西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室武康宁/李建英MRC：基于局部动态键交换在玻璃态下降低热固性绝缘材料的残余应力

摘要：以环氧树脂（EP）为代表的热固性材料在玻璃态下很难实现残余应力的降低。本文通过向热固性绝缘材料中引入动态共价键，制备得到了聚硫氨酯（PTU），只需进行简单的热处理即可实现PTU残余应力的大幅下降，同时还能很好地保持PTU优异的机械和介电性能。

关键词：残余应力，热处理，共价可适网络，聚硫氨酯，环氧树脂

分类：电气；绝缘材料；电工材料

以环氧树脂（EP）为代表的热固性材料具有优异的热、机械和介电性能，广泛应用于电力设备和电力电子器件中，并作为主绝缘材料。热固性绝缘材料的优异性能来源于其固化过程中形成的三维交联网络。然而，由于不均匀的化学和物理收缩，固化过程中会不可避免地产生较大的残余应力，导致材料出现微裂纹、界面分层、变形甚至失效。大多数的热固性绝缘材料工作在玻璃态下，交联网络具有“永久”性，残余应力几乎难以释放。为了消除残余应力，热固性绝缘材料通常会被加热至高弹态，以激活链段运动。但是在高弹态下材料的机械性能下降严重，难以维持其基本形貌和结构。

西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室武康宁/李建英及合作者西安交通大学化学学院崔晨晖、南方电网公司科研院周福升等通过巯基和异氰酸酯基的“点击”反应，向热固性绝缘材料中引入了高动态的硫代氨基甲酸酯键，成功在玻璃态下实现了热固性绝缘材料残余应力的大幅降低。研究发现，在玻璃化转变温度（Tg）以下40oC时进行热处理时，残余应力小幅降低。而当热处理温度在Tg以下30oC时，残余应力下降幅度达到了44%，同时储能模量依然保持在98%以上。且在热处理后，应力分布更加均匀，标准差下降了32%。这是由于硫代氨基甲酸酯键具有优异的动态性，在玻璃态下进行热处理即可实现局部动态键交换，进而达到网络重排的目的。作为对照组，环氧树脂（EP）在玻璃态下进行热处理时，其残余应力几乎没有明显变化。实验结果表明，通过引入合适的动态共价键来降低玻璃态热固性绝缘材料的残余应力是一种可行的策略。

相关工作以“Relief of Residual Stress in Bulk Thermosets in the Glassy State by Local Bond Exchange”为题，发表在Macromolecular Rapid Communication （DOI: 10.1002/marc.202300735）上，并入选为封面论文。