清華大學Nature Materials：老化自動預警的智能材料

電介質聚合物被用作電子設備和電氣系統中的電絕緣材料從而得到普遍應用。電介質聚合物的電降解往往會導致許多設備和系統的災難性故障，因此其老化檢測和預警具有極大的意義，但目前仍然具有挑戰性。清華大學電機系何金良教授、李琦副教授等人報告了一種通用的材料策略，該策略通過以自主產生肉眼可辨識的顏色示警信號來指示電介質聚合物的老化。這種顏色變化是由與聚合物混合的分子指示劑的生色反應引起的，該指示劑在聚合物電降解過程中由現場產生的氧自由基化學活化。研究發現電介質聚合物的結構降解和電性能與色差定量相關。這種變色過程是自主的，不需要人為干預或其他外部能量，從而為降低甚至消除電介質故障的風險提供了便利。相關成果以“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）。電機系2021級博士生黃曉巖和博士畢業生張帥為該論文共同第一作者，李琦副教授和何金良教授為該論文通訊作者，其他合作者還包括清華大學電機系胡軍教授。

據清華新聞網報道，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隨產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產生肉眼可辨識的顏色示警信號。該方法只需添加0.1%質量分數的分子指示劑即可產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復雜的電老化產物中識別并確定了指示劑受激變色后的化學結構，進而嚴格論證了電老化產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后的顏色差異進行量化，利用紅外光譜表征材料的結構降解程度，利用泄漏電流和局部放電評估材料的性能損失，證明了顏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顏色變化的關聯關系

這種自診斷方法適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，以及內絕緣電樹老化，還適用于各種聚合物基體，包括無定形聚合物（如硅橡膠）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，該方法作為一種普適性的方法，可廣泛用于各種電氣裝備及電子系統的絕緣監測。

智能響應絕緣材料內部電樹老化的可視化自診斷

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01725-8

本文參考來源：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/108066.htm