近日，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Advanced Science《高級(jí)科學(xué)》（IF：17.52）在線發(fā)表了武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院唐炬教授團(tuán)隊(duì)在油浸式輸配電裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域取得的最新成果，論文題目為“Triboelectric Mechanism of Oil-solid Interface Adopted for Self-powered Insulating Oil Condition Monitoring”（《油-固界面摩擦起電機(jī)制及絕緣油中微量水分自取能傳感》）。電氣與自動(dòng)化學(xué)院肖淞副教授、博士生吳豪穎為論文共同第一作者，李祎副研究員為論文通訊作者。

絕緣油在以變壓器為代表的油浸式輸配電裝備中起到絕緣和冷卻的重要作用。然而，設(shè)備強(qiáng)迫油循環(huán)產(chǎn)生的流動(dòng)油會(huì)與絕緣紙板發(fā)生液-固摩擦，引發(fā)界面電荷分離并形成沖流電流（即“油流帶電”），對(duì)設(shè)備絕緣構(gòu)成威脅。另外，絕緣油中因長(zhǎng)期電、熱等應(yīng)力老化產(chǎn)生的微水等雜質(zhì)會(huì)影響油紙絕緣綜合性能和設(shè)備可靠性。因此，厘清油-固摩擦起電機(jī)制并開展油中雜質(zhì)的監(jiān)測(cè)具有重要意義。

該研究利用液滴式摩擦納米發(fā)電機(jī)（Droplet-TENG）作為電荷“探針”，系統(tǒng)解析了絕緣油與固體聚合物界面的電荷轉(zhuǎn)移及雙電層形成過程，首次證實(shí)了電子轉(zhuǎn)移在油-固摩擦起電發(fā)展初期占據(jù)主導(dǎo)作用。隨著油-固摩擦的發(fā)展，轉(zhuǎn)移電荷、感應(yīng)電流逐步降低并趨于穩(wěn)定，界面電勢(shì)則呈飽和增長(zhǎng)變化；隨后，電荷轉(zhuǎn)移載流子由電子變?yōu)殡x子，并最終達(dá)到靜態(tài)平衡。

進(jìn)一步地，作者發(fā)現(xiàn)絕緣油中不同組成成分的摩擦起電特性存在顯著差異，電荷轉(zhuǎn)移量由高到低依次為：芳香烴>環(huán)烷烴>長(zhǎng)支鏈烷烴>短支鏈烷烴。在此基礎(chǔ)上，提出了油中多組分在雙電層發(fā)展中的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，解釋了不同成分加入對(duì)“緊密層”（Stern layer）和“擴(kuò)散層”（Diffuse layer）的影響過程（圖2）。最后，針對(duì)絕緣油中微量水分的監(jiān)測(cè)需求，構(gòu)建了管狀結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)（Tubular-TENG）作為自取能傳感器，獲取了油中微水含量與油-固摩擦起電響應(yīng)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，證實(shí)了利用油-固摩擦起電效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)油中微量水分的高精度檢測(cè)。

該項(xiàng)工作深入揭示了油-固摩擦起電機(jī)制并豐富了絕緣油中雜質(zhì)傳感策略，為深刻理解油流帶電、絕緣油狀態(tài)監(jiān)測(cè)等提供了新見解和新思路。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFB0905900）、國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（52207169）和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（BX2021224）的資助。