南京工业大学方志教授课题组 CEJ：用于受损聚合物复合材料表面裂纹愈合与绝缘性能恢复的等离子体修复技术

2022-07-10 来源：高分子科技

广泛用于电力系统的聚合物复合材料不可避免地会因环境应力而老化，材料表面会出现硬化、粉化、甚至宏观裂纹。这些损伤不但会影响材料的力学与抗污特性，还会改变材料表面沿气-固界面的电场线分布而导致电力系统故障。室温硫化硅橡胶(RTV)等常规物理涂覆方法仅能实现表面裂纹覆盖，“治标不治本”；同时，大量使用可能伴随副产物的产生与释放，对环境造成污染。

近日，南京工业大学方志教授课题组在《Chemical Engineering Journal》期刊上发表了题为“Plasma-electrified repair of damaged polymer composites for surface crack healing and insulation recovery”的文章（DOI: 10.1016/j.cej.2022.137754）。这篇文章给出了一种基于Ar/H₂O/PMDMS低温等离子体射流的材料表面裂纹修复方法，用于受损硅橡胶(SIR)复合材料表面裂纹修复与绝缘性能恢复；评价了等离子体修复对裂纹形貌、机械强度和电学性能的影响；提出了等离子体修复过程中裂纹愈合的多相反应路径，分析了等离子体修复材料表面裂纹并提高其绝缘性能的机理。

等离子体射流处理后，大量的活性基团(OH, COOH)被引入SIR表面，形成了新的硅氧烷分子结构(Si-O_3~4)。SIR表面裂纹消失，裂纹气隙被“鱼鳍”状修复层取代，且修复具有一定的深度。等离子体方法能够通过构建修复层使一定深度的裂纹愈合，验证了等离子体修复裂纹的可行性。

图1 等离子体处理前后SIR表面C1s, O1s和 Si2p的XPS谱线

图2 宏观与微观尺度下的裂纹愈合过程:(a) 原始裂纹，(b) 修复1 min， (c) 修复6 min， (d) 修复10 min (e) 原始裂缝，(f) 修复1 min， (g) 修复6 min， (h) 修复10 min

无论是水平裂纹还是竖直裂纹，等离子体修复均可提升材料的机械强度。在等离子体修复后，受损SIR机械强度得到提升，如最大拉伸强度增加了47%，且修复效果明显优于常规涂覆方法。

图3 等离子体修复前后SIR的机械强度

材料表面裂纹的引入会降低SIR电气性能，而经等离子体修复后其闪络电压由8.48 kV提升至9.31 kV；且与常规涂覆方法相比，经等离子体修复后SIR表面电气性能保持更好的稳定性(β = 41.93)。

图4 等离子体修复前后SIR的闪络电压

等离子体驱动的PMDMS水解缩聚形成硅氧烷多聚体，同时SIR表面活化产生氧基团，使硅氧烷多聚体在裂纹界面接枝沉积，在交联聚合作用下硅氧烷多聚体形成了致密的修复相，并与SIR形成牢固化学键，增强了分子稳定性，从而改善了受损SIR的机械性能。

图5 等离子体裂纹修复的多相化学反应路径

通过空间电荷仿真与量子化学计算，发现等离子体修复后材料表面电场均化，同时等离子体处理形成的修复相具有宽禁带、浅陷阱等特征，促进了电荷的脱陷与迁移，从而降低了局部电场集中，使闪络电压得到提升，改善受损SIR的电气绝缘性能。

图6量子化学计算: (a)分子模拟结构；(b)能级分布；(c)电子云与陷阱限制的电荷迁移。

本文的第一作者为南京工业大学讲师祝曦，通讯作者为方志教授和周仁武教授。南京工业大学方志教授课题组近年开展了高活性等离子体源开发、放电等离子体诊断、低温等离子体材料表面改性、环境治理及能源转化等具有前沿性和创新性的基础科学及应用技术研究。近年来，团队在等离子体诊断、等离子体材料改性、等离子体能源环保等领域承担了多项国家自然科学基金重点项目、面上项目和青年项目、江苏省重点研发计划产业前瞻项目、江苏省自然科学基金青年项目等，获批江苏省六大人才高峰创新人才团队项目。在推进等离子体技术产业化方面，研究团队也有较大进展，团队承担多个课题方向的企业横向研发项目，包括生物医学等离子体源装置应用、现代农业等离子体源装置应用以及工业化脉冲功率电源设备等。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722032417

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（责任编辑：xu）

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