近年來,隨著動態共價鍵技術的發展,可修復機械損傷的聚合物電介質材料已經成為現實。然而,關于高性能和可修復電損傷的高介電復合材料的相關研究仍鮮有報道。這主要是由于以下的技術瓶頸:(1)引入動態共價鍵可能導致材料性能下降,難以獲得兼具高介電性能和可修復性的高介電復合材料;(2)不同于單一組分的熱固性材料,高介電復合材料含有的較多填料限制了動態共價鍵的修復作用;(3)不同于機械損傷,電損傷往往破壞材料有機結構并生成殘碳,其更難被傳統的動態共價鍵交換修復。
針對以上問題,西安交通大學電氣學院張冠軍教授課題組提出了一種創新性的解決方案。由于動態二硫鍵在諸多動態共價鍵中具有反應條件溫和、無需催化劑、多重響應性、易于獲得等優點,以此為啟發,團隊設計并制備了一種含動態二硫鍵的環氧樹脂基高介電復合材料,通過在環氧基體和鈦酸鋇填料表面共同引入動態二硫鍵結構,實現材料介電參數的改善和動態共價鍵修復能力的提升;引入硫醇洗脫手段去除表面閃絡后的雜質,實現絕緣材料電損傷的有效修復。研究結果表明該材料具有優異的介電性能和耐熱能力,介質損耗低于0.025(室溫下,0.1Hz),擊穿場強達到26kV/mm(50Hz AC,1mm樣品),具有148°C的玻璃化轉變溫度。可修復特性方面,該材料可以在180°C下加熱10分鐘以修復機械劃痕,并可以通過80°C下硫醇處理60分鐘實現表面電損傷的修復。該研究成果為可修復高介電復合材料在電子和電氣行業中的應用提供了新的解決方案。對高性能,長壽命高介電復合材料的實現提供了重要參考價值,具有很大的應用潛力和轉化前景。
該研究成果以《環氧樹脂基高介電復合類玻璃材料:具有低介電損耗、高擊穿強度和表面電損傷可修復性》(Epoxy-based high-k composite vitrimer: With low dielectric loss, high breakdown strength and surface electrical damage repairability)為題,發表在化學工程領域頂級期刊《化學工程雜志》(Chemical Engineering Journal,IF = 15.1)。論文第一作者為西安交通大學電氣學院博士生張宇程,通訊作者為西安交通大學李文棟助理教授和張冠軍教授。該工作的第一完成單位為西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室。該工作受到陜西省重點研發計劃,中國電科院雙創孵化培育基金項目,中國博士后科學基金和國家自然科學基金等的資金支持。
張冠軍教授領銜的西安交通大學電氣工程學院“高壓放電與等離子體團隊”,現有教授4人、副教授/副研究員4人、助理教授3人、工程師2人、在讀碩博研究生80余人。團隊多年來專注高電壓絕緣與放電等離子體領域,開展氣、液、固與真空的復合絕緣放電特性、等離子體技術研究與工程應用,涉及電氣工程與材料、航天、生物醫學和農業等多個領域和學科交叉。
目前,團隊正在積極開展高性能、可修復、可回收的新型電介質材料的相關研究。包括(1)開發主動均化電場分布、耐電強度顯著提升的介電功能梯度絕緣材料;(2)研究具有特殊微介觀結構、真空沿面絕緣強度大幅提升的表面改性技術;(3)積極探索電工絕緣材料的低碳環保化解決方案等方面。相關成果發表于IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation、High Voltage、Composites Part B Engineering、AppliedSurfaceScience、Journal of Physics D Applied Physics等電氣/材料/物理領域國際頂級刊物上,開展了介電功能梯度絕緣子用于10kV開關柜的國內外首次掛網試運行,并積極向脈沖功率、航空航天、功率半導體器件等重大/前沿領域進行上述新型絕緣材料與部件的應用拓展。
論文鏈接:http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2023.145199
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