通過(guò)模仿生物系統(tǒng),，自修復(fù)材料能夠主動(dòng)愈合傷口以應(yīng)對(duì)復(fù)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(wú)能為力的,。電樹(shù)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(guò)早失效的主因,。設(shè)計(jì)運(yùn)行數(shù)十年的高壓電力電纜,，一旦出現(xiàn)電樹(shù)枝老化，在正常工況下往往不到一年就會(huì)“夭折”,。
電樹(shù)枝損傷與生物體中的“癌變組織”類(lèi)似：形成機(jī)理復(fù)雜,，診斷困難，一旦蔓延擴(kuò)散便會(huì)貫穿絕緣整體,，直至材料崩潰擊穿,。這種“生長(zhǎng)”在材料內(nèi)部的三維樹(shù)狀中空裂紋，孔尺寸在數(shù)微米的量級(jí)，而目前較為先進(jìn)的“本征自修復(fù)”（動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵）方法只能在損傷斷面直接接觸的情況下,，修復(fù)納米尺度甚至分子尺度的損傷,。此外，電樹(shù)老化通常伴隨氧化,、紫外輻射等現(xiàn)象,，使電樹(shù)通道表面動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵“失活”，從而喪失修復(fù)功能,。因此有學(xué)者嘗試采用傳統(tǒng)的“非本征自修復(fù)”方法,，預(yù)埋修復(fù)液微膠囊。但流體和催化劑等成分帶來(lái)了嚴(yán)重的“副作用”,，材料的電氣絕緣性能大幅下降,，而電樹(shù)修復(fù)和絕緣性能恢復(fù)也未能實(shí)現(xiàn)。因此,，長(zhǎng)期以來(lái)電樹(shù)老化都被認(rèn)為是固體材料中不可治愈的“絕癥”,。
針對(duì)這種普遍存在于絕緣材料中的“不治之癥”，清華大學(xué)電機(jī)系何金良教授團(tuán)隊(duì)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(yīng)，實(shí)現(xiàn)了熱塑性絕緣材料的電樹(shù)枝損傷修復(fù)和電氣絕緣性能恢復(fù),。這一研究成果于2018年12月31日發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）,。
“缺陷靶向磁熱”自愈療法的核心技術(shù)在于表面功能化超順磁納米顆粒的設(shè)計(jì)。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(huì)在振蕩磁場(chǎng)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(xì)胞一樣,，這些“維修工”會(huì)自動(dòng)搜尋并遷移至損傷區(qū)域，實(shí)現(xiàn)損傷組織的熔融重塑,。修復(fù)完成后,，局部聚集的“維修工”顆粒會(huì)在濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下趨于分散，為下一次損傷修復(fù)作準(zhǔn)備,。
為了最大限度地提高“維修工”顆粒的工作效率,，并在重復(fù)修復(fù)中保證其不喪失修復(fù)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(jī)修飾層構(gòu)成，并將顆粒的外尺寸擴(kuò)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?chē)酆衔镦湹臓顟B(tài)和構(gòu)象熵排斥作用,，同時(shí)也能相對(duì)較快地穿梭于分子鏈之間，輕裝上陣奔赴“搶修現(xiàn)場(chǎng)”,。此外,，“工作服”還能夠隔離無(wú)機(jī)顆粒之間的范德華作用力，避免修復(fù)過(guò)程中超順磁顆粒的直接接觸和永久“團(tuán)聚”,，為顆粒的再分散和重復(fù)修復(fù)功能提供保障,。
