清华大学何金良/李琦Nat. Mater.: 聚合物电老化的自发指示!

近日，清华大学电机系何金良教授、李琦副教授团队在电气及电子基础材料研究领域取得重要进展。针对电气装备及电子系统中绝缘材料电老化初期无法有效预警进而发展成为灾难性电击穿这一瓶颈问题，课题组持续七年潜心探索，在国际上首次提出了具有电老化自诊断功能的智能响应绝缘材料，使绝缘材料发生电老化时自发产生可被人眼有效识别的直观颜色示警信号，无需借助任何外部测试、分析手段。该方法将有效降低电气设备及电子系统中绝缘介质和电子器件的电击穿风险，为电气、能源及电子系统的安全运行提供可靠保障。

图1.电老化自诊断绝缘材料设计原理

介电聚合物被广泛用作各类电气装备及电子系统的绝缘材料。一些关键系统如输变电系统、新能源系统、航空航天系统、轨道交通系统，在严苛运行工况下极易引发绝缘材料的电老化，如果不能及时发现并维护，将导致关键设备电击穿、甚至损坏，从而造成巨大经济损失。然而，电老化通常起始于微小区域，初期并不会引起材料整体电气性能的显著变化，因此极难被发现。基于观察和外特性测量的传统电老化监测方法，需要大量的人力、算力、时间和设备成本，但仍然存在通用性差、操作困难、易受环境因素干扰等瓶颈问题，难以及时、准确发现事故隐患。

为突破传统方法的技术瓶颈，课题组受生物体痛觉感知过程的启发，巧妙地利用聚合物电老化过程中伴随产生的高化学活性的氧自由基，诱导分子指示剂发生显色反应，使聚合物电介质能够自发地产生肉眼可辨识的颜色示警信号。该方法只需添加0.1%质量分数的分子指示剂即可产生显著的电老化显色变化，对材料本身的绝缘性能不造成影响。

为了证明上述方法能够有效地应用于介电聚合物的电老化示警，课题组从自诊断聚合物复杂的电老化产物中识别并确定了指示剂受激变色后的化学结构，进而严格论证了电老化产生的氧自由基原位诱导指示剂变色的自诊断机理。课题组利用色差评价公式对变色前后的颜色差异进行量化，利用红外光谱表征材料的结构降解程度，利用泄漏电流和局部放电评估材料的性能损失，证明了颜色改变与电老化程度之间的定量关联关系。

图2.分子指示剂（螺恶嗪）受激变色机理

图3.智能响应绝缘材料表面电气降解与颜色变化的关联关系

这种自诊断方法适用于不同形式的电老化，包括由电晕放电或沿面闪络引发的外绝缘表面老化，以及内绝缘电树老化，还适用于各种聚合物基体，包括无定形聚合物（如硅橡胶）和半结晶聚合物（如聚丙烯），热固性聚合物（如环氧树脂）和热塑性聚合物（如聚碳酸酯），以及各种不同玻璃化转变温度的聚合物。因此，该方法作为一种普适性的方法，可广泛用于各种电气装备及电子系统的绝缘监测。

图4.智能响应绝缘材料内部电树老化的可视化自诊断

相关成果以“Autonomous indication of electrical degradation in polymers" 为题发表于国际学术期刊 Nature Materials。清华大学电机系2021级博士生黄晓岩和博士毕业生张帅为该论文共同第一作者，李琦副教授和何金良教授为该论文通讯作者，其他合作者还包括清华大学电机系胡军教授。该研究得到国家重点研发计划与国家自然科学基金项目的支持。该工作与课题组近年完成的工作构成了自适应、自诊断、自修复的智能绝缘材料体系。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01725-8

来源：清华大学机械系

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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