單組分光敏微膠囊/納米SiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣介質(zhì)的自修復(fù)特性

梁 琛 司馬文霞 孫魄韜 劉豐萁 邵千秋

單組分光敏微膠囊/納米SiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣介質(zhì)的自修復(fù)特性

梁 琛 司馬文霞 孫魄韜 劉豐萁 邵千秋

（輸配電裝備及系統(tǒng)安全及新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)） 重慶 400044）

以環(huán)氧樹脂為代表的固體絕緣介質(zhì)在長期電/機(jī)械應(yīng)力作用下不可避免地會產(chǎn)生局部裂紋，嚴(yán)重影響其服役壽命。該文針對上述問題制備一種含有單組分紫外光敏微膠囊的環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣介質(zhì)，當(dāng)環(huán)氧樹脂表面產(chǎn)生裂紋損傷時(shí)，機(jī)械應(yīng)力集中于膠囊殼體并使其破裂，囊芯光敏修復(fù)劑流出填充損傷通道，在外施紫外激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)損傷通道的固化自愈。同時(shí)通過向環(huán)氧基體內(nèi)引入納米SiO2作為紫外光屏蔽介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對囊芯光敏修復(fù)劑的紫外保護(hù)。該文利用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、傅里葉紅外光譜儀、熱重分析儀、寬頻介電譜分析儀等測試微膠囊與復(fù)合介質(zhì)的本征性能與自修復(fù)特性，結(jié)果表明，微膠囊殼體致密且均勻，具有良好的耐熱性能；SiO2復(fù)合介質(zhì)紫外屏蔽效果顯著，能保證囊芯修復(fù)劑的反應(yīng)活性；復(fù)合介質(zhì)在保持環(huán)氧材料良好本征性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對機(jī)械損傷的自修復(fù)。

環(huán)氧樹脂 自修復(fù) 紫外光敏微膠囊 納米SiO2

0 引言

由于加工成本低廉、化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、絕緣性能良好，環(huán)氧樹脂被廣泛用作電氣設(shè)備的絕緣材 料[1-5]。然而，環(huán)氧樹脂材料自身韌性有限，易在生產(chǎn)、運(yùn)輸和運(yùn)行過程中產(chǎn)生微小的裂紋損傷，從而導(dǎo)致材料性能下降，甚至誘發(fā)絕緣擊穿[6-7]。研究表明，上述裂紋直徑通常為微米尺度，難以肉眼觀測，且設(shè)備帶電運(yùn)行狀態(tài)下無法實(shí)時(shí)檢測，導(dǎo)致受損部件只能斷電后維護(hù)或更換，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[8-12]。倘若環(huán)氧樹脂絕緣材料本身具有自修復(fù)能力，在微小損傷產(chǎn)生初期自動檢測并主動修復(fù)，將從根本上解決上述問題，對設(shè)備的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

目前，自修復(fù)技術(shù)主要應(yīng)用于建筑、醫(yī)療等領(lǐng)域[13-16]，較少涉及電氣絕緣材料領(lǐng)域，何金良[17-18]、C. Lesaint[19]、A.V. Vertkov[20]等學(xué)者率先將微膠囊、離子聚合物等技術(shù)應(yīng)用于絕緣材料的自修復(fù)中，對電工絕緣材料的智能化發(fā)展具有重要意義。

