Ученые из Китая и США получили новый изоляционный материал с суперпарамагнитными наночастицами, способными залечивать трещины, которые образуются в изоляторах под действием электрического тока. При наложении переменного магнитного поля, частицы перемещались к трещине, разогревались, материал локально плавился и восстанавливался. Исследование опубликовано в Nature Nanotechnology.

Диэлектрики, которые используют для изоляции проводящих материалов, изнашиваются под влиянием как внешней среды, так и процессов на границе с проводником. Одним из них является образование трещин под действием электрического тока. Чтобы предотвратить их появление, полимерные изоляционные материалы модифицируют. Либо добавляют вещества с высоким сродством к электрону, либо с высокой диэлектрической проницаемостью (или наночастицы), которые способны снизить напряжение поля. Однако ни один из современных методов не позволяет восстановить изоляционные характеристики полимерного материала уже после образования трещин.

Группа ученых из университета Цинхуа, Пенсильванского и Стенфордского университетов под руководством Яна Яна (Yang Yang) предложила новый способ увеличить срок службы изоляционных материалов. Они добавили в расплавленный полипропилен (пригодный для вторичной переработки изолятор) наночастицы оксида железа диаметром около 17 нанометров, которые предварительно модифицировали полиэтиленгликолем, чтобы они легче передвигались в полипропилене. После того, как материал затвердел, ученые час подавали электрический разряд, образовались дефекты, а затем исследователи наложили переменное магнитное поле, чтобы их залечить.

Залечивание дефектов в полипропилене суперпарамагнитными наночастицами оксида железа. а: схематичное изображение происходящих процесссов. b-e: изображения, полученные методами молекулярного моделирования. f-h: изображение дефектов, полученное с помощью компьютерной микро-рентгеновской томографии до обработки переменным магнитным полем (f), через 40 мин (g) и 120 мин (h) действия поля. Yang Yang et al., / Nature, 2018

По мнению авторов, частицы агрегировались у разрыва в большей степени за счет сил энтропийной природы. Под действием переменного магнитного поля наночастицы оксида железа разогревались до 142 градусов Цельсия — на 10 градусов выше температуры плавления полимера, — в результате чего трещины склеивались. Понадобилось меньше одной десятой процента частиц по объему и 80 минут воздействия полем, чтобы полностью восстановить структуру изолятора. По микрофотографиям сканирующего электронного микроскопа авторы сделали вывод о том, что частицы без полимерного покрытия дольше мигрировали к трещинам. Это объясняет то, что материалам, в которые добавили не модифицированные наночастицы, потребовалось больше времени для восстановления.

В сравнении с контрольным образцом (полипропилен без наночастиц) после нескольких циклов образования трещин под действием тока и их последующего залечивания переменным магнитным полем, свойства нового изоляционного материала почти не ухудшились. И даже после 20 таких циклов наночастицы сохраняли диэлектрические свойства полимера.

Переменные магнитные поля, использованные в эксперименте, легко можно создать и вне лаборатории, они даже могут возникать в самом проводе при протекании переменного тока. Поэтому предложенные в работе материалы очень удобные в эксплуатации и могут прослужить дольше, чем современные аналоги. Срок службы особенно важен для проводов линий электропередач, на периодическую замену и проверку которых тратится много денег и сил специалистов.