通過模仿生物系統(tǒng)，自修復(fù)材料能夠主動愈合傷口以應(yīng)對復(fù)雜的外部環(huán)境，從而獲得更高的生存壽命。然而與生物體相同，總有一些“疑難雜癥”是常規(guī)自愈系統(tǒng)無能為力的。電樹損傷便是絕緣材料老化中的“頑疾”，是造成電力裝置和電子器件過早失效的主因。設(shè)計運(yùn)行數(shù)十年的高壓電力電纜，一旦出現(xiàn)電樹枝老化，在正常工況下往往不到一年就會“夭折”。
電樹枝損傷與生物體中的“癌變組織”類似：形成機(jī)理復(fù)雜，診斷困難，一旦蔓延擴(kuò)散便會貫穿絕緣整體，直至材料崩潰擊穿。這種“生長”在材料內(nèi)部的三維樹狀中空裂紋，孔尺寸在數(shù)微米的量級，而目前較為先進(jìn)的“本征自修復(fù)”（動態(tài)化學(xué)鍵）方法只能在損傷斷面直接接觸的情況下，修復(fù)納米尺度甚至分子尺度的損傷。此外，電樹老化通常伴隨氧化、紫外輻射等現(xiàn)象，使電樹通道表面動態(tài)化學(xué)鍵“失活”，從而喪失修復(fù)功能。因此有學(xué)者嘗試采用傳統(tǒng)的“非本征自修復(fù)”方法，預(yù)埋修復(fù)液微膠囊。但流體和催化劑等成分帶來了嚴(yán)重的“副作用”，材料的電氣絕緣性能大幅下降，而電樹修復(fù)和絕緣性能恢復(fù)也未能實(shí)現(xiàn)。因此，長期以來電樹老化都被認(rèn)為是固體材料中不可治愈的“絕癥”。
針對這種普遍存在于絕緣材料中的“不治之癥”，清華大學(xué)電機(jī)系何金良教授團(tuán)隊量身定做了一種“缺陷靶向磁熱”自愈療法，利用納米顆粒在聚合物中的熵耗散遷移行為（entropy-driven migration），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枝損傷修復(fù)和電氣絕緣性能恢復(fù)。這一研究成果于2018年12月31日發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）。
“缺陷靶向磁熱”自愈療法的核心技術(shù)在于表面功能化超順磁納米顆粒的設(shè)計。通常情況下，這種功能化的顆粒均勻分布在絕緣材料中整裝待命。一旦材料內(nèi)部出現(xiàn)損傷，這些納米顆粒便會在振蕩磁場作用下?lián)u身變?yōu)獒尫艧崃康?ldquo;維修工”。和生物體中的成纖維細(xì)胞一樣，這些“維修工”會自動搜尋并遷移至損傷區(qū)域，實(shí)現(xiàn)損傷組織的熔融重塑。修復(fù)完成后，局部聚集的“維修工”顆粒會在濃度梯度的驅(qū)動下趨于分散，為下一次損傷修復(fù)作準(zhǔn)備。
為了最大限度地提高“維修工”顆粒的工作效率，并在重復(fù)修復(fù)中保證其不喪失修復(fù)功能，需要給特定尺寸的超順磁納米顆粒“穿上”一層量身定做的“工作服”。根據(jù)“維修工”們的工作環(huán)境（聚合物基材），最理想的“工作服”由柔軟的有機(jī)修飾層構(gòu)成，并將顆粒的外尺寸擴(kuò)展到聚合物回轉(zhuǎn)半徑Rg附近。在這種情況下，“維修工”顆粒既能夠敏銳“感知”周圍聚合物鏈的狀態(tài)和構(gòu)象熵排斥作用，同時也能相對較快地穿梭于分子鏈之間，輕裝上陣奔赴“搶修現(xiàn)場”。此外，“工作服”還能夠隔離無機(jī)顆粒之間的范德華作用力，避免修復(fù)過程中超順磁顆粒的直接接觸和永久“團(tuán)聚”，為顆粒的再分散和重復(fù)修復(fù)功能提供保障。
