宋曉麗, 李字明, 閆康凱, 李 敏，陳媛媛，劉宗俊，王 鈾

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱150090；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 化工與化學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150001)

高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展目前正積極推進(jìn)社會(huì)的智能化轉(zhuǎn)變[1]。電力系統(tǒng)過(guò)熱故障的智能排查與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，已成為智能電網(wǎng)建設(shè)中亟待解決的問(wèn)題。目前過(guò)熱故障排查主要靠巡檢，然而即使是最先進(jìn)的配備紅外設(shè)備的無(wú)人機(jī)巡查，也存在巡檢周期長(zhǎng)、成本高、對(duì)細(xì)微部位的探測(cè)精度低、故障點(diǎn)熱源消失致使無(wú)法探測(cè)等難題。因此急需構(gòu)建一種高效的溫度傳感系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)故障快速排查。另一方面，在過(guò)熱故障排查的同時(shí)，如果能全面收集故障發(fā)生時(shí)的溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，將進(jìn)一步提高未來(lái)的智能電網(wǎng)的效率，優(yōu)化電網(wǎng)設(shè)計(jì)，從源頭有效地減少過(guò)熱故障事件的發(fā)生。

作為一種溫度傳感材料，示溫材料可通過(guò)顏色變化直接指示物體表面溫度分布及變化，具有成本低、變色快、易于觀察且不受底物表面形狀影響等優(yōu)點(diǎn)[2]，相較于傳統(tǒng)的熱電偶、紅外等測(cè)溫方式有較大優(yōu)勢(shì)，因而已在很多領(lǐng)域的溫度檢測(cè)中得到應(yīng)用[3-5]，現(xiàn)今在電力系統(tǒng)的測(cè)溫中逐漸得到重視。目前，國(guó)外對(duì)此已有所研究，美國(guó)專利[6]中對(duì)4種市售單變色或雙變色示溫材料(MC 165-2，MC 104-2，KN-4和KN-11)在電力線使用環(huán)境中進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明四種示溫材料有良好的變色性能和耐久性，使用壽命預(yù)計(jì)五年或更長(zhǎng)，變色溫度范圍在100～210 ℃，可用于地面監(jiān)測(cè)架空電力連接器和導(dǎo)體中的部分過(guò)熱故障。國(guó)內(nèi)谷山強(qiáng)等人[7]最早研究并制備了用于電網(wǎng)過(guò)熱故障檢測(cè)的單變色不可逆示溫材料，如圖1所示。材料在150 ℃發(fā)生不可逆顏色改變，可用于監(jiān)測(cè)輸電線路接頭部件由雷擊、短路、銹蝕等導(dǎo)致的過(guò)熱故障。

圖1 示溫材料檢測(cè)輸電線路過(guò)熱故障示意圖

但目前無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，對(duì)于電網(wǎng)故障監(jiān)測(cè)中研究與應(yīng)用的多為單變色示溫材料，而且變色溫度基本都在200 ℃以下。因此無(wú)法通過(guò)溫度對(duì)故障類型進(jìn)行區(qū)分，且無(wú)法收集到有參考價(jià)值的故障溫度數(shù)據(jù)。近年來(lái)，作為變色材料家族的新成員，多變色示溫材料應(yīng)運(yùn)而生。多變色示溫材料可在一定溫度區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生多種不同的顏色變化，其中每種顏色均有相對(duì)應(yīng)的溫度，同時(shí)具備指示溫度與收集溫度數(shù)據(jù)的功能，因而更適用于電網(wǎng)中不同溫度的過(guò)熱故障的監(jiān)測(cè)及溫度數(shù)據(jù)采集。

