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南京工業(yè)大學(xué)方志教授課題組 CEJ：用于受損聚合物復(fù)合材料表面裂紋愈合與絕緣性能恢復(fù)的等離子體修復(fù)技術(shù)
2022-07-10  來源：高分子科技

  廣泛用于電力系統(tǒng)的聚合物復(fù)合材料不可避免地會(huì)因環(huán)境應(yīng)力而老化，材料表面會(huì)出現(xiàn)硬化、粉化、甚至宏觀裂紋。這些損傷不但會(huì)影響材料的力學(xué)與抗污特性，還會(huì)改變材料表面沿氣-固界面的電場線分布而導(dǎo)致電力系統(tǒng)故障。室溫硫化硅橡膠(RTV)等常規(guī)物理涂覆方法僅能實(shí)現(xiàn)表面裂紋覆蓋，“治標(biāo)不治本”；同時(shí)，大量使用可能伴隨副產(chǎn)物的產(chǎn)生與釋放，對環(huán)境造成污染。


  近日，南京工業(yè)大學(xué)方志教授課題組在《Chemical Engineering Journal》期刊上發(fā)表了題為“Plasma-electrified repair of damaged polymer composites for surface crack healing and insulation recovery”的文章（DOI: 10.1016/j.cej.2022.137754）。這篇文章給出了一種基于Ar/H2O/PMDMS低溫等離子體射流的材料表面裂紋修復(fù)方法，用于受損硅橡膠(SIR)復(fù)合材料表面裂紋修復(fù)與絕緣性能恢復(fù)；評價(jià)了等離子體修復(fù)對裂紋形貌、機(jī)械強(qiáng)度和電學(xué)性能的影響；提出了等離子體修復(fù)過程中裂紋愈合的多相反應(yīng)路徑，分析了等離子體修復(fù)材料表面裂紋并提高其絕緣性能的機(jī)理。


  等離子體射流處理后，大量的活性基團(tuán)(OH, COOH)被引入SIR表面，形成了新的硅氧烷分子結(jié)構(gòu)(Si-O3~4)。SIR表面裂紋消失，裂紋氣隙被“魚鰭”狀修復(fù)層取代，且修復(fù)具有一定的深度。等離子體方法能夠通過構(gòu)建修復(fù)層使一定深度的裂紋愈合，驗(yàn)證了等離子體修復(fù)裂紋的可行性。 


圖1 等離子體處理前后SIR表面C1s, O1s和 Si2p的XPS譜線


 圖2 宏觀與微觀尺度下的裂紋愈合過程:(a) 原始裂紋，(b) 修復(fù)1 min， (c) 修復(fù)6 min， (d) 修復(fù)10 min (e) 原始裂縫，(f) 修復(fù)1 min， (g) 修復(fù)6 min， (h) 修復(fù)10 min


  無論是水平裂紋還是豎直裂紋，等離子體修復(fù)均可提升材料的機(jī)械強(qiáng)度。在等離子體修復(fù)后，受損SIR機(jī)械強(qiáng)度得到提升，如最大拉伸強(qiáng)度增加了47%，且修復(fù)效果明顯優(yōu)于常規(guī)涂覆方法。 


圖3 等離子體修復(fù)前后SIR的機(jī)械強(qiáng)度


  材料表面裂紋的引入會(huì)降低SIR電氣性能，而經(jīng)等離子體修復(fù)后其閃絡(luò)電壓由8.48 kV提升至9.31 kV；且與常規(guī)涂覆方法相比，經(jīng)等離子體修復(fù)后SIR表面電氣性能保持更好的穩(wěn)定性(β = 41.93)。 


圖4 等離子體修復(fù)前后SIR的閃絡(luò)電壓


  等離子體驅(qū)動(dòng)的PMDMS水解縮聚形成硅氧烷多聚體，同時(shí)SIR表面活化產(chǎn)生氧基團(tuán)，使硅氧烷多聚體在裂紋界面接枝沉積，在交聯(lián)聚合作用下硅氧烷多聚體形成了致密的修復(fù)相，并與SIR形成牢固化學(xué)鍵，增強(qiáng)了分子穩(wěn)定性，從而改善了受損SIR的機(jī)械性能。 


圖5 等離子體裂紋修復(fù)的多相化學(xué)反應(yīng)路徑


  通過空間電荷仿真與量子化學(xué)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)等離子體修復(fù)后材料表面電場均化，同時(shí)等離子體處理形成的修復(fù)相具有寬禁帶、淺陷阱等特征，促進(jìn)了電荷的脫陷與遷移，從而降低了局部電場集中，使閃絡(luò)電壓得到提升，改善受損SIR的電氣絕緣性能。 


圖6量子化學(xué)計(jì)算: (a)分子模擬結(jié)構(gòu)；(b)能級分布；(c)電子云與陷阱限制的電荷遷移。


  本文的第一作者為南京工業(yè)大學(xué)講師祝曦，通訊作者為方志教授和周仁武教授。南京工業(yè)大學(xué)方志教授課題組近年開展了高活性等離子體源開發(fā)、放電等離子體診斷、低溫等離子體材料表面改性、環(huán)境治理及能源轉(zhuǎn)化等具有前沿性和創(chuàng)新性的基礎(chǔ)科學(xué)及應(yīng)用技術(shù)研究。近年來，團(tuán)隊(duì)在等離子體診斷、等離子體材料改性、等離子體能源環(huán)保等領(lǐng)域承擔(dān)了多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目和青年項(xiàng)目、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃產(chǎn)業(yè)前瞻項(xiàng)目、江蘇省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目等，獲批江蘇省六大人才高峰創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目。在推進(jìn)等離子體技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方面，研究團(tuán)隊(duì)也有較大進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)承擔(dān)多個(gè)課題方向的企業(yè)橫向研發(fā)項(xiàng)目，包括生物醫(yī)學(xué)等離子體源裝置應(yīng)用、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等離子體源裝置應(yīng)用以及工業(yè)化脈沖功率電源設(shè)備等。


  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722032417

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