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  聚烯烴電纜絕緣材料因其優良的介電性能、力學強度與工程應用成熟度，長期以來一直是高壓直流（HVDC）電纜的主流選擇。然而，在實際服役過程中，絕緣層需長期承受高電場、熱負荷、機械應力等多物理場耦合作用，會誘導空間電荷積累與電場畸變，促使微觀缺陷（如微裂紋、電樹枝通道、局部放電/電暈損傷）持續演化，最終導致絕緣性能衰退并顯著提升失效風險。與此同時，傳統聚烯烴電纜絕緣在網絡結構上缺乏可逆重構通道，使其難以實現損傷后的自修復與退役后的高價值再加工循環利用，從而在“長期可靠性”與“全壽命可持續”兩方面同時面臨嚴峻挑戰。

  針對上述問題，查俊偉教授團隊聚焦動態交聯聚烯烴電纜絕緣的自修復與可回收設計，取得了一系列階段性進展，并于2025年12月先后在Advanced Materials與Energy & Environmental Materials期刊相繼發表聚乙烯/聚丙烯相關研究成果。其中，針對傳統交聯聚乙烯（XLPE）難修復和難回收問題提出了一種創新策略，通過催化胺化實現可控功能化改性，并結合動態共價化學構建了可拓撲重排的雙動態鍵共價適應性網絡（CANs），該方法將傳統XLPE的“強永久交聯”與“弱動態共價交聯”耦合，在保持電纜絕緣基礎性能的同時，實現機械/電損傷后的本征自修復與多路徑回收再加工，并在高溫高場下顯著抑制空間電荷誘導的電場畸變。同時，針對聚丙烯復合絕緣多相不相容引發的空間電荷積聚與長期可靠性差的問題，通過動態共價化學在界面構建“分子橋”，實現了復合體系相容性、絕緣強度、本征自修復與可回收的性能協同提升。此創新思路為商用聚乙烯/聚丙烯電纜絕緣材料的可持續替代與工程化應用提供了新路徑。

  2025年12月12日，相關工作以“Covalent Adaptable Network Enables Sustainable Polyethylene for Next-Generation Cable Insulation”為題發表在《Advanced Materials》上（DOI：10.1002/adma.202516696）。文章第一作者為北京科技大學23級博士生張文業，通訊作者為華北電力大學查俊偉教授和清華大學萬寶全助理研究員。

  作者構建了一種面向聚烯烴電纜絕緣的“可重構交聯網絡”方案，通過催化功能化改性引入可調反應位點，盡量避免傳統自由基路徑帶來的鏈斷裂與非受控交聯，再引入兩類協同的動態共價鍵，形成“熱觸發可逆重組 + 快速交換”的網絡重排機制，從而在機械與電氣損傷后實現高效自修復，并支持多次溶劑回收與機械回收再利用。此外，網絡設計采用“永久交聯作為骨架支撐 + 動態共價交聯賦能”的雙網絡協同策略：永久網絡保障服役期間的熱固性穩定與結構完整性，動態網絡提供可重構拓撲以實現自修復與可回收，最終在基礎性能與動態功能之間實現兼顧與平衡。

圖1. “強-弱雙交聯”聚乙烯絕緣的結構設計。

  通過分子結構再設計，該CANs體系在基本不改變介電常數的前提下顯著提升了電氣可靠性。DFT分析表明，引入適度極性基團可形成深陷阱并增強電子親和力，從而在高溫高場工況下有效抑制空間電荷的注入與積累，降低電場畸變并提升電場分布的均勻性。同時，材料在高溫直流電場下表現出更穩定的電導與更強的電荷遷移抑制能力，體現出面向HVDC電纜絕緣的優異絕緣穩定性與耐高場潛力。

圖2. CANs的電氣性能和DFT模擬。

  通過引入可逆D-A反應與S-S鍵交換構建的動態共價網絡，材料在120 ℃熱刺激下觸發網絡拓撲重排，實現高效本征自修復：劃痕/裂紋可有效愈合，電暈與電樹枝等電損傷后擊穿強度可恢復至接近初始水平，甚至對擊穿孔洞等嚴重缺陷也具備一定的重構修復能力（強度恢復達83%）。同時，該動態網絡支持機械回收與溶劑回收，多次循環后仍能維持穩定的結構與性能，為聚烯烴電纜絕緣的可持續回收提供了可行路徑。

圖3. 機械和電氣損傷后的自修復性能以及多次可回收性。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202516696