現(xiàn)有自修復(fù)材料可分為以下兩類：①本征型自修復(fù)材料，如動態(tài)聚合物[21]；②外援型自修復(fù)材料，如中空纖維[22]和微膠囊[23-24]。與本征型自修復(fù)材料相比，外援型自修復(fù)材料無需改變復(fù)合材料原有化學(xué)結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)對材料損傷的自修復(fù)。因此，以微膠囊為首的外援型自修復(fù)材料已成為近幾年的研究熱點(diǎn)。其修復(fù)過程[25]為：將內(nèi)含修復(fù)劑的微膠囊與催化劑同時(shí)添加到聚合物中，當(dāng)裂紋前端打破微膠囊，微膠囊中的修復(fù)劑流出填補(bǔ)損傷區(qū)域并與含有催化劑的基材接觸，在外施高溫激勵(lì)下發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自愈。然而，傳統(tǒng)雙組分微膠囊技術(shù)具有明顯的局限性，如材料加工復(fù)雜、雙組分分布不均、觸發(fā)條件嚴(yán)苛等。作為另一種技術(shù)思路，單組分微膠囊具有明顯優(yōu)勢。其囊芯愈合劑從破裂的微膠囊中釋放后可被外部刺激直接觸發(fā)，如高溫[26]、pH[27]等，無需催化劑等其他組分。但選擇合適的外部刺激條件對于復(fù)合材料的自修復(fù)性能和材料本身的電氣絕緣性能至關(guān)重要。例如，高溫和pH雖可觸發(fā)芯材固化，但也會腐蝕復(fù)合絕緣材料，加速材料老化，無法滿足設(shè)備安全可靠運(yùn)行的要求。

為解決上述問題，本文結(jié)合現(xiàn)有光敏微膠囊技術(shù)[17-18, 28]將紫外光作為外部刺激條件，通過在環(huán)氧樹脂基體內(nèi)引入納米SiO2顆粒構(gòu)筑紫外屏蔽層[29-30]，防止囊芯修復(fù)劑提前固化，從而在不干擾設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，實(shí)現(xiàn)清潔、主動、非接觸地誘發(fā)芯材愈合固化。本文采用原位聚合法制備了紫外光敏微膠囊并通過高溫固化得到了光敏微膠囊/納米SiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)研究了微膠囊的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和熱穩(wěn)定性以及復(fù)合材料的電氣本征性能，通過對復(fù)合材料進(jìn)行紫外輻照與微小損傷模擬測試，驗(yàn)證了其優(yōu)良的紫外屏蔽性能與自修復(fù)特性。

1 實(shí)驗(yàn)制備及測試

1.1 試劑與儀器

本文實(shí)驗(yàn)所用試劑：環(huán)氧丙烯酸酯（Epoxy Acrylate, EA）、1,6-己二醇二丙烯酸酯（1,6-Hexanediol Diacrylate, HDDA）、安息香異丁基醚（Benzoin Isobutyl Ether, BIE），由巴斯夫（德國）生產(chǎn)；甲醛溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%）、尿素、三乙胺、間苯二酚、檸檬酸、十二烷基苯磺酸鈉、氯化銨由上海麥克林生化科技有限公司提供；雙酚A二縮水甘油醚（Bisphenol A Diglycidyl Ether, DGEBA）、甲基四氫苯酐（3a-Methyl- 5,6-dihydro-4H-isobenzofuran-1,3-dione, MTHPA）、2,4,6-三（二甲胺基甲基）苯酚（2,4,6-tris (Dimethyla- minomethyl) Phenol, DMP-30）采購自西格瑪奧德里奇（上海）；納米SiO2（15nm）采購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；硅烷偶聯(lián)劑KH-550采購自國藥集團(tuán)。

本文實(shí)驗(yàn)所用儀器：光學(xué)顯微鏡（Optical Micro- scope, OM）（星明光學(xué)XM-30）；掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）（Hitachi SU8000）；傅里葉紅外光譜儀（Nicolet 5700）；熱重分析儀（Netzsch STA449F3）；寬頻介電譜分析儀（Novocontrol Concept80）；工頻擊穿試驗(yàn)平臺。

1.2 納米SiO2的表面改性方法

為使納米SiO2具有更好的分散性，采用硅烷偶聯(lián)劑KH-550對其進(jìn)行表面改性修飾。將0.6g硅烷偶聯(lián)劑KH-550和200mL乙醇溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%）加入500mL燒杯中攪拌溶解，再加入6g納米SiO2顆粒攪拌2h。將上述混合物過濾收集并在70℃和130℃環(huán)境下分別干燥24h和12h，制得表面改性納米SiO2顆粒待用。

