面向智能电网建设的重大需求,探讨智能响应聚合物电介质材料的基础技术和应用前景,推动电气及电子设备的数字化和智能化发展。
导 读
随着现代社会对电力需求的不断增长,电力系统的稳定运行变得愈发关键。聚合物电介质被广泛用于电气及电子设备的绝缘材料,在预防电力故障方面扮演着不可或缺的角色。如何有效监测聚合物介电材料的老化并对其性能衰退进行及时预警,对降低关键设备的电气击穿风险和安全隐患具有重要意义。本文聚焦于智能聚合物电介质的设计策略,探讨其在自主感知和预警电老化方面的潜在技术路径,并展望了其在电气领域的广阔应用前景。新型聚合物电介质材料的变革性发展,将为电气及电子设备的智能化与安全运维带来重要突破。
图1 图文摘要
在自然界中,动物可通过改变体内分子或微观结构来适应环境变化,以达到警示危险、求偶、防护等目的。例如,变色龙会改变其皮肤颜色以适应环境来保护自身(图1A)。受此启发,科学家们致力于探索和设计智能化材料,这些材料可以在外部刺激或特定环境下触发颜色或其它形式的变化,从而模仿生物体的智能响应功能。本文介绍了一种近期报道的嵌入分子指示剂的新型智能聚合物电介质材料,如图1A所示。在高电压作用下,热电子连续轰击会导致聚合物共价链断裂产生电老化,该过程伴随高活性氧自由基的形成,进而引发分子指示剂发生显色反应,使得聚合物电介质能够自主的将电老化过程转变为易被人眼直观识别的颜色变化,从而达到自预警效果。这项技术的实施将保障电介质材料和各类电气及电子设备的可靠运行,从而提升电力系统的稳定性。
因此,具有优异绝缘性能和自主响应能力的智能聚合物电介质材料有望在各类电气设备、移动电子产品、交通运输、航空航天系统等多个领域发挥重要作用,如图1B所示。智能聚合物电介质能够及时自主指示电老化,提前预警电气击穿风险,在提升电气设备及系统的可靠性、安全性和稳定性方面具有较大潜力,同时还能有效降低维护成本并减少停机时间。在电力系统中,如太阳能电池板、风力发电装置、变压器、输配电线路等,智能聚合物电介质的使用能够有效预防局部停电和故障的发生。对于交通运输系统,如高铁和船舶,这类材料的使用可以有效降低因电老化或电气击穿等造成的重大经济损失。简之,发展与应用智能聚合物电介质材料,可以促进电气电子设备与系统的实时监控和自发预警,及时检测电介质故障和电场异常,并提供精准的问题识别和智能诊断方法。
智能聚合物电介质在复杂环境的应用方面也具有较大潜力,即使材料被隐藏在电气设备内部,无法直接利用视觉观察颜色变化,但仍可以通过其它直观信号(如形变、声音、温度、气味等)来实现对电老化的自主响应与自诊断(图1B)。如部分智能化聚合物电介质材料,在电老化过程中释放特定气味可以使人们通过嗅觉感知潜在的问题。同时,结合多样化的刺激信号,包括光、电、磁、力、热、湿度和气体等,也可以实现辅助预警功能,用于早期监测电介质材料的电老化,从而降低故障和失效风险。例如,在极端电磁辐射和温度波动环境下工作的航空雷达天线罩,可以同时通过多样化刺激信号与直观监测信号监控电介质材料老化状态,及时预警潜在风险。此外,将智能聚合物电介质材料的设计应用与人工智能技术相结合,有望为电气领域的原始创新和技术变革注入新活力,从而加速绿色、高效、节能、智慧型能源物联网世界的发展演变。
总结与展望
设计智能响应聚合物电介质通过颜色变化自主指示电老化,对于评估聚合物电介质及相关电气电子设备的运行状况极具前景。然而,自主显色预警电老化的方法在实际应用中仍然面临诸多挑战:在极端环境(如高海拔、强辐射)的适应能力不足;显色反应依赖于阳光反射,在黑暗环境中无法实现人眼直接观测;固态材料响应速度较慢,影响预警信号的快速传递。为解决这些问题,未来可以尝试开发基于荧光或磷光指示机制的智能聚合物电介质,使之在昏暗环境中也能直接观察。发展具有特定微/纳米结构的智能分子,有助于提高自主响应的速度。同时,利用智能聚合物电介质的自感知、自适应、自修复等功能,可以在材料出现预警信号后启动自主修复,增强系统的安全性和工作效率。此外,可以利用人工智能技术的强大分析工具,深度学习并预测电老化趋势,执行智能诊断和修复任务,推动未来电气电子设备与系统的创新转型。
责任编辑
欧阳稳根 武汉大学
张一波 中国科学院赣江创新研究院
本文内容来自Cell Press 合作期刊 The Innovation 第六卷第二期发表的Commentary文章“Smart polymer dielectrics enabling autonomous indication in response to electrical degradation” (投稿: 2024-07-25;接收: 2024-11-14;在线刊出: 2024-11-16)。
DOI:10.1016/j.xinn.2024.100736
引用格式:Liu Y., Zhu T., Yin M.-J., et al. (2025). Smart polymer dielectrics enabling autonomous indication in response to electrical degradation. The Innovation 6: 100736.
作者简介
尹志刚 重庆大学电气学院/输变电装备技术全国重点实验室教授、博士生导师。从事光电薄膜器件、柔性电子及感存算技术、新型电工材料与设备智能化的研究,主持装发预研基金、国家自然科学基金、福建省杰出青年科学基金等项目13项,在The Innovation、Adv. Energy Mater.、Adv. Sci.、Adv. Funct. Mater.等期刊发表论著60余篇。获国际先进材料协会科学家奖章、福建省自然科学奖。担任The Innovation Materials、Materials Today Electronics、Chip和《中国激光》等期刊学术编辑、编委或青年编委,以及中国工业合作协会新材料与能源应用专委会理事。
殷明杰 北京工业大学校聘教授、博士生导师。主要从事高分子功能膜制备及其在分离传感等方面的应用研究,至今在The Innovation、Nat. Nanotechnol.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文70余篇,出版英文专著1部,授权国家发明专利5项,主持国家自然科学基金面上项目2项,参与科技部青年科学家项目。获中国石油和化学工业联合会科技进步奖一等奖。兼任北京膜学会理事及中国膜工业协会医药生物用膜技术专业委员会委员。
李 剑 重庆大学教授、博士生导师。长期从事输变电设备智能化与电工绝缘新材料研究,主持国家级重大重点科研项目6项,获国家科学技术奖二等奖2项,发表学术论文100余篇,授权国家发明专利30余项。担任中国电工技术学会理事、电工产品环境技术专委会副主任。
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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊:向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现,鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球59个国家;已被151个国家作者引用;每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员,来自22个国家;50%编委来自海外(含39位各国院士);领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ,ADS,Scopus,PubMed,ESCI,INSPEC,EI,中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2,2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章,多宣传”理念,The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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