清华大学、宁夏大学、西安交大三校合作Nature系列综述：高电压应用中的聚合物绝缘材料特性

近日，宁夏大学化学化工学学院冒杰副教授、西安交通大学电气工程学院张博雅副教授、清华大学电机系张贵新教授和党智敏教授联合在《Nature Reviews Electrical Engineering》发表题为Polymeric insulating materials characteristics for high-voltage applications的综述文章，总结了高压环境下聚合物绝缘材料的失效机理及相应的性能提升策略，展望了高性能聚合物绝缘材料的未来发展方向，是该期刊出版的首篇高压绝缘领域的文章。论文第一作者为清华大学电机系已毕业博士生王天宇。

[背景]

大规模电能传输是电气化广泛应用的基础，高压输电是实现大规模电能传输的首要技术手段。高压输电在社会发展中发挥的关键作用也促进了其迅速的技术进步。自1880年代以来，输电电压等级从10 kV逐渐提升到超过1000 kV。高压技术在脉冲电力设备、可控核聚变、先进的分析表征设备、粒子加速器以及医疗诊断和治疗设备中发挥着重要作用。在高电压技术中，绝缘问题是最突出挑战。如果没有可靠的绝缘那么高压输电则无从谈起。在众多绝缘材料中，聚合物由于其优越的绝缘性能、耐腐蚀性、化学稳定性、易加工性和成本效益，因而在高压电气设备中广泛的作为绝缘框架的核心。然而，随着电力系统电压水平的不断提高以及电气和电子设备向更高集成化和功率水平的发展，对聚合物绝缘材料的要求也在不断增加。在聚合物绝缘材料的体相或表面可能会发生击穿或闪络现象。这些现象可能导致绝缘失效，引起电气短路和设备损坏，造成显著的经济损失，甚至威胁生命安全。对于较小的电气设备，尽管电压较低，但由于距离较短，电场强度较高，因此较小电气设备中的聚合物绝缘材料也面临绝缘失效的风险。因此，聚合物绝缘性能的不足是制约高压技术进一步发展的瓶颈问题，也是威胁高压设备安全稳定运行的关键因素。此外，高压设备的运行环境变得日益复杂，聚合物必须在极端温度、强辐射和高度腐蚀性条件下保持其绝缘强度。

图1.聚合物绝缘材料在高压输电中的应用

[体相击穿、沿面闪络和极端环境]

本文首先介绍了聚合物绝缘材料体相击穿的机理，指出提升击穿强度的主要思路为抑制自由电子的动能并防止电子雪崩的发生，以此为基础分别从分子设计、降低自由体积、陷阱调控和阻挡电击穿发展几个角度分别介绍了在微观宏观尺度上提升体相击穿强度的方案。然后，本文介绍了沿面闪络，由于在不同应用场景下沿面闪络的主要诱因不同，因此本文分别通过介绍表面电荷积聚、表面污染和二次电子发射，介绍了在内绝缘、外绝缘和真空环境下聚合物绝缘材料沿面闪络发生的主要诱因以及相应的提升策略。此外，本文还介绍了聚合物绝缘材料如何更好地适应各种极端环境，例如高温环境、极端低温、强辐射环境和强腐蚀环境。

图2 提升聚合物绝缘材料击穿强度的策略

图3 聚合物绝缘材料沿面闪络的诱发因素及提升策略

[挑战与展望]

随着高压电气设备的快速发展，关于聚合物绝缘材料的绝缘性能的研究已经取得了显著进展。然而，仍有重要的挑战需要面对。例如，在科学研究角度，绝缘材料击穿和闪络的影响因素众多，因此目前多数结论仍然是定性的，并且现在常用的一些分析模型如陷阱模型等仍存在与实际物理过程不一致的问题。此外，目前没有统一的测量标准，导致文献之间的击穿和闪络数值难以比较。最后，本文认为定制化新聚合物绝缘材料、智能材料是未来的发展方向，这需要多学科交叉和合作。

[作者简介]

王天宇，2024年于清华大学获得工学博士学位，导师张贵新教授，博士期间研究方向为高电压绝缘技术。相关研究成果发表于Nano Letters、Nano Energy等学术期刊，曾获IEEE DEIS Graduate Fellowship，清华大学特等奖学金（研究生）候选并终获蒋南翔奖学金，清华大学电机系学术新秀，国家奖学金，北京市优秀毕业生等荣誉或奖励。现为加州大学洛杉矶分校博士后研究员，主要从事电池方面的研究。

冒杰，宁夏大学化学化工学院副教授，中国复合材料学会介电高分子复合材料与应用专委会委员，曾入选宁夏青年科技托举人才，中科院西部青年学者，主要从事功能介电高分子材料结构与性能的基础及应用研究，在高性能介电弹性体材料及其驱动器制造和应用、聚合物储能电介质材料等方面做出了一系列创新性研究工作，已在Nature，Advanced Functional Materials, ACS Materials Letters, Materials Horizons等高水平学术期刊中发表SCI论文20余篇，总引用2000余次。

张博雅，西安交通大学电气工程学院副教授，博士生导师。主要从事新型环保SF6替代气体、高电压与大电流、大功率电力电子器件绝缘与可靠性方面的研究，承担国家自然科学基金青年项目、国家核电专项、南网等企业合作课题多项。在包括Advanced Materials等高水平学术期刊中发表论文多篇，总引用2000余次，H指数30。

张贵新，清华大学电机系教授，博士生导师。主要研究方向为高电压绝缘、微波等离子体、光电测量和电子式互感器技术。发表超过200篇学术论文并授权60多项专利，出版2部专著，并获得了10多项科学和人才奖项。领导并完成了30多项研究项目，包括国家自然科学基金、“863”、“973”、IAEA、EDB、NSTB及校企合作等项目。

党智敏，清华大学电机系教授，博士生导师。研究方向集中在先进能源电气材料和器件领域，特别是储能聚合物电介质。已发表期刊论文300余篇，被引次数超过14000次。作为主编或联合主编出版科学专著7部。担任国内外多个刊物的编委，作为发起人建立了国际刊物IET Nanodielectrics并担任主编。

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参考文献：

T. Y. Wang, J. Mao, B. Zhang, G. X. Zhang, Z. M. Dang. Polymeric insulating materials characteristics for high-voltage applications. Nat. Rev. Electr. Eng., 2024
https://doi.org/10.1038/s44287-024-00070-5

论文链接：
https://www.nature.com/articles/s44287-024-00070-5

来源：高分子科学前沿

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