1.3 光敏微膠囊的制備方法

1.4 光敏微膠囊/納米SiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合介質(zhì)的制備方法

2 微膠囊性能表征

2.1 微膠囊微觀形貌

通過光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察了微膠囊的微觀形貌。微膠囊的微觀形態(tài)及粒徑分布如圖1所示。

由圖1a和圖1b可知，微膠囊呈規(guī)則球形，其脲醛殼體表面粗糙且致密，分散性較好。圖1c為激光粒度分析儀測得的微膠囊的粒徑分布，從圖中可以看出，微膠囊粒徑分布均勻，大多集中在100～200mm范圍內(nèi)。

2.2 微膠囊的化學(xué)成分分析

圖2為微膠囊的傅里葉紅外光譜（Fourier Trans- form Infrared, FTIR）圖。由圖可知，3 364cm-1處出現(xiàn)羥甲基基團(tuán)的O-H伸縮振動峰和酰胺基團(tuán)中對稱和不對稱N-H伸縮振動峰；2 960cm-1處出現(xiàn)-CH的伸縮振動峰；1 625cm-1和1 550cm-1附近為酰胺帶Ⅰ（C=O伸縮振動）和Ⅱ（C-N伸縮振動和N-H彎曲振動的耦合），這些均為脲醛樹脂的紅外特征吸收峰，表明微膠囊表面已形成脲醛樹脂殼層。910cm-1附近出現(xiàn)環(huán)氧結(jié)構(gòu)中的環(huán)氧基吸收峰，表明芯材光敏環(huán)氧樹脂的存在。上述紅外特征吸收峰結(jié)合前文中SEM測試結(jié)果，說明微膠囊是由脲醛樹脂包裹環(huán)氧樹脂的“核-殼”結(jié)構(gòu)。

圖1 微膠囊的微觀形態(tài)及粒徑分布

圖2 微膠囊的傅里葉紅外光譜圖

2.3 微膠囊的熱穩(wěn)定性分析

圖3所示為微膠囊的熱重分析（Thermo Gravi- metric Analyzer, TGA）曲線。由圖可知，微膠囊樣品在溫度達(dá)到100℃時(shí)出現(xiàn)了小幅的失重，質(zhì)量分?jǐn)?shù)損失約為4%，這是由于樣品中殘留的水分以及未完全反應(yīng)的甲醛受熱揮發(fā)所致；微膠囊在200～260℃范圍內(nèi)出現(xiàn)了較為明顯的熱失重，主要是由壁材脲醛樹脂的分解所造成；260℃之后的大幅失重由環(huán)氧芯材流出分解導(dǎo)致。上述結(jié)果表明，本文所制備的微膠囊在200℃以下具有較為良好的熱穩(wěn)定性，為微膠囊環(huán)氧樹脂復(fù)合介質(zhì)的高溫固化提供了條件。

圖3 微膠囊的熱重曲線

2.4 微膠囊芯材含量及光敏芯材的紫外轉(zhuǎn)化率

微膠囊囊芯的芯材含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）也是微膠囊制備工藝中的重要指標(biāo)。芯材含量通過萃取法測得，萃取劑為丙酮。將一定質(zhì)量的干燥微膠囊充分研磨使其完全破裂，然后用丙酮多次洗滌使芯材完全溶出，將過濾得到的壁材干燥后稱重，計(jì)算出芯材含量為

