通過模仿生物系統(tǒng)，自修復材料能夠主動愈合傷口以應對復雜的外部環(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。設計運行數(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：形成機理復雜，診斷困難,，一旦蔓延擴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,，而目前較為先進的“本征自修復”（動態(tài)化學鍵）方法只能在損傷斷面直接接觸的情況下，修復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)化學鍵“失活”,，從而喪失修復功能。因此有學者嘗試采用傳統(tǒng)的“非本征自修復”方法,，預埋修復液微膠囊,。但流體和催化劑等成分帶來了嚴重的“副作用”，材料的電氣絕緣性能大幅下降,，而電樹修復和絕緣性能恢復也未能實現(xiàn),。因此，長期以來電樹老化都被認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”,，清華大學電機系何金良教授團隊量身定做了一種“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,，實現(xiàn)了熱塑性絕緣材料的電樹枝損傷修復和電氣絕緣性能恢復。這一研究成果于2018年12月31日發(fā)表在《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）,。
“缺陷靶向磁熱”自愈療法的核心技術在于表面功能化超順磁納米顆粒的設計,。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胞一樣,，這些“維修工”會自動搜尋并遷移至損傷區(qū)域,，實現(xiàn)損傷組織的熔融重塑。修復完成后,，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,，為下一次損傷修復作準備。
為了最大限度地提高“維修工”顆粒的工作效率,，并在重復修復中保證其不喪失修復功能,，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”由柔軟的有機修飾層構(gòu)成,，并將顆粒的外尺寸擴展到聚合物回轉(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”還能夠隔離無機顆粒之間的范德華作用力，避免修復過程中超順磁顆粒的直接接觸和永久“團聚”,，為顆粒的再分散和重復修復功能提供保障,。
基于上述修復機制，該團隊以聚烯烴電纜料為基材,，得到了一種可重復修復電樹損傷,，并恢復電氣絕緣性能的自修復絕緣材料。實驗和計算機模擬表明,，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),，局部溫差能夠達到30℃以上。此時損傷區(qū)域的局部高溫超過熔點10℃以上,，為裂紋修復提供充分的流動性,，同時保證周圍材料溫度較低。當缺陷區(qū)域修復后,，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)運動,。計算機模擬表明,，表面修飾層能夠隔斷無機顆粒之間的強范德華引力，避免顆粒形成永久團聚,。修復區(qū)域的超順磁顆粒在濃度梯度驅(qū)動下趨于均勻分散,，為下一次損傷修復作準備。
利用X射線顯微CT技術（micro-CT）的亞微米空間分辨能力和對材料密度的高靈敏性,，該團隊對該自修復絕緣介質(zhì)中電樹枝損傷的修復過程進行了表征和三維重構(gòu),，再現(xiàn)了納米顆粒的靶向遷移、修復和擴散行為,。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。損傷修復后的區(qū)域,，材料密度和顆粒濃度基本恢復,。通過掃描電鏡配合能譜分析（SEM-EDS），驗證了電樹通道區(qū)域在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，該自修復方法能夠完全恢復電介質(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-修復循環(huán)測試中，自修復絕緣介質(zhì)能夠反復修復電樹枝損傷達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)果表明自修復絕緣介質(zhì)在多次電樹修復后,，起樹電壓均能完全恢復到和純聚烯烴相同的水平,。
“缺陷靶向磁熱”修復機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胞的遷移行為,，該機制在極低的顆粒含量（0.1%以下）便可以完成修復,，因此能夠?qū)⒆孕迯徒^緣介質(zhì)的電氣擊穿強度維持在基材的94%以上（如490 kV/mm），滿足特高壓輸電等電力能源領域的應用需求,。此外,，修復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備工作條件下的高頻磁場強度相當,，因此該方法有望在這些領域?qū)崿F(xiàn)絕緣介質(zhì)損傷的帶電自行修復和在線維護,。
本文提出的自修復絕緣介質(zhì)，在國際上首次實現(xiàn)了電樹枝損傷的修復和絕緣性能恢復,，打破了電樹破壞不可修復的傳統(tǒng)認知,，實現(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：清華大學電機系楊洋博士生為本文的第一作者,。清華大學電機系何金良教授、李琦副教授,，美國賓夕法尼亞州立大學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助理教授、王善祥教授,。該研究獲得國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃子課題2014CB239505,，何金良）的資助,。