現(xiàn)實(shí)中，電力系統(tǒng)架空輸電線路由于雷擊等引起的故障約占30%，雷擊的持續(xù)時(shí)間一般為毫秒級(jí)[8-9]，雷擊時(shí)電弧引發(fā)的高溫可達(dá)600 ℃[10]乃至上千度[7,11]。綜合考慮雷擊的各種情況，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，本文制備了一種300～900 ℃多變色不可逆示溫材料。此種材料變色響應(yīng)迅速，響應(yīng)時(shí)間5 s，且變色具有明顯溫度依賴性，能在300～900 ℃溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出7種不同顏色變化，有望為電力系統(tǒng)有效定位雷擊故障點(diǎn)與判斷故障溫度提供一個(gè)新的途徑。在此基礎(chǔ)上，本文選取800 ℃作為雷擊代表性溫度對(duì)材料的多變色機(jī)理進(jìn)行了初探。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

七水硫酸鈷(CoSO4·7H2O)：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；結(jié)晶紫(C25H31N3)：分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；氧化鉍(Bi2O3)：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；改性有機(jī)硅樹脂：工業(yè)級(jí)，深圳金博晟科技有限公司；二甲苯：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；滑石粉：工業(yè)級(jí)，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；高嶺土：工業(yè)級(jí)，天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠；云母粉：工業(yè)級(jí)，靈壽縣華源云母有限公司。

1.2 材料制備

將選取的材料組分經(jīng)過(guò)預(yù)混合、球磨分散至細(xì)度小于30 μm、調(diào)和至合適的黏度后配制成不可逆示溫材料[12]，利用涂刷法涂覆于裁剪至合適尺寸的馬口鐵板試片上制成涂片樣品。制備流程如圖2所示。

圖2 多變色不可逆示溫材料的制備流程圖

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 材料物理機(jī)械性能測(cè)試

材料細(xì)度根據(jù)GB/1724-89的方法采用50 μm量程的QXD型刮板細(xì)度計(jì)進(jìn)行材料細(xì)度的測(cè)試。

表干時(shí)間根據(jù)GB/T1728-79(89)中制定的指觸法來(lái)測(cè)定；實(shí)干時(shí)間根據(jù)GB/T1728-79(89)中的刀片法測(cè)定。

涂層附著力根據(jù)GB/T9286-1998使用旋轉(zhuǎn)式材料膜劃格器來(lái)測(cè)定。

涂層硬度根據(jù)GB/T6739-1996采用QXQ-A型鉛筆硬度計(jì)測(cè)定。

1.3.2 多變色性能測(cè)試

蝶形片測(cè)試。蝶形片漸變形狀使其在中心受熱時(shí)產(chǎn)生均勻分布的溫度場(chǎng)，可用于測(cè)定材料的多變色情況。采用可調(diào)式涂膜器控制涂膜厚度為30 μm，將材料涂敷于蝶形片。待涂層實(shí)干后，使用酒精噴燈作為加熱設(shè)備，將蝶形片最窄處對(duì)準(zhǔn)火焰中心進(jìn)行加熱，噴燈火焰中心溫度可達(dá)900 ℃。恒溫5 s后，若涂層變色后等溫線較多且分布均勻，說(shuō)明該材料配方良好。

標(biāo)準(zhǔn)試片測(cè)試。采用可調(diào)式涂膜器控制涂層厚度30 μm，將其涂覆在30 mm×20 mm的馬口鐵板上，材料膜實(shí)干后在200 ℃下固化2 h，然后分別將試片放入升至300、400、500、600、700、800和900 ℃的KSL-1200X型馬弗爐中，恒溫5 s后取出冷卻至室溫，作為標(biāo)準(zhǔn)比色試片，使用Nikon D3200相機(jī)拍攝記錄不同溫度下涂層變色情況，用于標(biāo)定顏色，結(jié)合SR-60型色差儀及photoshop軟件將顏色量化為RGB值。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料配方的篩選

