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清華大學成功研制自修復絕緣材料
 

2018年12月31日,清華大學電機系何金良教授、李琦副教授及合作者在《自然·納米技術》(Nature Nanotechnology,影響因子37.49)雜志上在線發表了題為《利用超順磁納米顆粒實現聚合物電損傷自修復》(Self-healing of electrical damage in polymers using superparamagnetic nanoparticles)的研究論文。該論文提出了在固態絕緣材料中實現電損傷自修復的方法,首次實現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,同時保持材料的基礎電氣性能不受影響。該自修復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備的使用壽命和可靠性提供了全新的方法。

近年來,隨著全球能源互聯網和特高壓輸電技術的迅速發展,電網電壓等級逐漸提高,電網規模日益擴大。為了維持輸電網絡在載荷不斷提升的狀態下穩定運行,需要不斷提升電氣設備在極端工作條件下的可靠性和使用壽命。電氣設備特別是高壓電力裝置的運行壽命,往往取決于絕緣組件的使用壽命,絕緣介質在長期運行過程中形成的電樹缺陷是其發生絕緣破壞的主要原因。長期以來,固體絕緣材料的電樹缺陷被認為是不可逆轉的永久損傷,針對電樹枝老化的研究主要是通過添加電壓穩定劑、電樹阻擋劑等延緩電樹發展。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,甚至產生設備的永久破壞。

為了獲得兼具電損傷修復功能和高介電強度的絕緣材料,該研究團隊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,結合超順磁納米顆粒的磁熱效應,實現了熱塑性絕緣材料的電樹損傷靶向重復修復。通過基于高斯鏈模型的分子動力學模擬和微觀實驗表征,驗證了電樹損傷修復過程中納米顆粒的遷移、擴散行為。泄漏電流和局部放電測試表明,該自修復方法能夠使產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,并在多次修復中保持和純聚烯烴絕緣相同的水平。該缺陷修復機制使用極低的超順磁納米顆粒填充量(0.1 vol.%以下)便可以實現,因此能夠將自修復絕緣材料的電氣擊穿強度維持在基材的94%以上(如490 kV/mm),滿足超特高壓電纜輸電等電力能源領域的應用需求。另外,針對電力電子器件、電動汽車無線充電裝置等電氣設備,該方法也有望在這些領域實現絕緣材料損傷的帶電自修復和在線維護! 

該論文的第一作者為清華大學電機系2014級博士生楊洋,通訊作者為電機系何金良教授、李琦副教授以及美國賓夕法尼亞州立大學王慶教授。合作者還包括電機系高雷博士、胡軍副教授、曾嶸教授,美國斯坦福大學秦健副教授、王善祥教授。該研究獲得國家重點基礎研究發展計劃項目2014CB239500的資助,何金良教授為項目首席科學家。


 
     
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