作者简介
邹亮 教授
山东大学教授、博士生导师，山东大学电气工程学院电工理论与新技术研究所所长、国家级青年人才计划入选者、江苏省创新创业领军人才、山东大学杰出中青年学者、中国复合材料学会介电高分子复合材料及应用专业委员会、中国电源协会电磁兼容委员会委员、中国电工技术学会储能系统与装备专业委员会委员、山东省电工技术学会理事。主要从事高电压与绝缘技术领域的教学和科研工作，获山东省科技进步二等奖1项，中国电力企业联合会二等奖1项，中国机械工业学会二等奖1项。主持国家自然科学基金4项 (其中企业创新发展联合基金1项)，国家重点研发计划课题1项、子课题2项。截至目前，以第一/通讯作者发表SCI/EI论文90余篇，授权发明专利20余项，完成科技成果转化5项。
罗馨雅 硕士研究生
山东大学电气工程学院硕士研究生，主要从事高海拔极端环境桥臂电抗器环氧树脂绝缘材料的老化降解与改性设计。以学生第一作者发表SCI论文2篇，EI论文2篇，授权发明专利2项。
韩智云 博士后
通讯作者
山东大学电气工程学院博士后，中国复材学会介电高分子复合材料及应用专委会委员，主要从事极端环境电工材料优化设计与电工装备多场耦合分析研究。近年来主持博士后特别资助项目1项、山东省博士后创新项目1项，在国内外重要学术期刊与会议上共发表论文40余篇，其中SCI收录16篇，EI期刊10篇，发明专利9项。
研究背景
环氧树脂绝缘材料因其良好的力学性能和介电性能被广泛应用于各类电气设备中。全球新能源趋势的深化加速了高海拔地区新能源电力行业的发展，然而，高海拔地区强辐照环境诱导产生的自由基会引起环氧树脂的老化降解。因此，亟需提出相应改性增强方法并量化评估其保护程度，以确保电气设备能在高海拔强辐照环境下长期稳定运行。
针对这一需求，山东大学邹亮教授团队在Materials期刊发表题为“Microscopic Characterization of Radiation Resistance of Epoxy Resin Enhanced with Graphene Quantum Dots and Molecular Simulation”的研究成果。该研究基于分子动力学模拟方法，建立纯环氧树脂模型及两种不同末端的石墨烯量子点 (GQD) 掺杂模型；使用LAMMPS计算掺杂后交联结构核心键断裂情况，分析对比不同末端基团的石墨烯量子点增强抗自由基损伤能力。结果表明，末端含有羧基基团的石墨烯量子点抗含氧自由基损伤能力更佳。
研究过程与结果
本研究基于分子动力学模拟，从微观角度研究自由基对环氧树脂交联结构的影响变化，并对不同掺杂材料进行了分析对比，提出改性增强方法。选择单体和固化剂分别为双酚A二缩水甘油醚 (DGEBA) 与3,3'-二氨基二苯砜 (33DDS) 的双酚A型环氧树脂，选择末端为H和末端含羧基基团的两种不同的石墨烯量子点作为掺杂材料，如图1所示。33DDS通过氨基 (-NH2) 与DGEBA的环氧基 [-CH(O)CH-] 发生联结或缩合反应从而实现交联，其最终形成的单元交联网状结构如图2所示，依据交联网状结构中的重要核心键即N-C键和C-O-C键提出了交联结构完整度Icross_integrity的计算方法如下式1所示，从而评估对比不同石墨烯量子点的抗自由基损伤能力。
图1. 两种不同末端的石墨烯量子点掺杂模型：(a) 末端为H的GQD_C54H18；(b) 末端含羧基的GQD_COOH
图2. 环氧树脂单元交联网状结构
表1为EP/neat、EP/GQD_C54H18、EP/GQD_COOH三种材料在CH2、CH2O、CH2OO三种自由基下的最终交联结构完整度。从表中可以看出两种石墨烯量子点对于抗自由基损伤均有明显效果，其交联结构完整度最终都高于纯环氧树脂，交联结构被破坏程度更低。在CH2自由基损伤下，EP/GQD_C54H18、EP/GQD_COOH对环氧树脂交联结构的保护程度相差无几。然而，在针对含氧自由基时，官能团修饰的GQD表现出了较为明显的优势。在CH2O中，EP/GQD_COOH的交联结构完整度比EP/GQD_C54H18高出4.07%，这一特性在过CH2OO中高出3.75%。因此，在面对含氧自由基时，具有官能团修饰的EP/GQD_COOH抗自由基损伤能力强于EP/GQD_C54H18。
表1. 不同掺杂材料与纯环氧树脂的最终交联结构完整度
研究总结
本研究通过分子动力学模拟探究了EP/neat、掺杂改性后的EP/GQD_C54H18、EP/GQD_COOH在高海拔辐照诱导产生的三种不同自由基攻击下的损伤行为，并提出交联结构完整度这一微观指标对其掺杂GQD前后抗自由基损伤能力进行比较分析。结果表明，在面对烷基时，两种GQD掺杂材料表现出显著且相近的保护效果，末端官能团的影响较小。然而，在面对更具反应活性的含氧自由基时，末端具有官能团的GQD表现更为优异，其凭借优异的供氢能力，能够迅速抑制自由基，从而自始至终提供更有效的保护，表现出最优异的抗损伤性能。交联结构完整度在含氧自由基损伤下比GQD_C??H??高出约3.75%~4.01%。综上，GQD对于高海拔地区辐照产生的自由基有着显著的抑制作用，面对大量含氧自由基时，具有官能团修饰的GQD表现更为优异，更能提高环氧树脂复合材料的辐照耐受性。
