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基于自由基反应的电老化自诊断聚合物电介质材料研究
Research on electrical-degradation-indicating dielectric polymers based on free-radical reactions
作 者：黄晓岩
指导教师：李琦
培养院系：电机工程与应用电子技术系
学 科：电气工程
读博感言：不以物喜，不以己悲。
聚合物电介质在严苛工况下持续运行时极易发生电老化，如果不能及时发现并干预，将导致关键设备电气击穿从而造成巨大经济损失。然而，电老化通常起始于微小区域，初期并不会引起材料整体电气性能的显著变化，因此极难被发现。基于观察和测量设备外特性的传统电老化监测方法，需要大量的人力、算力、时间和设备成本，但仍然存在通用性差、操作困难、易受环境因素干扰等问题，不能完全满足实际需求。本论文所研究的电老化自诊断技术可以有效探测并指示绝缘缺陷，为电力装备的绝缘监测与诊断提供了全新的方法。这对于发展能够进行全生命周期自主控制的智能电介质材料，以及更强健、更耐久、更环保的先进电力装备和新型电力系统具有重要意义。
利用聚合物电老化过程中伴随产生的大量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将自身电老化转变为可以被人眼或光学监测设备（例如无人机等）有效识别的直观颜色示警信号，而不需要精密的传感设备或复杂的数据后处理过程。证明了聚合物电老化产生的氧自由基引发指示剂变色的自诊断机理，建立了颜色改变程度与材料的电老化程度之间的定量关系，研制了具有自诊断功能的复合绝缘子，证明了自诊断技术在实际工程应用中具有良好的可靠性。
电老化自诊断聚合物电介质材料设计原理
材料颜色改变与电气降解的定量关系
1、提出了利用氧自由基诱导指示剂变色的绝缘材料电老化诊断方法，揭示了聚合物电老化产生的氧自由基原位诱导自由基指示剂发生颜色改变的自诊断机理。
2、实现了多种电老化形式下不同聚合物的显色可视化诊断，建立了颜色改变程度与材料降解以及与电气性能损失的定量关系。
3、研制了满足工业应用要求的电老化自诊断高温硫化硅橡胶材料以及复合绝缘子，验证了自诊断方法在不同环境条件下具有良好的稳定性和可靠性。
[1] Huang X, Zhang S, Zhang P, et al. Autonomous indication of electrical degradation in polymers[J]. Nature Materials, 2024, 23: 237-243.
[2] Huang X, Han L, Yang X, et al. Smart dielectric materials for next-generation electrical insulation[J]. iEnergy, 2022, 1(1): 19-49.
[3] 李琦, 何金良, 黄晓岩, 等. 一种电老化自诊断绝缘材料及其制备方法: 中国, 202311344585.4[P]. 2024-01-05.
何为优博微展？
优博微展是清华大学应届优秀博士毕业生论文精华的呈现，由清华大学研究生院联合各院系收集并发布，旨在对我校博士研究生的阶段性学术成果和在校时期科研成绩进行简要、集中展示。
作者、图片：黄晓岩
组稿、校阅：楚若冰
统筹：研究生院培养办
编辑与设计：研究生院综合办