式中，core為芯材含量；microcapsule為微膠囊質(zhì)量；wall為壁材質(zhì)量。

通過上述方法，計(jì)算得本文制備的微膠囊樣品芯材質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為80%，能為良好的修復(fù)效果提供保證。另一個(gè)直接影響修復(fù)效果的因素是光敏芯材的紫外光聚合轉(zhuǎn)化率，它與修復(fù)劑的固化時(shí)間密切相關(guān)。本文利用傅里葉紅外光譜儀對微膠囊光敏芯材進(jìn)行了光聚合轉(zhuǎn)化率的測量。具體操作方法：將制得的光敏芯材均勻涂敷于KBr盤上，利用高壓汞燈對其進(jìn)行紫外輻照。將輻照前后的樣品分別進(jìn)行紅外光譜分析。通過測定樣品輻照前后C=C在1 637cm-1處吸光度的變化，以1 725cm-1處的C=O振動峰作內(nèi)標(biāo)，光聚合轉(zhuǎn)化率為

式中，、分別為輻照前C=C與C=O兩個(gè)特征峰的積分面積；、分別為輻照后C=C與C=O兩個(gè)特征峰的積分面積。輻照前后光敏樹脂芯材的紅外光譜如圖4所示。經(jīng)計(jì)算，在經(jīng)過輻照后芯材光敏樹脂的光聚合轉(zhuǎn)化率約為80%，為復(fù)合介質(zhì)的光固化修復(fù)提供了有利的條件。

3 復(fù)合介質(zhì)性能測試

3.1 復(fù)合介質(zhì)基材的紫外屏蔽性能

為表征復(fù)合基材的紫外屏蔽性能，本文利用掃描電子顯微鏡對復(fù)合自修復(fù)介質(zhì)的截面進(jìn)行觀察。復(fù)合介質(zhì)的截面SEM及能譜儀測試（Energy Dis- persive Spectroscopy, EDS）元素分布如圖5所示。由圖5可知，微膠囊由于自身重力的作用不會暴露于材料的表面。通過對該截面進(jìn)行EDS元素分析，可以看出，Si元素在基體中分布均勻，能夠?qū)ξ⒛z囊起到紫外屏蔽保護(hù)作用。

圖5 復(fù)合介質(zhì)的截面SEM及EDS元素分布

為驗(yàn)證復(fù)合介質(zhì)基體的紫外屏蔽性能，本文將含有納米SiO2的復(fù)合介質(zhì)和不含納米SiO2的復(fù)合介質(zhì)同時(shí)進(jìn)行紫外燈輻照，在輻照之后，采用手術(shù)刀（11號）劃破微膠囊，測試其是否固化。試驗(yàn)結(jié)果表明，未含納米SiO2的樣品在輻照約60s之后，囊芯修復(fù)劑已發(fā)生光聚合固化失去流動性；而含有納米SiO2的樣品在輻照約200s之后囊芯修復(fù)劑仍未固化，流動性良好。證明了納米SiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合基材具備優(yōu)良的紫外屏蔽性能。

3.2 復(fù)合介質(zhì)的電氣性能

本文采用寬頻介電譜分析儀（Novocontrol Concept80）測試得到復(fù)合介質(zhì)的相對介電常數(shù)。測試頻率設(shè)置為100～106Hz，測試溫度為(25±2)℃，濕度(60±5)%RH。為防止泄漏電流引起測量誤差，采用了校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換模塊。復(fù)合介質(zhì)的介電特性如圖6所示。由圖可知，在測試電壓頻率為50Hz時(shí)，純環(huán)氧樹脂、微膠囊復(fù)合介質(zhì)、納米SiO2復(fù)合介質(zhì)、微膠囊/SiO2復(fù)合介質(zhì)的相對介電常數(shù)分別為4.021 5、4.474、3.910 6和4.116 7。微膠囊的引入會在一定程度上使環(huán)氧基材的介電性能下降，其主要原因是微膠囊自身脲醛樹脂殼體介電性能較差（相對介電常數(shù)約為6～9）且其引入也會帶來大量雜質(zhì)極性基團(tuán)；但同時(shí)SiO2納米顆粒的引入使得環(huán)氧樹脂分子與納米顆粒間的相互作用增強(qiáng)，對界面區(qū)域的高分子產(chǎn)生錨釘作用，從而阻礙了分子的轉(zhuǎn)動與遷移，抑制了復(fù)合材料分子的極化，降低了復(fù)合材料的介電常數(shù)，使得復(fù)合介質(zhì)仍能呈現(xiàn)良好的介電性能。

