電力的安全高效輸送離不開高壓電纜系統(tǒng)的可靠運行。電纜局部放電往往引起絕緣性能劣化，因此局部放電的準確檢測對保障電纜等電力設備的安全與穩(wěn)定運行具有重要意義。
針對局部放電測量的傳統(tǒng)電磁信號檢測方法易受干擾、難以實現準確檢測的問題，科研團隊前期研制了柔性聲學傳感器，該器件具備本征抗電磁干擾能力和良好曲面貼合性，成為電纜局部放電精準感知的重要手段。然而，柔性壓電薄膜聲學傳感材料在提升壓電系數與降低介電常數之間存在矛盾，導致壓電電壓系數被限制在20~40mV·m·N?1范圍內，傳感精度受限。
針對這一瓶頸，西安交通大學電氣學院鐘力生、高景暉教授團隊提出了一種柔性壓電薄膜的緩沖層調控性能提升策略，通過在Pb(Zr?.??Ti?.??)O?（PZT）薄膜下方引入TiO?緩沖層：一方面，利用緩沖層的低介電常數降低復合薄膜的等效介電常數；另一方面，通過緩沖層促進PZT晶粒細化、提升擇優(yōu)取向和誘導自極化效應，大幅提升了PZT薄膜的壓電系數，實現了柔性壓電材料傳感性能顯著提升。通過該方案，團隊獲得了壓電電壓系數高達124mV·m·N?1的柔性壓電薄膜，研制的柔性超聲傳感器件為電纜局部放電聲學檢測提供了新型傳感解決方案。
研究成果以《利用緩沖層策略提升柔性壓電薄膜聲學傳感器的靈敏度以用于電纜絕緣狀態(tài)監(jiān)測》（Enhancing Sensitivity of Flexible Piezoelectric Thin-Film Acoustic Sensors via Buffer Layer Engineering for Insulation Health Monitoring of Power Cables）為題發(fā)表在國際頂級期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上，電氣工程學院高端電纜制造與應用協(xié)同創(chuàng)新中心吳明副教授為論文的第一作者，碩士生趙一明為第二作者，高景暉教授、鐘力生教授為論文通訊作者。
高端電纜制造與應用協(xié)同創(chuàng)新中心以電氣絕緣學科為基礎，依托于電工材料電氣絕緣全國重點實驗室研究平臺，重點開展高端電纜絕緣材料、高壓電纜絕緣結構設計、電纜試驗與狀態(tài)感知、電介質極化理論及應用等方面的研究，旨在建立我國從事高端電纜研究開發(fā)的高端人才隊伍、解決高端電纜領域的前瞻性基礎理論和關鍵技術問題、突破高壓直流電纜、海底電纜、特種裝備用電纜等方面的瓶頸。
在電力設備運維方面，團隊提出了柔性超聲傳感電纜局部放電和植入式電機超聲傳感等新方法，通過產學研用協(xié)同創(chuàng)新，實現了系列高性能器件的開發(fā)與應用。系列研究成果發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）、《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）、《高電壓（英文）》（High Voltage）、《化學工程雜志》（Chemical Engineering Journal）、《IEEE介電與電氣絕緣匯刊》（IEEE Transactions on Dielectric and Electrical Insulation）和《高電壓技術》等國內外高水平期刊上，還被美國物理學會Scilight欄目采訪報道，稱該工作提供了“一種智能簡單的方法解決放電檢測難題”。此外，團隊還指導研究生在中國國際大學生創(chuàng)新大賽（2025）榮獲金獎。
來源 | 西安交通大學
編輯 | 常 佳
審核 | 何曉芳
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