2.1.1 顏料體系

為實(shí)現(xiàn)多變色效果，本文采用有機(jī)顏料和無(wú)機(jī)顏料相結(jié)合，并以穩(wěn)定的氧化物顏料作為高溫底色顏料。通過(guò)對(duì)比變色效果最終選擇由質(zhì)量比為 5∶1∶10 的硫酸鈷、結(jié)晶紫和氧化鉍組成的多變色顏料體系，其中硫酸鈷作為主變色顏料，能夠在300～900 ℃內(nèi)的不同溫度區(qū)間發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，使材料出現(xiàn)多個(gè)變色點(diǎn)，結(jié)晶紫顏料著色力很強(qiáng)，分解溫度較低，能夠使材料在中低溫段顯現(xiàn)很好的顏色變化，氧化鉍顏料高溫穩(wěn)定性很好，分解溫度高，主要起高溫底色作用。

2.1.2 樹脂基料

示溫材料作為測(cè)量溫度使用，樹脂本身需要有很好的耐熱性，才能保證涂層在高溫下的機(jī)械性能。本文選取的有機(jī)硅樹脂具有優(yōu)良的耐熱性、耐候性、憎水性及電氣絕緣性，能夠滿足多變色示溫材料對(duì)樹脂的要求。

2.1.3 填料及溶劑

填料在示溫材料中起助色、耐溫、耐候及增加附著力、分散性等輔助作用。不同的填料在示溫材料中所起的作用是不同的。本文主要采用滑石粉、高嶺土和云母粉等硅酸鹽類物質(zhì)和耐高溫的氧化物等作為填料?；壑饕煞譃樗瞎杷徭V，耐高溫性好，可以調(diào)節(jié)材料的黏度，充當(dāng)顏料的隔離劑，提高顏料的著色效果；高嶺土具有化學(xué)惰性，較高的覆蓋能力，理想的流動(dòng)性以及優(yōu)良的絕緣性；云母粉可阻止紫外線的輻射從而提升材料膜的光穩(wěn)定性，此外，云母粉具有優(yōu)良的耐熱性、耐久性、耐酸性、耐堿性和電氣絕緣性。溶劑選用二甲苯，用于將材料調(diào)和至適合于刷涂的黏度。

2.1.4 材料配方

多變色不可逆示溫材料配方如表1所示。

表1 多變色不可逆示溫材料配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

2.2 涂層物理機(jī)械性能測(cè)定結(jié)果

實(shí)驗(yàn)所制備的高溫多變色不可逆示溫涂層的基本技術(shù)指標(biāo)如表2所示。對(duì)比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，自制材料滿足材料的基本技術(shù)指標(biāo)。

表2 示溫材料的基本物理機(jī)械性能

2.3 涂層變色多變色行為測(cè)定

采用1.3小節(jié)所述的方法進(jìn)行蝶形片及標(biāo)準(zhǔn)試片測(cè)試，涂層顏色變化情況如圖3所示，可以看出，從中心900 ℃到邊緣300 ℃，蝶形片涂層呈現(xiàn)7種顏色，等溫線清晰且分布均勻，變色性能良好。

圖3 涂層蝶形片及標(biāo)準(zhǔn)試片測(cè)試結(jié)果

進(jìn)一步以100 ℃為梯度進(jìn)行300～900 ℃的標(biāo)準(zhǔn)試片測(cè)試，5 s后可以看出其顏色變化與蝶形片相一致。將保溫時(shí)間進(jìn)一步持續(xù)到60 s，顏色相較于5 s時(shí)也未發(fā)生明顯的變化，證明材料在所針對(duì)的應(yīng)用場(chǎng)景條件下具有很好的穩(wěn)定性與不可逆性，能夠滿足電網(wǎng)雷擊等瞬時(shí)熱源加熱場(chǎng)景下的過(guò)熱溫度檢測(cè)要求。實(shí)際工程中人工判別時(shí)運(yùn)維人員可以通過(guò)對(duì)比設(shè)備上涂層的顏色與比色卡的顏色來(lái)大致確定設(shè)備的故障溫度。