圖6 復(fù)合介質(zhì)的介電特性

本文依據(jù)GB/T 1408.1-2016標(biāo)準(zhǔn)[31]，采用逐級升壓法對樣品進(jìn)行了擊穿場強(qiáng)測試。升壓速率為1kV/s，為防止試驗(yàn)樣品發(fā)生沿面放電，試驗(yàn)樣品與加壓電極均浸入在絕緣油中。擊穿性能測試平臺由工頻試驗(yàn)變壓器、調(diào)壓器、試驗(yàn)罐體、分壓器等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

為避免擊穿數(shù)據(jù)離散性的影響，本文采用兩參數(shù)威布爾分布來降低誤差，即

式中，()為擊穿數(shù)據(jù)的累積概率值；為擊穿電壓幅值；為尺度參數(shù)；為形狀參數(shù)。

復(fù)合介質(zhì)的交流擊穿場強(qiáng)Weibull分布如圖8所示。相比于純環(huán)氧樹脂介質(zhì)，微膠囊/環(huán)氧樹脂復(fù)合介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)下降了17.8%，納米SiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合介質(zhì)上升了15.3%；微膠囊/納米SiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合介質(zhì)擊穿場強(qiáng)并未發(fā)生明顯下降。微膠囊的引入導(dǎo)致環(huán)氧基材的擊穿性能顯著下降，這是由于微膠囊的脲醛殼體與囊芯液態(tài)光敏環(huán)氧的電氣擊穿場強(qiáng)均低于固態(tài)環(huán)氧樹脂，其引入介質(zhì)內(nèi)必然導(dǎo)致復(fù)合介質(zhì)擊穿場強(qiáng)下降。而SiO2納米顆粒的引入可以較好地阻止復(fù)合介質(zhì)擊穿場強(qiáng)的下降，改善其絕緣性能。其作用機(jī)制可解釋如下：根據(jù)T. Tanaka的多殼模型理論[32]，在強(qiáng)電場條件下，復(fù)合材料中運(yùn)動的電子會與由納米顆粒引入所形成的束縛層碰撞或被松散層的電荷陷阱捕獲，從而影響載流子遷移，縮短其自由程，降低其在電場作用下獲得的能量，減弱了對復(fù)合介質(zhì)分子鏈的破壞，進(jìn)而提高復(fù)合介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)。

圖8 復(fù)合介質(zhì)的交流擊穿場強(qiáng)Weibull分布

3.3 復(fù)合介質(zhì)的自修復(fù)性能

本文采用手術(shù)刀（11號）來模擬材料表面的損傷，并通過光學(xué)顯微鏡觀察了復(fù)合介質(zhì)的自修復(fù)特性。圖9a為純環(huán)氧樹脂樣品表面的劃痕損傷，可以看出，損傷通道伴隨有明顯的毛刺狀傷痕。圖9b為復(fù)合介質(zhì)表面的劃痕損傷，此時(shí)微膠囊囊芯修復(fù)劑并未完全流出且未施加紫外光，可以看出，其損傷形態(tài)與純環(huán)氧樣品類似。

圖9c為經(jīng)過紫外光的輻照后的自修復(fù)復(fù)合介質(zhì)表面劃痕損傷的狀態(tài)，可以看出，由于毛細(xì)效 應(yīng)[33]囊芯修復(fù)劑已將損傷通道填充，損傷程度大大降低，損傷通道寬度明顯減小，毛刺狀損傷幾乎完全消失。

圖9 純環(huán)氧/復(fù)合材料樣品劃痕形貌

為進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)合介質(zhì)絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)情況，本文對損傷修復(fù)前后材料進(jìn)行了擊穿性能測試，結(jié)果如圖10所示。當(dāng)損傷產(chǎn)生時(shí)，純環(huán)氧樹脂材料和復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng)均大幅下降，這是由于損傷會直接減小材料耐受電壓的厚度，使損傷處易被擊穿，同時(shí)損傷會給材料表面帶來裂紋氣隙等結(jié)構(gòu)缺陷，從而造成損傷處電場集中，介質(zhì)更易擊穿。

