷支柱绝缘子在电场、电-热耦合场、电-热-流体耦合场的服役可靠性。研发团队调整陶瓷支柱外形轮廓尺寸，并采用缩比模型进行性能验证，最终确定采用“啤酒瓶”形状的支柱。这种构型加工难度小，机械应力小，电场分布***。该新型氮化硅陶瓷支柱与阿尔斯通公司传统支柱相比体积减小50.9%，在电、热、机械等各项指标上均优于阿尔斯通公司传统支柱。***，研发团队基于设计的氮化硅陶瓷支柱，优化设计适配的底部及顶部金具，使支柱绝缘子及配套组件外形结构与特高压直流六氟化硫气体内绝缘穿墙套管内部结构匹配。