2.4 色-溫關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)曲線建立

雖然所制示溫材料變色明顯，運(yùn)維人員可依照標(biāo)準(zhǔn)試片對(duì)溫度進(jìn)行粗略判讀，但智能化的發(fā)展對(duì)判讀的準(zhǔn)確性提出了更高的要求，采用計(jì)算機(jī)代替人工進(jìn)行判讀是大勢(shì)所趨。一方面，根據(jù)顏色與溫度之間的定量關(guān)系采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化判讀，能夠通過(guò)顏色解析得到較精確的溫度數(shù)據(jù)，避免了人工監(jiān)測(cè)溫度判讀的誤差。另一方面，在得到足量故障溫度數(shù)據(jù)后可構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)能夠最終實(shí)現(xiàn)故障的智能監(jiān)測(cè)。

為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化判讀，首先要將標(biāo)準(zhǔn)比色卡的顏色進(jìn)行量化處理，得到其與溫度之間的定量關(guān)系，為計(jì)算機(jī)判讀提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。本文采取應(yīng)用最廣的RGB顏色標(biāo)準(zhǔn)，利用色差儀及Photoshop軟件將標(biāo)準(zhǔn)比色卡的涂層顏色量化為R、G、B三個(gè)值，結(jié)果如表3所示。

表3 不同溫度下材料顏色RGB值(R，G，B)

根據(jù)前面的多變色實(shí)驗(yàn)，本文發(fā)現(xiàn)材料的顏色與溫度之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。由此可建立一種標(biāo)準(zhǔn)比色卡顏色RGB數(shù)值與其溫度之間一一對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[13-14]，從而可依據(jù)此模型通過(guò)涂層顏色對(duì)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確判讀。在構(gòu)建色溫?cái)?shù)學(xué)模型時(shí)，由于RGB顏色標(biāo)準(zhǔn)對(duì)顏色的描述分R(紅)、G(綠)、B(藍(lán))的3個(gè)數(shù)值，因此，我們通過(guò)Matlab建立顏色與溫度對(duì)應(yīng)的三維空間曲線，X、Y、Z軸分別對(duì)應(yīng)R、G、B，所建立的色溫空間曲線為圖4中紅線，此模型即為本文色溫讀取的數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖4 多變色示溫材料的色溫空間曲線

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生過(guò)熱故障讀取故障點(diǎn)溫度時(shí)，先通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像采集系統(tǒng)采集的涂層顏色進(jìn)行處理得到其RGB值，在三維空間中尋找對(duì)應(yīng)點(diǎn)A。若A點(diǎn)位于色溫曲線Tb-Tc段(Tb

(1)

實(shí)際應(yīng)用中，不同拍攝條件下RGB值變化不大。相對(duì)而言，色溫讀取數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建對(duì)溫度讀取的準(zhǔn)確性更重要，因此,需在制備變色溫度區(qū)間更窄、變色更豐富的多變色示溫材料方面進(jìn)行更多研究，以構(gòu)建更加完備的數(shù)據(jù)庫(kù)，從而進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)色溫自動(dòng)讀取的準(zhǔn)確度。

發(fā)生故障時(shí)，利用此計(jì)算機(jī)自動(dòng)判讀技術(shù)可以得到較為準(zhǔn)確的故障點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，逐步構(gòu)建故障溫度數(shù)據(jù)庫(kù)，再結(jié)合大數(shù)據(jù)及人工智能，將有望實(shí)現(xiàn)故障的計(jì)算機(jī)自主智能檢測(cè)。

3 變色機(jī)理探究

對(duì)示溫材料變色機(jī)理的研究一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，它有助于后期指導(dǎo)材料變色性能的深度調(diào)控[15]。但對(duì)于多變色示溫材料，其變色機(jī)理非常復(fù)雜，研究開展具有非常大的挑戰(zhàn)性：一方面，多變色機(jī)理具有溫度依賴性，不同溫度下的變色機(jī)理完全不同，多變色的顏色越多，意味著變色機(jī)理越復(fù)雜；另一方面，多變色示溫材料需要通過(guò)多顏料配方以實(shí)現(xiàn)多變色行為。體系成分的復(fù)雜，導(dǎo)致其存在多種可能變色機(jī)理路徑。由于多變色示溫材料變色機(jī)理的復(fù)雜性，目前有關(guān)多變色機(jī)理的文獻(xiàn)報(bào)道非常少。本文將重點(diǎn)研究雷擊過(guò)熱故障的變色機(jī)理，通過(guò)采用簡(jiǎn)化變色模型、提出變色路徑假設(shè)、驗(yàn)證機(jī)理路徑策略，對(duì)其800 ℃下示溫材料變色機(jī)理進(jìn)行了初探。

