清华大学Nature Materials：老化自动预警的智能材料

电介质聚合物被用作电子设备和电气系统中的电绝缘材料从而得到普遍应用。电介质聚合物的电降解往往会导致许多设备和系统的灾难性故障，因此其老化检测和预警具有极大的意义，但目前仍然具有挑战性。清华大学电机系何金良教授、李琦副教授等人报告了一种通用的材料策略，该策略通过以自主产生肉眼可辨识的颜色示警信号来指示电介质聚合物的老化。这种颜色变化是由与聚合物混合的分子指示剂的生色反应引起的，该指示剂在聚合物电降解过程中由现场产生的氧自由基化学活化。研究发现电介质聚合物的结构降解和电性能与色差定量相关。这种变色过程是自主的，不需要人为干预或其他外部能量，从而为降低甚至消除电介质故障的风险提供了便利。相关成果以“聚合物电老化的自发指示”（Autonomous indication of electrical degradation in polymers）为题发表于国际学术期刊《自然·材料》（Nature Materials）。电机系2021级博士生黄晓岩和博士毕业生张帅为该论文共同第一作者，李琦副教授和何金良教授为该论文通讯作者，其他合作者还包括清华大学电机系胡军教授。

据清华新闻网报道，为突破传统方法的技术瓶颈，课题组受生物体痛觉感知过程的启发，巧妙地利用聚合物电老化过程中伴随产生的高化学活性的氧自由基，诱导分子指示剂发生显色反应，使聚合物电介质能够自发地产生肉眼可辨识的颜色示警信号。该方法只需添加0.1%质量分数的分子指示剂即可产生显著的电老化显色变化，对材料本身的绝缘性能不造成影响。

为了证明上述方法能够有效地应用于介电聚合物的电老化示警，课题组从自诊断聚合物复杂的电老化产物中识别并确定了指示剂受激变色后的化学结构，进而严格论证了电老化产生的氧自由基原位诱导指示剂变色的自诊断机理。课题组利用色差评价公式对变色前后的颜色差异进行量化，利用红外光谱表征材料的结构降解程度，利用泄漏电流和局部放电评估材料的性能损失，证明了颜色改变与电老化程度之间的定量关联关系。

分子指示剂（螺恶嗪）受激变色机理

智能响应绝缘材料表面电气降解与颜色变化的关联关系

这种自诊断方法适用于不同形式的电老化，包括由电晕放电或沿面闪络引发的外绝缘表面老化，以及内绝缘电树老化，还适用于各种聚合物基体，包括无定形聚合物（如硅橡胶）和半结晶聚合物（如聚丙烯），热固性聚合物（如环氧树脂）和热塑性聚合物（如聚碳酸酯），以及各种不同玻璃化转变温度的聚合物。因此，该方法作为一种普适性的方法，可广泛用于各种电气装备及电子系统的绝缘监测。

智能响应绝缘材料内部电树老化的可视化自诊断

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

本文参考来源：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/108066.htm