2020年2月6日，bevictor伟德官网電機系何金良教授、李琦副教授及合作者在《Matter》雜志上發表了題為《利用原位電緻發光實現聚合物電老化自修複》（Autonomous Self-Healing of Electrical Degradation in Dielectric Polymers UsingIn SituElectroluminescence）的研究論文。這項工作實現了大尺寸熱固性絕緣材料中電樹損傷的修複和絕緣性能恢複，為大幅提高電力裝置和電子設備的絕緣壽命和可靠性提供了新的思路。《Matter》雜志同期對該文刊發了特邀評述《自修複防止絕緣失效》（Autonomous Self-Healing to Combat Insulation Failure）。

電樹損傷是聚合物絕緣材料中最常見的電老化現象，通常被認為是導緻絕緣性能劣化和擊穿的主要原因，嚴重威脅電力裝置和電子器件的運行壽命和可靠性。盡管近年來報道了大量有關自修複材料的研究進展，但大都隻能應對機械損傷，而針對固體絕緣材料電損傷的研究鮮有報道。電損傷（如電樹枝）的多尺度破壞形式、絕緣老化伴随的複雜的化學降解過程及高壓絕緣材料嚴苛的工作環境（高溫、高電場強度）給自修複絕緣材料的設計、研發帶來了巨大挑戰。

這項研究創新性地利用電老化過程本身伴随的電緻紫外發光效應、并将其作為修複液固化的觸發源（無需外部能量介入）來實現完全自發的修複過程。利用修複液與聚合物基體介電常數的不均勻性實現微膠囊對電樹枝發展路徑的靶向吸引，通過計算模拟優化微膠囊含量，有效解決了傳統微膠囊自修複體系中固化催化劑和高流體含量對電氣絕緣性能的負面影響。為了避免修複液在微膠囊内因電緻發光現象提前固化，合成了具有紫外光屏蔽功能的微膠囊複合外殼。由于電樹枝擊中微膠囊時隻在外殼上形成微米級的孔洞，微膠囊能夠提供多次電樹枝修複所需的修複液體并保持光屏蔽功能。

圖1.自修複原理示意圖. (A)利用電緻發光觸發的微膠囊自修複過程；(B)具有紫外光屏蔽功能的微膠囊制備過程

實驗和有限元計算結果表明，微膠囊中的高介電常數修複液能夠引起周圍電場分布畸變，從而吸引電樹生長形成靶向修複作用，大大提高電樹枝的修複概率。通過随機生長模型計算不同微膠囊濃度對修複概率和電樹枝平均生長長度的影響，結果表明5%的微膠囊摻雜量可以将觸發修複前的平均電樹枝長度減小至400μm以下。該濃度下自修複複合材料的擊穿強度維持在環氧樹脂基材的90%以上。

圖2.有限元及随機電樹生長模型計算結果. (a、b)微膠囊介電常數對電場分布及電樹枝生長路徑的影響：(a)低介電常數膠囊排斥電樹枝，(b)高介電常數膠囊吸引電樹枝；(c-e)随機電樹生長模型計算不同微膠囊濃度下的電樹枝擊中概率(d)和平均生長長度(e)

自修複材料能夠在連續循環老化測試中自動修複電樹枝損傷，并将材料的絕緣電阻恢複到接近老化前的水平。由于采用固化後絕緣性能更高的修複液，修複後樣品的起樹電壓大幅提高，且二次老化的電樹生長路徑避開了第一次電樹枝損傷的修複區域，表現出優異的修複效果。根據老化實驗數據拟合得到的絕緣壽命曲線，自修複絕緣材料表現出更高的耐電樹電壓（U1）和絕緣壽命（曲線斜率）。

圖3.自修複材料的電氣性能評估.(a)純環氧樹脂（左）和微膠囊複自修複樣品（右）在循環老化實驗中的絕緣電阻；(b)微膠囊自修複樣品的一次（左）二次（右）老化電樹枝生長路徑；(c)根據老化實驗數據和波動模型拟合的絕緣壽命曲線

近年來，bevictor伟德官网電機系何金良教授與李琦副教授等在自修複電介質材料領域開展了一系列原創性研究。此前，針對熱塑性絕緣材料，該團隊利用納米顆粒在聚合物中的熵耗散遷移行為，結合超順磁納米顆粒的磁熱效應，實現了熱塑性固體絕緣材料的電樹枝損傷靶向修複和電氣絕緣性能恢複（Nature Nanotech. 2019, 14, 151–155）。近期，該團隊又實現了在熱塑性聚合物中修複納米級至毫米級尺度的裂紋、穿孔等各種形式的材料損傷，具有較好的普适性（Nanoscale, 2020, 12, 3605–3613，封面論文）。該系列研究獲得國家重點研發計劃（2018YFE0200100）和國家重點基礎研究發展計劃（973）（2014CB239505）的資助。

該論文的共同第一作者為bevictor伟德官网電機系博士生高雷、楊洋和謝佳烨。bevictor伟德官网電機系何金良教授、李琦副教授和美國賓夕法尼亞州立大學王慶教授為論文的通訊作者。《Matter》雜志為Cell Press材料學旗艦期刊，2019年7月開始正式出版。作為《Cell》的姊妹刊，《Matter》發表跨越多學科領域且具有變革性的材料學研究論文。

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文章鍊接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30348-0