隨著全球能源需求持續增長，電力輸送網絡必須能夠滿足在載荷不斷提升的狀態下穩定運行，這就要求電氣設備在極端工作條件下還具有高可靠性和長使用壽命。電力裝置和電子器件的過早失效，往往是由絕緣材料的電擊穿破壞引起。

絕緣介質在長期運行過程中產生電樹是其發生電擊穿破壞的主要原因。例如，設計運行數十年的高壓電力電纜，一旦出現電樹缺陷，在運行電壓下往往不到一年就會發生擊穿破壞。由于絕緣介質維護困難，電樹缺陷難以診斷，長期以來由于絕緣擊穿導致的高壓輸電事故頻發，經濟損失巨大。

通過模仿生物體遭受外界創傷后的恢復過程，自修復材料自本世紀以來得到迅速發展。然而到目前為止，絕大多數的自修復材料是針對機械破壞進行設計，沒有任何自修復體系能夠實現對固態絕緣介質電損傷的自修復。其原因在于電樹損傷形式特殊、電樹老化伴隨著復雜的物理化學過程等。一方面，電樹是一種“生長”在絕緣介質內部的三維樹枝狀中空裂紋，孔徑約數微米，而目前基于動態化學鍵（可逆鍵）的自修復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；另一方面，電樹老化通常導致絕緣介質的化學成分和結構發生不可逆轉的破壞，導致高化學活性的自修復添加物破壞失效。此外，對于目前采用的內含修復液的微膠囊等自修復方法，流體和催化劑等成分將嚴重影響材料的電氣絕緣性能。

近日，清華大學電機系何金良教授研究團隊利用納米顆粒在聚合物中的熵耗散遷移行為（entropy-driven migration），結合超順磁納米顆粒的磁熱效應，實現了熱塑性電介質的電樹損傷靶向修復和電氣絕緣性能恢復。這一研究成果于2018年12月31日在線發表在Nature Nanotechnology。

圖1. 電樹靶向追蹤和修復機制示意圖

為了獲得兼具電損傷自修復功能和高介電強度的絕緣介質，該團隊以聚烯烴電纜絕緣材料為基材，設計了一種可重復修復電損傷，并恢復電氣絕緣性能的方法。實驗和理論模擬表明，利用聚合物分子鏈對納米顆粒的構象熵耗散作用（entropic depletion force），表面功能化的超順磁納米顆粒能夠在材料內部自動搜尋損傷，并遷移、聚集在電樹裂紋表面。在震蕩磁場下，聚集的超順磁納米顆粒在缺陷區域形成微米級的高溫區，局部溫差能夠達到30℃以上。局部高溫將微米級損傷區域加熱到高于熔點10℃以上，使其局部熔融重塑，同時保證材料整體溫度較低。當缺陷區域修復后，損傷裂紋消失，此時納米顆粒受到的構象熵耗散作用在各方向相同，趨于無規運動。而所采用的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。修復區域的超順磁顆粒在濃度梯度驅動下在材料內趨于均勻分散，為下一次損傷修復做準備。

 

圖2. 電樹靶向追蹤和修復行為的微觀表征：a)micro-CT表征及密度分析；b-e）掃描電鏡-能譜表征

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中電樹損傷的修復過程進行了表征和三維重構，再現了納米顆粒的靶向遷移、修復和擴散行為。根據micro-CT的密度分析和電樹通道區域的掃描透射顯微（STEM）表征，在損傷修復之前，電樹通道表面1微米范圍內的納米顆粒濃度提高了10倍以上。損傷修復后的區域，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），驗證了電樹通道區域在修復過程中納米顆粒的遷移、擴散行為。

 

圖3. 自修復電介質的電氣絕緣性能恢復：a)修復過程的局部放電評估，與純聚烯烴樣品對比；b）多次修復；c）純聚烯烴樣品老化前后的局部放電起始電壓統計；d）自修復絕緣介質在多次修復中的局部放電起始電壓統計

泄漏電流和局部放電測試表明，該自修復方法能夠使電介質的電氣絕緣性能完全恢復，而相同老化條件下的純聚烯烴材料最終發展為絕緣擊穿。根據理論分析，修復過程中修復添加物沒有任何消耗，具有永久修復功能。論文進行了20次電氣老化-修復循環測試，自修復絕緣材料能夠完全修復電樹損傷，且絕緣性能保持穩定。通過再起樹（局部放電起始）電壓評估絕緣介質的耐電樹性能，結果表明自修復絕緣介質在多次電樹修復后，起樹電壓均能完全恢復到和純聚烯烴相同的水平。

本文提出的自修復絕緣介質，首次實現了電樹損傷的修復和絕緣性能的恢復，打破了電樹破壞不可修復的傳統認知，為大幅提高電力電纜、電力裝備及電子設備的使用壽命和可靠性提供了全新的方法。損傷靶向追蹤和修復機制與生物體的免疫細胞行為高度相似，廣泛適用于熱塑性聚合物材料。該修復機制在極低的顆粒含量（0.1%以下）便可以實現，因此能夠將自修復絕緣介質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，修復過程施加的震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磁場強度相當，因此該方法有望在這些領域實現絕緣介質損傷的帶電自行修復和在線維護。

作者簡介

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。清華大學電機系博士生楊洋為本文的第一作者。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，美國斯坦福大學的秦健助理、王善祥教授。該研究獲得國家重點基礎研究發展計劃（973計劃項目2014CB239500，何金良教授為項目首席科學家）的資助。