從化石能源轉變為基於低碳能源（太陽能、風能、水力等）的電力供應需要高效的遠距離特高壓輸電技術。高絕緣性能的聚合物是擠塑電纜等輸電設備實現的關鍵。電樹損傷是聚合物絕緣材料中最常見的電老化現象，通常被認為是導致絕緣性能劣化和絕緣擊穿的主要原因，嚴重威脅電力裝置和電子器件的運行壽命和可靠性。儘管近年來報導了大量有關自修復材料的研究進展，但大都只能應對機械損傷，而針對固體絕緣介質電損傷的研究鮮有報導。電損傷（如電樹枝）的多尺度破壞形式、絕緣老化伴隨的複雜的化學降解過程以及高壓絕緣介質嚴苛的工作環境（高溫、高電場強度）給自修復絕緣介質的研發設計帶來了巨大挑戰。
近日，清華大學與美國賓夕法尼亞州立大學合作，利用電老化過程伴隨的電致發光現象和具有光屏蔽外殼的微膠囊，實現了熱固性絕緣介質電樹枝損傷的自發重複修復和絕緣性能恢復。該方法以電致紫外發光作為修復液固化的觸發源（無需外部能量介入），利用修復液與聚合物基體介電常數的不均勻性實現微膠囊對電樹枝發展路徑的靶向吸引，通過計算模擬優化微膠囊含量，有效解決了傳統微膠囊自修復體系中固化催化劑和高流體含量對電氣絕緣性能的負面影響。老化實驗結果表明，該自修複方法能夠有效提高環氧樹脂的耐電樹能力和絕緣壽命。相關論文以「Autonomous Self-Healing of Electrical Degradation in Dielectric Polymers Using In Situ Electroluminescence」為題發表在《Matter》雜誌（Matter 2020, 2, 451–463. DOI: 10.1016/j.matt.2019.11.012）。清華大學電機系博士生高雷、楊洋、謝佳燁為論文的共同第一作者。清華大學電機系何金良教授、李琦副教授和美國賓夕法尼亞州立大學王慶教授為論文的通訊作者。
這項工作中，研究團隊設計了具有紫外光屏蔽功能的微膠囊外殼，避免修復液在微膠囊內因電致發光現象提前固化。由於電樹枝擊中微膠囊時只在外殼上形成微米級的孔洞，微膠囊能夠提供多次電樹枝修復所需的修復液體並保持屏蔽功能。
圖1. 自修復原理示意圖.a,利用電致發光觸發的微膠囊自修復過程示意圖；b,具有紫外光屏蔽功能的微膠囊製備過程示意圖
實驗和有限元計算結果表明，微膠囊中的高介電常數修復液能夠引起周圍電場分布畸變，從而吸引電樹生長形成靶向修復作用，大大提高電樹枝的修復概率。通過隨機生長模型計算不同微膠囊濃度對修復概率和電樹枝平均生長長度的影響，結果表明5%的微膠囊摻雜量可以將觸發修復前的平均電樹枝長度減小至400μm以下。該濃度下自修復複合材料的擊穿強度維持在環氧樹脂基材的90%以上。
圖2. 有限元及隨機電樹生長模型計算結果.a-b,微膠囊介電常數對電場分布及電樹枝生長路徑的影響：a,低介電常數膠囊排斥電樹枝，b,高介電常數膠囊吸引電樹枝；c-e,隨機電樹生長模型計算不同微膠囊濃度下的電樹枝擊中概率(d)和平均生長長度(e)
自修復材料能夠在連續循環老化測試中自動修復電樹枝損傷，並將材料的絕緣電阻恢復到接近老化前的水平。由於採用固化後絕緣性能更高的修復液，修復後樣品的起樹電壓大幅提高，且二次老化的電樹生長路徑避開了第一次電樹枝損傷的修復區域，表現出優異的修復效果。根據老化實驗數據和波動模型擬合得到絕緣壽命曲線，自修復絕緣材料表現出更高的耐電樹電壓（U1）和絕緣壽命（曲線斜率）。
圖3. 自修復材料的電氣性能評估. a,純環氧樹脂（左）和微膠囊復自修復樣品（右）在循環老化實驗中的絕緣電阻；b,微膠囊自修復樣品的一次（左）二次（右）老化電樹枝生長路徑；c.根據老化實驗數據和波動模型擬合的絕緣壽命曲線
這項工作首次實現了大尺寸熱固性絕緣介質中電樹枝損傷的修復和絕緣性能恢復，為大幅提高電力裝置和電子設備的使用壽命和可靠性提供了新的思路。近年來，清華大學電機系何金良教授與李琦副教授等在自修復電介質領域開展了一系列原創性研究。此前，針對熱塑性絕緣介質，該團隊利用納米顆粒在聚合物中的熵耗散遷移行為（entropy-driven migration），結合超順磁納米顆粒的磁熱效應，首次實現了高性能熱塑性固體絕緣介質的電樹枝損傷靶向修復和電氣絕緣性能恢復（ Nature Nanotech. 2019, 14, 151–155）。該方法能夠修復納米級至毫米級尺度的裂紋、穿孔等各種形式的材料損傷，實現了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），全氟磺酸離子交換樹脂（PFSA）等多種典型熱塑性聚合物材料的損傷修復和力學、電導率等性能的恢復，具有較好的普適性（ Nanoscale 2020, DOI: 10.1039/c9nr09438e）。該系列研究獲得國家重點研發計劃（2018YFE0200100）和國家重點基礎研究發展計劃（973）（2014CB239505）的資助。
來源：高分子科學前沿
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