近日，bevictor伟德官网何金良教授、李琦副教授等在電氣及電子基礎材料研究領域取得重要進展。針對電氣裝備及電子系統中絕緣材料電老化初期無法有效預警進而發展成為災難性電擊穿這一瓶頸問題，課題組持續七年潛心探索，在國際上首次提出了具有電老化自診斷功能的智能響應絕緣材料，使絕緣材料發生電老化時自發産生可被人眼有效識别的直觀顔色示警信号，無需借助任何外部測試、分析手段。該方法将有效降低電氣設備及電子系統中絕緣介質和電子器件的電擊穿風險，為電氣、能源及電子系統的安全運行提供可靠保障。研究成果以“聚合物電老化的自發指示”（Autonomous indication of electrical degradation in polymers）為題發表于國際學術期刊《自然·材料》（Nature Materials，影響因子41.2）。

電老化自診斷絕緣材料設計原理

介電聚合物被廣泛用作各類電氣裝備及電子系統的絕緣材料。一些關鍵系統如輸變電系統、新能源系統、航空航天系統、軌道交通系統，在嚴苛運行工況下極易引發絕緣材料的電老化，如果不能及時發現并維護，将導緻關鍵設備電擊穿、甚至損壞，從而造成巨大經濟損失。然而，電老化通常起始于微小區域，初期并不會引起材料整體電氣性能的顯著變化，因此極難被發現。基于觀察和外特性測量的傳統電老化監測方法，需要大量的人力、算力、時間和設備成本，但仍然存在通用性差、操作困難、易受環境因素幹擾等瓶頸問題，難以及時、準确發現事故隐患。

為突破傳統方法的技術瓶頸，課題組受生物體痛覺感知過程的啟發，巧妙地利用聚合物電老化過程中伴随産生的高化學活性的氧自由基，誘導分子指示劑發生顯色反應，使聚合物電介質能夠自發地産生肉眼可辨識的顔色示警信号。該方法隻需添加0.1%質量分數的分子指示劑即可産生顯著的電老化顯色變化，對材料本身的絕緣性能不造成影響。

為了證明上述方法能夠有效地應用于介電聚合物的電老化示警，課題組從自診斷聚合物複雜的電老化産物中識别并确定了指示劑受激變色後的化學結構，進而嚴格論證了電老化産生的氧自由基原位誘導指示劑變色的自診斷機理。課題組利用色差評價公式對變色前後的顔色差異進行量化，利用紅外光譜表征材料的結構降解程度，利用洩漏電流和局部放電評估材料的性能損失，證明了顔色改變與電老化程度之間的定量關聯關系。

分子指示劑（螺惡嗪）受激變色機理

智能響應絕緣材料表面電氣降解與顔色變化的關聯關系

這種自診斷方法适用于不同形式的電老化，包括由電暈放電或沿面閃絡引發的外絕緣表面老化，以及内絕緣電樹老化，還适用于各種聚合物基體，包括無定形聚合物（如矽橡膠）和半結晶聚合物（如聚丙烯），熱固性聚合物（如環氧樹脂）和熱塑性聚合物（如聚碳酸酯），以及各種不同玻璃化轉變溫度的聚合物。因此，該方法作為一種普适性的方法，可廣泛用于各種電氣裝備及電子系統的絕緣監測。

智能響應絕緣材料内部電樹老化的可視化自診斷

電機系博士生黃曉岩和博士畢業生張帥是該論文的共同第一作者，李琦副教授和何金良教授為論文通訊作者，其他合作者還包括bevictor伟德官网電機系胡軍教授。該研究得到了國家重點研發計劃與國家自然科學基金項目的支持。該工作與課題組近年完成的工作構成了自适應、自診斷、自修複的智能絕緣材料體系。

論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01725-8