圖10 損傷修復(fù)前后樣品的交流擊穿場強(qiáng)

對復(fù)合材料進(jìn)行紫外輻照后，損傷通道內(nèi)的光敏修復(fù)劑固化填補(bǔ)受損區(qū)域，減少了損傷帶來的結(jié)構(gòu)缺陷，改善了損傷部位的電場畸變情況，進(jìn)而恢復(fù)了材料的擊穿場強(qiáng)（可恢復(fù)至初始狀態(tài)的80%～90%）。

4 結(jié)論

1）本文成功制備了具有穩(wěn)定“核-殼”結(jié)構(gòu)光敏環(huán)氧樹脂微膠囊，其粒徑分布均勻（100～200mm），熱穩(wěn)定性能良好（微膠囊熱解溫度高達(dá)200℃）。

2）復(fù)合介質(zhì)基體內(nèi)的納米SiO2顆粒具有良好的紫外屏蔽性能，可防止囊芯修復(fù)劑提前固化，較好地保證了囊芯修復(fù)劑的反應(yīng)活性。

3）納米SiO2顆粒和光敏微膠囊的引入在使環(huán)氧材料實(shí)現(xiàn)自修復(fù)功能的同時(shí)，也保證了其良好的本征電氣性能。

4）光敏微膠囊/納米SiO2/環(huán)氧樹脂絕緣復(fù)合介質(zhì)表現(xiàn)出了良好的機(jī)械損傷自修復(fù)與電氣性能自恢復(fù)能力，損傷自修復(fù)率、電氣性能自恢復(fù)率可達(dá)80%～90%。

[1] 律方成, 詹振宇, 張立國, 等. 等離子體氟化改性微米AlN填料對環(huán)氧樹脂絕緣性能的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(16): 3522-3531.

Lü Fangcheng, Zhan Zhenyu, Zhang Liguo, et al. Effect of plasma fluorinated modified micro-AlN filler epoxy resin on the insulation properties[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(16): 3522-3531.

[2] 謝偉, 楊征, 程顯, 等. 環(huán)氧樹脂材料熱氧老化特性研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(20): 4397-4404.

Xie Wei, Yang Zheng, Cheng Xian, et al. Study on thermo-oxygen aging characteristics of epoxy resin material[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(20): 4397-4404.

[3] Sima Wenxia, He Jiahui, Sun Potao, et al. Novel nanostructure composite dielectric with high insu- lation performance: silica-based nanometer-sized porous composite insulating paper reinforced by ceramic fibers[J]. Scripta Materialia, 2020, 181: 58-61.

[4] 遲慶國, 崔爽, 張?zhí)鞐? 等. 碳化硅晶須/環(huán)氧樹脂復(fù)合介質(zhì)非線性電導(dǎo)特性研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(20): 4405-4414.

Chi Qingguo, Cui Shuang, Zhang Tiandong, et al. Study on nonlinear characteristics on conductivity of silicon carbide whisker/epoxy resin composites[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(20): 4405-4414.

[5] 趙玉順, 何元菡, 楊克榮, 等. Me-THPA擴(kuò)鏈改性環(huán)氧樹脂對其固化物絕緣特性的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(增刊1): 311-319.

Zhao Yushun, He Yuanhan, Yang Kerong, et al. Insulation performance of Me-THPA chain-extended epoxy resin cured products[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(S1): 311-319.

[6] 王有元, 劉玉, 王施又, 等. 電熱老化對干式變壓器中環(huán)氧樹脂特性的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(16): 3906-3916.

Wang Youyuan, Liu Yu, Wang Shiyou, et al. The effect of electrothermal aging on the properties of epoxy resin in dry-type transformer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(16): 3906-3916.