基于上述修復(fù)機(jī)制，該團(tuán)隊(duì)以聚烯烴電纜料為基材,，得到了一種可重復(fù)修復(fù)電樹(shù)損傷,，并恢復(fù)電氣絕緣性能的自修復(fù)絕緣材料。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬表明,，利用聚合物分子鏈對(duì)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(dòng)搜尋、聚集在缺陷區(qū)域,，并在振蕩磁場(chǎng)下作用下形成微米級(jí)的高溫區(qū),，局部溫差能夠達(dá)到30℃以上。此時(shí)損傷區(qū)域的局部高溫超過(guò)熔點(diǎn)10℃以上,，為裂紋修復(fù)提供充分的流動(dòng)性,，同時(shí)保證周?chē)牧蠝囟容^低。當(dāng)缺陷區(qū)域修復(fù)后,，損傷表面消失,，納米顆粒受到周?chē)酆衔锏臉?gòu)象熵排斥作用在各方向相同，趨于無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng),。計(jì)算機(jī)模擬表明,，表面修飾層能夠隔斷無(wú)機(jī)顆粒之間的強(qiáng)范德華引力，避免顆粒形成永久團(tuán)聚,。修復(fù)區(qū)域的超順磁顆粒在濃度梯度驅(qū)動(dòng)下趨于均勻分散,，為下一次損傷修復(fù)作準(zhǔn)備。
利用X射線顯微CT技術(shù)（micro-CT）的亞微米空間分辨能力和對(duì)材料密度的高靈敏性,，該團(tuán)隊(duì)對(duì)該自修復(fù)絕緣介質(zhì)中電樹(shù)枝損傷的修復(fù)過(guò)程進(jìn)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(fù)和擴(kuò)散行為,。根據(jù)micro-CT的密度分析和電樹(shù)通道區(qū)域的掃描透射顯微（STEM）表征,，在損傷修復(fù)之前，電樹(shù)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(fù)后的區(qū)域，材料密度和顆粒濃度基本恢復(fù),。通過(guò)掃描電鏡配合能譜分析（SEM-EDS）,，驗(yàn)證了電樹(shù)通道區(qū)域在修復(fù)過(guò)程中納米顆粒的遷移,、擴(kuò)散行為。
泄漏電流和局部放電測(cè)試表明,，該自修復(fù)方法能夠完全恢復(fù)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(fù)循環(huán)測(cè)試中,，自修復(fù)絕緣介質(zhì)能夠反復(fù)修復(fù)電樹(shù)枝損傷達(dá)20次以上,，且絕緣性能保持穩(wěn)定。通過(guò)再起樹(shù)（局部放電起始）電壓評(píng)估絕緣介質(zhì)的耐電樹(shù)性能,，結(jié)果表明自修復(fù)絕緣介質(zhì)在多次電樹(shù)修復(fù)后,，起樹(shù)電壓均能完全恢復(fù)到和純聚烯烴相同的水平。
“缺陷靶向磁熱”修復(fù)機(jī)制廣泛適用于各種熱塑性聚合物材料,。通過(guò)模仿生物體中成纖維細(xì)胞的遷移行為,，該機(jī)制在極低的顆粒含量（0.1%以下）便可以完成修復(fù)，因此能夠?qū)⒆孕迯?fù)絕緣介質(zhì)的電氣擊穿強(qiáng)度維持在基材的94%以上（如490 kV/mm）,，滿(mǎn)足特高壓輸電等電力能源領(lǐng)域的應(yīng)用需求,。此外，修復(fù)過(guò)程施加的振蕩磁場(chǎng)與電力電子器件,、電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電裝置等電氣設(shè)備工作條件下的高頻磁場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng),，因此該方法有望在這些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)絕緣介質(zhì)損傷的帶電自行修復(fù)和在線維護(hù)。
本文提出的自修復(fù)絕緣介質(zhì),，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了電樹(shù)枝損傷的修復(fù)和絕緣性能恢復(fù),，打破了電樹(shù)破壞不可修復(fù)的傳統(tǒng)認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)了電樹(shù)老化過(guò)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(shè)備的使用壽命和可靠性提供了全新的方法,。
論文作者簡(jiǎn)介：清華大學(xué)電機(jī)系楊洋博士生為本文的第一作者。清華大學(xué)電機(jī)系何金良教授,、李琦副教授,，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)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(xué)電機(jī)系高雷博士,、胡軍副教授,、曾嶸教授，美國(guó)斯坦福大學(xué)秦健助理教授,、王善祥教授,。該研究獲得國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃子課題2014CB239505，何金良）的資助,。
