西安交大电气学院科研团队在可修复高介电聚合物复合材料研究领域取得重要进展

高介电常数聚合物基复合材料因其高能量密度、易于加工和重量轻的特点，被广泛应用于介电储能和电场调控绝缘领域，在电气和电子行业发挥着重要作用。随着输变电设备电压等级的提升和电子电路愈加集成化，小型化的发展，高介电复合材料运行时所承受的电应力不断提升，发生电损伤破坏的概率大幅增加，严重影响其服役可靠性寿命。因此，构建具有优异绝缘性能和可修复性（尤其是电损伤可修复性）的高介电复合材料，对于提升设备可靠性，延长设备使用寿命、促进电气/电子工业的技术发展具有重要意义。

近年来，随着动态共价键技术的发展，可修复机械损伤的聚合物电介质材料已经成为现实。然而，关于高性能和可修复电损伤的高介电复合材料的相关研究仍鲜有报道。这主要是由于以下的技术瓶颈：（1）引入动态共价键可能导致材料性能下降，难以获得兼具高介电性能和可修复性的高介电复合材料；（2）不同于单一组分的热固性材料，高介电复合材料含有的较多填料限制了动态共价键的修复作用；（3）不同于机械损伤，电损伤往往破坏材料有机结构并生成残碳，其更难被传统的动态共价键交换修复。

针对以上问题，西安交通大学电气学院张冠军教授课题组提出了一种创新性的解决方案。由于动态二硫键在诸多动态共价键中具有反应条件温和、无需催化剂、多重响应性、易于获得等优点，以此为启发，团队设计并制备了一种含动态二硫键的环氧树脂基高介电复合材料，通过在环氧基体和钛酸钡填料表面共同引入动态二硫键结构，实现材料介电参数的改善和动态共价键修复能力的提升；引入硫醇洗脱手段去除表面闪络后的杂质，实现绝缘材料电损伤的有效修复。研究结果表明该材料具有优异的介电性能和耐热能力，介质损耗低于0.025（室温下，0.1Hz），击穿场强达到26kV/mm（50Hz AC，1mm样品），具有148°C的玻璃化转变温度。可修复特性方面，该材料可以在180°C下加热10分钟以修复机械划痕，并可以通过80°C下硫醇处理60分钟实现表面电损伤的修复。该研究成果为可修复高介电复合材料在电子和电气行业中的应用提供了新的解决方案。对高性能，长寿命高介电复合材料的实现提供了重要参考价值，具有很大的应用潜力和转化前景。

该研究成果以《环氧树脂基高介电复合类玻璃材料：具有低介电损耗、高击穿强度和表面电损伤可修复性》（Epoxy-based high-k composite vitrimer: With low dielectric loss, high breakdown strength and surface electrical damage repairability）为题，发表在化学工程领域顶级期刊《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal，IF = 15.1）。论文第一作者为西安交通大学电气学院博士生张宇程，通讯作者为西安交通大学李文栋助理教授和张冠军教授。该工作的第一完成单位为西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室。该工作受到陕西省重点研发计划，中国电科院双创孵化培育基金项目，中国博士后科学基金和国家自然科学基金等的资金支持。

张冠军教授领衔的西安交通大学电气工程学院“高压放电与等离子体团队”，现有教授4人、副教授/副研究员4人、助理教授3人、工程师2人、在读硕博研究生80余人。团队多年来专注高电压绝缘与放电等离子体领域，开展气、液、固与真空的复合绝缘放电特性、等离子体技术研究与工程应用，涉及电气工程与材料、航天、生物医学和农业等多个领域和学科交叉。目前，团队正在积极开展高性能、可修复、可回收的新型电介质材料的相关研究。包括（1）开发主动均化电场分布、耐电强度显著提升的介电功能梯度绝缘材料；（2）研究具有特殊微介观结构、真空沿面绝缘强度大幅提升的表面改性技术；（3）积极探索电工绝缘材料的低碳环保化解决方案等方面。相关成果发表于IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation、High Voltage、Composites Part B Engineering、AppliedSurfaceScience、Journal of Physics D Applied Physics等电气/材料/物理领域国际顶级刊物上，开展了介电功能梯度绝缘子用于10kV开关柜的国内外首次挂网试运行，并积极向脉冲功率、航空航天、功率半导体器件等重大/前沿领域进行上述新型绝缘材料与部件的应用拓展。

论文链接：http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2023.145199