3.1 簡(jiǎn)化變色模型

首先簡(jiǎn)化變色模型，用顏料替代材料(忽略配方中樹脂、溶劑、填料)開展研究。如圖5所示，顏料與材料的顏色隨溫度變化趨勢(shì)完全一致(小圖為材料顏色)。因此，可以采用顏料代替材料進(jìn)行變色機(jī)理研究。

圖5 混合顏料的熱致變色結(jié)果(煅燒時(shí)間5 min)

由于示溫材料變色主要由顏料引起，本文采用顏料代替材料進(jìn)行變色機(jī)理探討。即使如此，多變色混合顏料成分的復(fù)雜性仍使其機(jī)理研究存在很大困難，故本文通過(guò)提出假設(shè)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的科學(xué)研究方法對(duì)其變色機(jī)理進(jìn)行了合理推測(cè)，并采用TG、XRD、FT-IR等表征手段對(duì)推測(cè)進(jìn)行了驗(yàn)證，最終提出合理變色機(jī)理。

由于固體顏料粉末與馬口鐵板涂層相比傳熱較差，因此，本文將顏料放入馬弗爐中在不同溫度下煅燒，恒溫時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)至5 min。

3.2 變色路徑假設(shè)

本文的多變色材料體系中含有結(jié)晶紫、硫酸鈷、氧化鉍3種顏料成分，分別用A、B、C表示，為了研究不同顏料組分對(duì)800 ℃溫度節(jié)點(diǎn)的變色所起的作用，設(shè)計(jì)了4種假設(shè)路徑。路徑1是A、B、C之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，800 ℃下終態(tài)顏色為3種顏料物理混合顏色；路徑2是A與B發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后與C混合；路徑3是A 與C發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后與B混合；路徑4是B與C發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后與A混合。圖6是設(shè)計(jì)的4組路徑實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比實(shí)際變色色塊圖(左側(cè))與路徑1～4得到的顏色結(jié)果(右側(cè))，可以看出路徑4的顏色與實(shí)際顏色基本一致。由此推測(cè)硫酸鈷和氧化鉍在800 ℃條件下發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物與結(jié)晶紫(800 ℃未反應(yīng))進(jìn)行物理混合得到終態(tài)顏色。

圖6 不同路徑下混合顏料的800 ℃熱致變色色塊圖

3.3 驗(yàn)證機(jī)理路徑

3.3.1 熱重分析(TG)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證路徑4提出的假設(shè)，利用熱重分析儀在300～900 ℃條件下分別對(duì)結(jié)晶紫、硫酸鈷、氧化鉍3種單獨(dú)顏料與硫酸鈷/氧化鉍混合顏料(質(zhì)量比1∶2)在空氣氣氛中的熱失重行為進(jìn)行研究。圖7為結(jié)晶紫、硫酸鈷和氧化鉍3種單獨(dú)顏料的熱重曲線，可以看到，結(jié)晶紫在617.4 ℃時(shí)完全分解，證明其在800 ℃時(shí)對(duì)顏色的作用很小；氧化鉍在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)都沒(méi)有發(fā)生明顯的質(zhì)量損失，熱穩(wěn)定性很好，證明其在不同溫度下呈現(xiàn)穩(wěn)定的底色；硫酸鈷在300～900 ℃內(nèi)存在3個(gè)發(fā)生明顯質(zhì)量損失的溫度段，其中包含800 ℃的680～824 ℃溫度段亦熱失重明顯，證明在這一溫度段內(nèi)硫酸鈷發(fā)生熱分解。圖8為硫酸鈷/氧化鉍配比為1∶2時(shí)混合顏料的熱重曲線，對(duì)比圖7和圖8可以看到，硫酸鈷和混合物的熱重曲線走勢(shì)基本一致，但在680 ℃之后發(fā)生兩段熱失重，不同于純硫酸鈷，證明硫酸鈷/氧化鉍的混合物在此溫度區(qū)間存在化學(xué)反應(yīng)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[16]，硫酸鈷在680 ℃之前會(huì)失去結(jié)晶水，680 ℃后開始部分分解轉(zhuǎn)化為氧化鈷，故本文推測(cè)800 ℃下混合顏料中的硫酸鈷會(huì)發(fā)生式(2)的分解反應(yīng)

