近日，清華大學(xué)電機(jī)系何金良教授、李琦副教授及合作者在《自然？納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology，影響因子37.49）雜志上在線發(fā)表了題為《利用超順磁納米顆粒實(shí)現(xiàn)聚合物電損傷自修復(fù)》（Self-healing of electrical damage in polymers using superparamagnetic nanoparticles）的研究論文。該論文提出了在固態(tài)絕緣材料中實(shí)現(xiàn)電損傷自修復(fù)的方法，首次實(shí)現(xiàn)了絕緣材料在遭受電樹破壞后電樹通道的自愈合與絕緣性能的自恢復(fù)，同時(shí)保持材料的基礎(chǔ)電氣性能不受影響。該自修復(fù)策略廣泛適用于聚烯烴等熱塑性聚合物絕緣材料，為大幅提升電力電纜等電力裝備及電子設(shè)備的使用壽命和可靠性提供了全新的方法。

    近年來(lái)，隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)和特高壓輸電技術(shù)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)電壓等級(jí)逐漸提高，電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大。為了維持輸電網(wǎng)絡(luò)在載荷不斷提升的狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，需要不斷提升電氣設(shè)備在極端工作條件下的可靠性和使用壽命。電氣設(shè)備特別是高壓電力裝置的運(yùn)行壽命，往往取決于絕緣組件的使用壽命，絕緣介質(zhì)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中形成的電樹缺陷是其發(fā)生絕緣破壞的主要原因。長(zhǎng)期以來(lái)，固體絕緣材料的電樹缺陷被認(rèn)為是不可逆轉(zhuǎn)的永久損傷，針對(duì)電樹枝老化的研究主要是通過(guò)添加電壓穩(wěn)定劑、電樹阻擋劑等延緩電樹發(fā)展。然而絕緣材料的電樹老化難以避免，電樹缺陷一旦形成將大大降低絕緣壽命，甚至產(chǎn)生設(shè)備的永久破壞。

電樹靶向追蹤和修復(fù)機(jī)制示意圖

    為了獲得兼具電損傷修復(fù)功能和高介電強(qiáng)度的絕緣材料，該研究團(tuán)隊(duì)以聚烯烴電纜絕緣材料為基材，利用納米顆粒在聚合物中的熵耗散遷移行為，結(jié)合超順磁納米顆粒的磁熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了熱塑性絕緣材料的電樹損傷靶向重復(fù)修復(fù)。通過(guò)基于高斯鏈模型的分子動(dòng)力學(xué)模擬和微觀實(shí)驗(yàn)表征，驗(yàn)證了電樹損傷修復(fù)過(guò)程中納米顆粒的遷移、擴(kuò)散行為。泄漏電流和局部放電測(cè)試表明，該自修復(fù)方法能夠使產(chǎn)生電樹損傷的聚烯烴絕緣材料的電氣絕緣性能得到完全恢復(fù)，并在多次修復(fù)中保持和純聚烯烴絕緣相同的水平。該缺陷修復(fù)機(jī)制使用極低的超順磁納米顆粒填充量（0.1 vol.%以下）便可以實(shí)現(xiàn)，因此能夠?qū)⒆孕迯?fù)絕緣材料的電氣擊穿強(qiáng)度維持在基材的94%以上（如490 kV/mm），滿足超特高壓電纜輸電等電力能源領(lǐng)域的應(yīng)用需求。另外，針對(duì)電力電子器件、電動(dòng)汽車無(wú)線充電裝置等電氣設(shè)備，該方法也有望在這些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)絕緣材料損傷的帶電自修復(fù)和在線維護(hù)。

電樹枝損傷靶向追蹤和修復(fù)行為的微觀表征電氣絕緣性能恢復(fù)

    該論文的第一作者為清華大學(xué)電機(jī)系2014級(jí)博士生楊洋，通訊作者為電機(jī)系何金良教授、李琦副教授以及美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)王慶教授。合作者還包括電機(jī)系高雷博士、胡軍副教授、曾嶸教授，美國(guó)斯坦福大學(xué)秦健副教授、王善祥教授。該研究獲得國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目2014CB239500的資助，何金良教授為項(xiàng)目首席科學(xué)家。

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