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清华大学成功研制自修复绝缘材料

作者: 时间:2019-01-08 08:22   

  2018年12月31日,清华大学电机系何金良教授、李琦副教授及合作者在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology,影响因子37.49)杂志上在线发表了题为《利用超顺磁纳米颗粒实现聚合物电损伤自修复》(Self-healing of electrical damage in polymers using superparamagnetic nanoparticles)的研究论文。该论文提出了在固态绝缘材料中实现电损伤自修复的方法,首次实现了绝缘材料在遭受电树破坏后电树通道的自愈合与绝缘性能的自恢复,同时保持材料的基础电气性能不受影响。该自修复策略广泛适用于聚烯烃等热塑性聚合物绝缘材料,为大幅提升电力电缆等电力装备及电子设备的使用寿命和可靠性提供了全新的方法。

  近年来,随着全球能源互联网和特高压输电技术的迅速发展,电网电压等级逐渐提高,电网规模日益扩大。为了维持输电网络在载荷不断提升的状态下稳定运行,需要不断提升电气设备在极端工作条件下的可靠性和使用寿命。电气设备特别是高压电力装置的运行寿命,往往取决于绝缘组件的使用寿命,绝缘介质在长期运行过程中形成的电树缺陷是其发生绝缘破坏的主要原因。长期以来,固体绝缘材料的电树缺陷被认为是不可逆转的永久损伤,针对电树枝老化的研究主要是通过添加电压稳定剂、电树阻挡剂等延缓电树发展。然而绝缘材料的电树老化难以避免,电树缺陷一旦形成将大大降低绝缘寿命,甚至产生设备的永久破坏。

  为了获得兼具电损伤修复功能和高介电强度的绝缘材料,该研究团队以聚烯烃电缆绝缘材料为基材,利用纳米颗粒在聚合物中的熵耗散迁移行为,结合超顺磁纳米颗粒的磁热效应,实现了热塑性绝缘材料的电树损伤靶向重复修复。通过基于高斯链模型的分子动力学模拟和微观实验表征,验证了电树损伤修复过程中纳米颗粒的迁移、扩散行为。泄漏电流和局部放电测试表明,该自修复方法能够使产生电树损伤的聚烯烃绝缘材料的电气绝缘性能得到完全恢复,并在多次修复中保持和纯聚烯烃绝缘相同的水平。该缺陷修复机制使用极低的超顺磁纳米颗粒填充量(0.1 vol.%以下)便可以实现,因此能够将自修复绝缘材料的电气击穿强度维持在基材的94%以上(如490 kV/mm),满足超特高压电缆输电等电力能源领域的应用需求。另外,针对电力电子器件、电动汽车无线充电装置等电气设备,该方法也有望在这些领域实现绝缘材料损伤的带电自修复和在线维护。  

  该论文的第一作者为清华大学电机系2014级博士生杨洋,通讯作者为电机系何金良教授、李琦副教授以及美国宾夕法尼亚州立大学王庆教授。合作者还包括电机系高雷博士、胡军副教授、曾嵘教授,美国斯坦福大学秦健副教授、王善祥教授。该研究获得国家重点基础研究发展计划项目2014CB239500的资助,何金良教授为项目首席科学家。