[7] Liu Shengkai, Zhang Junjie, Shi Baohui, et al. Damage and failure mechanism of 3D carbon fiber/ epoxy braided composites after thermo-oxidative ageing under transverse impact compression[J]. Composites Part B: Engineering, 2019, 161: 677- 690.

[8] 謝從珍, 袁超, 何子蘭, 等. 復(fù)合絕緣子典型內(nèi)部缺陷的相控陣檢測[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(3): 837-842.

Xie Congzhen, Yuan Chao, He Zilan, et al. Ultrasonic phased array to inspect typical internal defects of composite insulators[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(3): 837-842.

[9] Sun Potao, Sima Wenxia, Yang Ming, et al. Accumulative effect of repeated lightning impulses on transformer insulation: mechanism analysis[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2016, 23(4): 2430-2437.

[10] 朱思瑞, 劉洋, 阮羚, 等. 環(huán)氧樹脂澆注類絕緣管型母線易發(fā)缺陷分析及檢測手段[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(12): 2664-2670.

Zhu Sirui, Liu Yang, Ruan Ling, et al. The defects in the resin impregnated paper insulated tubular bus-bar and its test method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(12): 2664-2670.

[11] Sun Potao, Sima Wenxia, Jiang Xiongwei, et al. Review of accumulative failure of winding insu- lation subjected to repetitive impulse voltages[J]. IET High Voltage, 2019, 4(1): 1-11.

[12] 羅楊, 吳廣寧, 劉繼午, 等. 局部放電作用對變頻電機(jī)匝間納米復(fù)合絕緣的損傷機(jī)理研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(6): 303-310.

Luo Yang, Wu Guangning, Liu Jiwu, et al. Study on PD damage mechanism of nano-composite used as turn insulation in inverter-fed traction motors[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(6): 303-310.

[13] Acome E, Mitchell S K, Morrissey T G, et al. Hydraulically amplified self-healing electrostatic actuators with muscle-like performance[J]. Science, 2018, 359(6371): 61-65.

[14] Cao Yue, Tan Yujun, Li Si, et al. Self-healing electronic skins for aquatic environments[J]. Nature Electronics, 2019, 2(2): 75-82.

[15] Hu Zunxiang, Hu Xiangming, Cheng Weimin, et al. Performance optimization of one-component polyure- thane healing agent for self-healing concrete[J]. Construction and Building Materials, 2018, 179: 151-159.

[16] Li Chenghui, Zuo Jinglin. Self-healing polymers based on coordination bonds[J]. Advanced Materials, 2020, 32(27): 1903762.

[17] Gao Lei, He Jinliang, Hu Jun, et al. Photoresponsive self-healing polymer composite with photoabsorbing hybrid microcapsules[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7(45): 25546-25552.

[18] Gao Lei, Yang Yang, Xie Jiaye, et al. Autonomous self-healing of electrical degradation in dielectric polymers using in situ electroluminescence[J]. Matter, 2020, 2(2): 451-463.

[19] Lesaint C, Risingg?rd V, H?lto J, et al. Self-healing high voltage electrical insulation materials[C]//IEEE Electrical Insulation Conference (EIC), Philadelphia, PA, USA, 2014: 241- 244.

[20] Vertkov A V, Evtikhin V A, Lyublinski I E, et al. Self-healing electrical insulating coating processes for vanadium alloy-lithium systems[J]. Fusion Engineering and Design, 2001, 58: 731-735.

[21] Zhen Hu, Zhang Dayu, Lu Fei, et al. Multistimuli- responsive intrinsic self-healing epoxy resin con- structed by host-guest interactions[J]. Macromolecules, 2018, 51(14): 5294-5303.

[22] Su Junfeng, Zhang Xiaolong, Guo Yandong, et al. Experimental observation of the vascular self-healing hollow fibers containing rejuvenator states in bitumen[J]. Construction and Building Materials, 2019, 201: 715-727.