基于上述修復(fù)機(jī)制，該團(tuán)隊以聚烯烴電纜料為基材，得到了一種可重復(fù)修復(fù)電樹損傷，并恢復(fù)電氣絕緣性能的自修復(fù)絕緣材料。實(shí)驗(yàn)和計算機(jī)模擬表明，利用聚合物分子鏈對納米顆粒的構(gòu)象熵耗散作用（entropic depletion force），超順磁納米顆粒自動搜尋、聚集在缺陷區(qū)域，并在振蕩磁場下作用下形成微米級的高溫區(qū)，局部溫差能夠達(dá)到30℃以上。此時損傷區(qū)域的局部高溫超過熔點(diǎn)10℃以上，為裂紋修復(fù)提供充分的流動性，同時保證周圍材料溫度較低。當(dāng)缺陷區(qū)域修復(fù)后，損傷表面消失，納米顆粒受到周圍聚合物的構(gòu)象熵排斥作用在各方向相同，趨于無規(guī)運(yùn)動。計算機(jī)模擬表明，表面修飾層能夠隔斷無機(jī)顆粒之間的強(qiáng)范德華引力，避免顆粒形成永久團(tuán)聚。修復(fù)區(qū)域的超順磁顆粒在濃度梯度驅(qū)動下趨于均勻分散，為下一次損傷修復(fù)作準(zhǔn)備。
利用X射線顯微CT技術(shù)（micro-CT）的亞微米空間分辨能力和對材料密度的高靈敏性，該團(tuán)隊對該自修復(fù)絕緣介質(zhì)中電樹枝損傷的修復(fù)過程進(jìn)行了表征和三維重構(gòu)，再現(xiàn)了納米顆粒的靶向遷移、修復(fù)和擴(kuò)散行為。根據(jù)micro-CT的密度分析和電樹通道區(qū)域的掃描透射顯微（STEM）表征，在損傷修復(fù)之前，電樹通道表面1微米范圍內(nèi)的納米顆粒濃度提高了10倍以上。損傷修復(fù)后的區(qū)域，材料密度和顆粒濃度基本恢復(fù)。通過掃描電鏡配合能譜分析（SEM-EDS），驗(yàn)證了電樹通道區(qū)域在修復(fù)過程中納米顆粒的遷移、擴(kuò)散行為。
泄漏電流和局部放電測試表明，該自修復(fù)方法能夠完全恢復(fù)電介質(zhì)的電氣絕緣性能，而相同老化條件下的純聚烯烴材料最終發(fā)展為絕緣擊穿。在多次電氣老化-修復(fù)循環(huán)測試中，自修復(fù)絕緣介質(zhì)能夠反復(fù)修復(fù)電樹枝損傷達(dá)20次以上，且絕緣性能保持穩(wěn)定。通過再起樹（局部放電起始）電壓評估絕緣介質(zhì)的耐電樹性能，結(jié)果表明自修復(fù)絕緣介質(zhì)在多次電樹修復(fù)后，起樹電壓均能完全恢復(fù)到和純聚烯烴相同的水平。
“缺陷靶向磁熱”修復(fù)機(jī)制廣泛適用于各種熱塑性聚合物材料。通過模仿生物體中成纖維細(xì)胞的遷移行為，該機(jī)制在極低的顆粒含量（0.1%以下）便可以完成修復(fù)，因此能夠?qū)⒆孕迯?fù)絕緣介質(zhì)的電氣擊穿強(qiáng)度維持在基材的94%以上（如490 kV/mm），滿足特高壓輸電等電力能源領(lǐng)域的應(yīng)用需求。此外，修復(fù)過程施加的振蕩磁場與電力電子器件、電動汽車無線充電裝置等電氣設(shè)備工作條件下的高頻磁場強(qiáng)度相當(dāng)，因此該方法有望在這些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)絕緣介質(zhì)損傷的帶電自行修復(fù)和在線維護(hù)。
本文提出的自修復(fù)絕緣介質(zhì)，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了電樹枝損傷的修復(fù)和絕緣性能恢復(fù)，打破了電樹破壞不可修復(fù)的傳統(tǒng)認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)了電樹老化過程的逆轉(zhuǎn)和電介質(zhì)材料的“返老如新”，為大幅提高電力裝置和電子設(shè)備的使用壽命和可靠性提供了全新的方法。
論文作者簡介：清華大學(xué)電機(jī)系楊洋博士生為本文的第一作者。清華大學(xué)電機(jī)系何金良教授、李琦副教授，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)王慶教授為本文的共同通訊作者。參與該工作的還有清華大學(xué)電機(jī)系高雷博士、胡軍副教授、曾嶸教授，美國斯坦福大學(xué)秦健助理教授、王善祥教授。該研究獲得國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃子課題2014CB239505，何金良）的資助。
