西安交大电工材料电气绝缘全国重点实验室李建英教授课题组等研发出新型动态交联聚烯烃电缆绝缘材料

全球范围内正经历由化石能源向可再生能源为主体的重大转型。高压直流（HVDC）电缆是高效可靠地长距离输送电能的重要载体，尤其在大规模海上可再生能源并网中发挥着不可替代的作用。电缆绝缘主要采用交联聚乙烯（XLPE），电缆挤出过程中过氧化交联副产物引发的空间电荷积累和电场畸变，容易导致绝缘老化与击穿。

同时，XLPE不可回收的缺陷限制了其可持续发展。而热塑性材料虽然避免了副产物问题，但其热机械性能不足，在短路等极端运行条件下可能发生偏心故障等。无论是热固型绝缘还是热塑性绝缘均难以兼顾电气性能、热机械性能和可回收性，成为高性能电缆发展的瓶颈问题。

图1 实验设计示意图。热塑性绝缘热机械稳定性较差，易发生蠕变，从而引发电缆偏心等缺陷；交联聚乙烯（XLPE）则存在难以回收与再加工的问题。而动态交联聚乙烯（DTPE）电缆绝缘兼具热塑性与热固性绝缘材料的优势。

针对这一问题，西安交通大学电气学院、电工材料电气绝缘全国重点实验室李建英教授课题组联合中国电力科学研究院、陕西电科院、清华大学、北京怀柔实验室等单位，提出了一种新型动态交联聚乙烯（DTPE）方案。该材料通过引入动态硫酯键构建可交换共价网络，兼具热塑性加工性与热固性服役稳定性，在介电性能、热机械性能及可回收性方面实现了突破性的平衡（实验设计示意图如图1）。

研究结果表明DTPE绝缘具有：

1. 显著抑制空间电荷：在90℃下，DTPE的空间电荷累计量比XLPE减少94.9%，最大电场畸变率下降84%；

2. 保持高绝缘性：室温直流击穿强度达366.3 kV/mm，体积电阻率超过3.7×1017

Ω·cm，在高温条件下依旧保持领先性能；

3. 优异热机械稳定性：90℃下蠕变应变低于25%，恢复率高达90%，与商用XLPE相当甚至更优；

4. 绿色可循环再利用：材料可多次热压再加工，性能保持率超过94%，并可通3D打印延长服役寿命。

图2 动态交联聚乙烯（DTPE）的分子设计、结构调控与性能突破：空间电荷抑制、电气性能提升、蠕变性能改善及再加工/3D打印展示。（a）DTPE合成反应式；（b）30oC和（b）90℃空间电荷积累量和电厂畸变率对比；（d）体积电阻率；（e）直流击穿场强；（f）样品90℃下蠕变应变曲线；（g）蠕变应变εc和不可逆蠕变变形εf；（h）DTPE的回收过程和3D打印过程。

该研究成果以“Dynamical cross-linked polyethylene vitrimers: An alternative approach to high-performance high-voltage cable insulation”为题，发表在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上。论文第一单位为西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室，西安交通大学博士生张卓琳、武康宁副教授为共同第一作者，西安交通大学武康宁副教授、清华大学党智敏教授、西安交通大学李建英教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金和电工材料电气绝缘全国重点实验室的资助。

作者团队为先进电工材料研究中心，是一支以电气绝缘专业为基础，融合材料、化学、物理等多学科的教学科研团队，致力于研发包括纳米电介质材料、极端环境绝缘材料、环保型高性能功能材料等在内应用于电工领域的新型先进电工材料。面向国民经济主战场，围绕重大科学问题和关键核心技术，开展包括超/特高压电力设备绝缘、极端条件下绝缘、先进电工材料基础和相关学科交叉研究等在内的多元研究。

内容来源：西安交大（电工材料电气绝缘全国重点实验室）网站

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