[23] Lang Sinuo, Zhou Qixin. Synthesis and characteri- zation of poly (urea-formaldehyde) microcapsules containing linseed oil for self-healing coating development[J]. Progress in Organic Coatings, 2017, 105: 99-100.

[24] Sima Wenxia, Shao Qianqiu, Sun Potao, et al. Magnetically gradient-distributed microcapsule/epoxy composites: low capsule load and highly targeted self-healing performance[J]. Chemical Engineering Journal, 2021, 405: 126908.

[25] Wang Youyuan, Li Yudong, Zhang Zhanxi, et al. Repair performance of self-healing microcapsule/ epoxy resin insulating composite to physical damage[J]. Applied Sciences, 2019, 9(19): 4098.

[26] Caruso M M, Blaiszik B J, Jin Henghua, et al. Robust, double-walled microcapsules for self-healing poly- meric materials[J]. ACS Applied Materials & Inter- faces, 2010, 2(4): 1195-1199.

[27] Matsuda T, Kashi K B, Fushimi K, et al. Corrosion protection of epoxy coating with pH sensitive microcapsules encapsulating cerium nitrate[J]. Corrosion Science, 2019, 148: 188-197.

[28] Song Y K, Jo Y H, Lim Y J, et al. Sunlight-induced self-healing of a microcapsule-type protective coating[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2013, 5(4): 1378-1384.

[29] Baqir M A, Choudhury P K. Hyperbolic metamaterial- based UV absorber[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2017, 29(18): 1548-1551.

[30] Smirnov J R C, Calvo M E, Míguez H. Selective UV reflecting mirrors based on nanoparticle multi- layers[J]. Advanced Functional Materials, 2013, 23(22): 2805-2811.

[31] GB/T 1408.1—2016 絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2016.

[32] Tanaka T, Kozako M, Fuse N, et al. Proposal of a multi-core model for polymer nanocomposite die- lectrics[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, 12(4): 669-681.

[33] Ahmadi G, Guo Shiguang, Zhang Xinyu. Particle adhesion and detachment in turbulent flows including capillary forces[J]. Particulate Science and Tech- nology, 2007, 25(1): 59-76.

Self-Healing Property of One-Component Photosensitive Microcapsule/Nano-SiO2/Epoxy Composite Dielectric

（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China）

The solid insulating materials represented by epoxy resin inevitably generate local cracks under long-term electrical/mechanical stress, which seriously affects their service life. In this paper, a novel epoxy insulating composite with one-component UV-photosensitive microcapsules is proposed. When the crack is generated and the microcapsule is broken, the damage channel is filled with the photosensitive healing agent and cured by UV excitation. Meanwhile, nano-SiO2is introduced into the epoxy matrix as an ultraviolet reflecting agent to protect the healing agent in the microcapsule from the premature polymerization. Properties of microcapsules and composites are tested by optical microscope (OM), scanning electron microscope (SEM), infrared spectrometer, thermogravimetric analyzer and dielectric spectrum analyzer. The results show that the microcapsules are compact and uniform, and have good heat resistance. In addition, the SiO2composite matrix has significant UV-shielding effect, which ensures the reactivity of the healing agent from the capsule core. And the composite has an excellent effect on the healing of micro-crack damage while maintaining good intrinsic properties of epoxy resin.

Epoxy resin, self-healing, UV-photosensitive microcapsule, nano-SiO2

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90358

TM215.92

梁 琛 男，1996年生，碩士，研究方向?yàn)樾滦碗姽げ牧系?。E-mail: liangchen@cqu.edu.cn

孫魄韜 男，1989年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ρb備絕緣失效與防御技術(shù)等。E-mail: sunpotao@cqu.edu.cn（通信作者）

2020-07-10

2020-10-08

國家自然科學(xué)基金（52077014, 51837002）和電磁環(huán)境效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（6142205200103）資助項(xiàng)目。

（編輯 崔文靜）