多重响应微胶囊的构筑方法及其对电/水树枝损伤的修复特性研究

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环氧树脂(EP)、聚丙烯、聚乙烯等聚合物材料作为电气装备与电子器件的核心绝缘材料,广泛应用于电气、电子、军工、航空等领域。然而,在长期服役过程中,其不可避免地承受机械应力、强电场、极端湿度、温度以及化学腐蚀的作用,导致局部裂纹、电树枝和水树枝损伤,引起绝缘材料的电气和机械性能大幅下降,甚至诱发电子设备和电气设备提前失效。自修复技术是实现损伤抑制和修复的有效途径,但受制于修复范围有限、修复效率低下和易引起基体性能下降等因素,其在绝缘材料领域的应用仍面临诸多挑战。本文以紫外光-水-磁场三重响应微胶囊自修复系统为基础,利用靶向迁移技术构筑紫外光-水-磁场三重响应微胶囊/环氧树脂复合绝缘材料。自修复系统在易损伤部位形成了梯度分布的微胶囊区域,实现了复合材料对机械裂痕、电树枝损伤和水树枝损伤的靶向自修复。本文的主要工作如下:(1)构筑了具有靶向移动功能的Fe3O4@Si O2纳米颗粒和自修复微胶囊并分析了其理化性能。通过溶剂热法与界面聚合法制备磁性纳米颗粒和紫外光-水-磁场三重响应自修复微胶囊,合成了包含Fe3O4@Si O2纳米颗粒和Ti O2@Si O2纳米颗粒的聚氨酯壳层。试验获得了磁性纳米颗粒的微观特性、物性参数、热学特性与紫外光屏蔽特性。结果表明:所制备的Fe3O4@Si O2纳米颗粒分散性良好,具有优良的磁化性能和较高的体积电阻率;所制备的微胶囊平均粒径为87.6μm,粒径呈现正态分布,芯材含量高达80%,且具有较高的热稳定性和优良的紫外屏蔽性能,满足制备长期稳定的靶向自修复复合绝缘材料的需要。(2)制备了紫外光-水-磁场三重响应自修复微胶囊/环氧树脂复合绝缘材料并试验获得了复合材料的本征性能。通过高温固化法制备了复合绝缘材料,测试了其介电特性、交流击穿特性和力学性能,并分析了微胶囊掺杂对材料电气与力学性能的影响规律与机制。探究了互穿聚合物网络结构对复合材料的本征性能的正协同作用。结果表明,当掺杂浓度小于2.5 wt%时,复合材料介电特性良好,在50 Hz测量频率下,相对介电常数小于4.5;微胶囊修复体系的引入,一定程度上提升了复合材料绝缘性能与力学性能。本征性能在掺杂浓度为2.5 wt%时达到最高点,此时材料的交流击穿场强与拉伸强度相较纯环氧树脂材料分别提升7%和40%。(3)表征了自修复复合绝缘材料对机械损伤和内部电损伤的修复效果并探究了自修复微胶囊对紫外光-水-磁场三重激励的响应机制。搭建了机械损伤自修复试验平台和电树枝/水树枝损伤自修复试验平台,研究了电树枝与水树枝的发展规律,并对机械裂痕、电树枝损伤和水树枝损伤的修复效果进行表征,进一步分析了紫外光触发自修复和水分触发自修复的理化机制。结果表明,通过磁控靶向引导可驱动紫外光-水-磁场三重响应自修复微胶囊在基体易损伤部位呈靶向梯度分布,从而显著提高易损伤区域微胶囊的浓度和修复效率。复合材料可以在紫外光和水分两种触发方式下实现修复剂的固化以及对三种损伤的高效率无接触自修复(修复效率大于90%)。同时,微胶囊的引入对环氧基材电树枝和水树枝起始电压无明显影响,损伤修复后复合材料绝缘强度恢复到未损伤时的97.1%。
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