清華新聞網(wǎng)11月17日電 近日，清華大學(xué)電機(jī)系何金良教授、李琦副教授等在電氣及電子基礎(chǔ)材料研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。針對電氣裝備及電子系統(tǒng)中絕緣材料電老化初期無法有效預(yù)警進(jìn)而發(fā)展成為災(zāi)難性電擊穿這一瓶頸問題，課題組持續(xù)七年潛心探索，在國際上首次提出了具有電老化自診斷功能的智能響應(yīng)絕緣材料，使絕緣材料發(fā)生電老化時自發(fā)產(chǎn)生可被人眼有效識別的直觀顏色示警信號，無需借助任何外部測試、分析手段。該方法將有效降低電氣設(shè)備及電子系統(tǒng)中絕緣介質(zhì)和電子器件的電擊穿風(fēng)險，為電氣、能源及電子系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供可靠保障。
電老化自診斷絕緣材料設(shè)計原理
介電聚合物被廣泛用作各類電氣裝備及電子系統(tǒng)的絕緣材料。一些關(guān)鍵系統(tǒng)如輸變電系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)、航空航天系統(tǒng)、軌道交通系統(tǒng)，在嚴(yán)苛運(yùn)行工況下極易引發(fā)絕緣材料的電老化，如果不能及時發(fā)現(xiàn)并維護(hù)，將導(dǎo)致關(guān)鍵設(shè)備電擊穿、甚至損壞，從而造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。然而，電老化通常起始于微小區(qū)域，初期并不會引起材料整體電氣性能的顯著變化，因此極難被發(fā)現(xiàn)。基于觀察和外特性測量的傳統(tǒng)電老化監(jiān)測方法，需要大量的人力、算力、時間和設(shè)備成本，但仍然存在通用性差、操作困難、易受環(huán)境因素干擾等瓶頸問題，難以及時、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)事故隱患。
為突破傳統(tǒng)方法的技術(shù)瓶頸，課題組受生物體痛覺感知過程的啟發(fā)，巧妙地利用聚合物電老化過程中伴隨產(chǎn)生的高化學(xué)活性的氧自由基，誘導(dǎo)分子指示劑發(fā)生顯色反應(yīng)，使聚合物電介質(zhì)能夠自發(fā)地產(chǎn)生肉眼可辨識的顏色示警信號。該方法只需添加0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分子指示劑即可產(chǎn)生顯著的電老化顯色變化，對材料本身的絕緣性能不造成影響。
為了證明上述方法能夠有效地應(yīng)用于介電聚合物的電老化示警，課題組從自診斷聚合物復(fù)雜的電老化產(chǎn)物中識別并確定了指示劑受激變色后的化學(xué)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而嚴(yán)格論證了電老化產(chǎn)生的氧自由基原位誘導(dǎo)指示劑變色的自診斷機(jī)理。課題組利用色差評價公式對變色前后的顏色差異進(jìn)行量化，利用紅外光譜表征材料的結(jié)構(gòu)降解程度，利用泄漏電流和局部放電評估材料的性能損失，證明了顏色改變與電老化程度之間的定量關(guān)聯(lián)關(guān)系。
分子指示劑（螺惡嗪）受激變色機(jī)理
智能響應(yīng)絕緣材料表面電氣降解與顏色變化的關(guān)聯(lián)關(guān)系
這種自診斷方法適用于不同形式的電老化，包括由電暈放電或沿面閃絡(luò)引發(fā)的外絕緣表面老化，以及內(nèi)絕緣電樹老化，還適用于各種聚合物基體，包括無定形聚合物（如硅橡膠）和半結(jié)晶聚合物（如聚丙烯），熱固性聚合物（如環(huán)氧樹脂）和熱塑性聚合物（如聚碳酸酯），以及各種不同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的聚合物。因此，該方法作為一種普適性的方法，可廣泛用于各種電氣裝備及電子系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測。
智能響應(yīng)絕緣材料內(nèi)部電樹老化的可視化自診斷
相關(guān)成果以“聚合物電老化的自發(fā)指示”（Autonomous indication of electrical degradation in polymers）為題發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·材料》（Nature Materials）。
電機(jī)系2021級博士生黃曉巖和博士畢業(yè)生張帥為該論文共同第一作者，李琦副教授和何金良教授為該論文通訊作者，其他合作者還包括清華大學(xué)電機(jī)系胡軍教授。該研究得到國家重點研發(fā)計劃與國家自然科學(xué)基金項目的支持。該工作與課題組近年完成的工作構(gòu)成了自適應(yīng)、自診斷、自修復(fù)的智能絕緣材料體系。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01725-8
供稿：電機(jī)系
題圖設(shè)計：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
