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自然子问题：清华大学成功研制出自修复绝缘材料

2018年12月31日，清华大学电机工程系何教授、副教授及其合作者在《自然纳米技术》(自然纳米技术，影响因子37.49)上在线发表了一篇题为《利用超顺磁纳米颗粒实现聚合物电损伤自修复》(利用超顺磁性纳米分区实现聚合物中电损伤的自修复)的研究论文。本文提出了一种固体绝缘材料电损伤自修复方法，首次实现了绝缘材料电树损伤后电树通道的自愈和绝缘性能的自恢复，同时保持材料的基本电性能不受影响。这种自修复策略广泛应用于聚烯烃等热塑性聚合物绝缘材料，为大幅度提高电力设备和电力电缆等电子设备的使用寿命和可靠性提供了一种全新的方法。

近年来，随着全球能源互联网和UHV传输技术的快速发展，电网电压水平逐渐提高，电网规模日益扩大。随着负荷的增加，为了保持输电网的稳定运行，需要不断提高电气设备在极端工况下的可靠性和使用寿命。电气设备尤其是高压电力设备的使用寿命往往取决于绝缘元件的使用寿命，绝缘介质长期运行中形成的电气树缺陷是其绝缘失效的主要原因。长期以来，固体绝缘材料的电树枝缺陷被认为是不可逆的永久性损伤。电树枝老化的研究主要是通过添加电压稳定剂和电树枝阻断剂来延缓电树枝的发展。但是绝缘材料的电树老化是很难避免的，一旦形成电树缺陷，绝缘寿命会大大降低，甚至会永久性损坏设备。

电动树目标跟踪修复机制示意图

为了获得兼具电损伤修复功能和高介电强度的绝缘材料，研究团队以聚烯烃电缆绝缘材料为基底，利用纳米粒子在聚合物中的熵耗散迁移行为和超顺磁性纳米粒子的磁热效应，实现了热塑性绝缘材料电树损伤的有针对性的重复修复。通过基于高斯链模型的分子动力学模拟和微观实验表征，验证了纳米粒子在电树损伤修复过程中的迁移和扩散行为。漏电流和局部放电试验表明，该自修复方法能够完全恢复电树损伤聚烯烃绝缘材料的电绝缘性能，在多次修复中保持与纯聚烯烃绝缘相同的水平。缺陷修复机制可以通过使用极低的超顺磁性纳米粒子填充量(0.1体积%以下)来实现，使得自修复绝缘材料的电击穿强度可以保持在基材的94%以上(如490 kV/mm)，满足超高压电缆传输等电力和能源领域的应用要求。此外，针对电动汽车的电力电子装置、无线充电装置等电气设备，该方法也有望实现这些领域绝缘材料损伤的带电自修复和在线维护。

电树枝损伤修复的目标跟踪和修复行为的微观表征电绝缘性能的恢复

本文第一作者为清华大学电机工程系2014级博士生杨洋，通讯作者为美国宾夕法尼亚州立大学电机工程系何教授和副教授、王庆教授。合作者还包括电气工程系的高磊博士、胡军副教授和曾嵘教授，以及斯坦福大学的秦简副教授和王善祥教授。该研究得到了国家重点基础研究发展计划项目2014CB的资助，何教授是该项目的首席科学家。

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