圖7 結(jié)晶紫、氧化鉍、硫酸鈷的TG曲線

圖8 硫酸鈷/氧化鉍=1/2的混合顏料TG曲線

CoSO4→CoO + SO3

(2)

而氧化鈷與氧化鉍之間可以生成鈷鉍氧的三元氧化物，故800 ℃下分解的硫酸鈷與氧化鉍之間可能發(fā)生式(3)的化合反應(yīng)

xCoO +yBi2O3→ BixCo2yOx+3y

(3)

3.3.2 XRD和FT-IR驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證在800 ℃條件下式(2)和式(3)是否發(fā)生，本文進(jìn)行了XRD和FT-IR表征。

為驗(yàn)證硫酸鈷在800 ℃煅燒時(shí)是否會(huì)發(fā)生式(2)反應(yīng)，本文單獨(dú)將硫酸鈷顏料在800 ℃條件下進(jìn)行煅燒并通過(guò)XRD測(cè)定其物相，結(jié)果如圖9所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，800 ℃煅燒5 min后的硫酸鈷在2θ為34.48°時(shí)出現(xiàn)一個(gè)歸屬于氧化鈷相的新峰，說(shuō)明在800 ℃煅燒后發(fā)生了式(2)反應(yīng)，部分硫酸鈷分解生成了氧化鈷。

圖9 25 ℃和800 ℃下硫酸鈷的XRD譜圖

為證明混合顏料中的硫酸鈷同樣發(fā)生了式(2)的分解反應(yīng)，測(cè)定了硫酸鈷與氧化鉍混合物在800 ℃煅燒前后的紅外譜圖，結(jié)果如圖10所示。觀察指紋區(qū)的吸收峰可以看到，室溫25 ℃時(shí)，混合顏料在1 089 cm-1處有一尖銳的特征峰，這是硫酸根的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰[17-18]，高溫煅燒后，對(duì)應(yīng)特征峰變?nèi)?，可以證明混合顏料中的硫酸鈷也確實(shí)發(fā)生了式(2)的分解反應(yīng)，生成了氧化鈷。

圖10 25 ℃和800 ℃下混合顏料的FT-IR譜圖

為驗(yàn)證式(3)反應(yīng)是否發(fā)生，進(jìn)一步測(cè)定了硫酸鈷與氧化鉍混合物在800 ℃煅燒前后的XRD譜，結(jié)果如圖11所示，可以看到，混合顏料除了穩(wěn)定存在的氧化鉍和部分未分解的硫酸鈷外，生成了多種鈷鉍氧的三元氧化物，證明了式(3)反應(yīng)的發(fā)生。

圖11 800 ℃下混合顏料的XRD譜圖

以上XRD及FT-IR測(cè)試的結(jié)果充分驗(yàn)證了在800 ℃條件下，混合顏料中會(huì)發(fā)生式(2)、式(3)的化學(xué)反應(yīng)，說(shuō)明混合顏料在800 ℃的變色機(jī)理為硫酸鈷的部分分解及其生成的氧化鈷與氧化鉍之間的化合反應(yīng)，其中結(jié)晶紫在800 ℃條件下全部分解為氣體，不參與反應(yīng)，對(duì)材料成色無(wú)影響。

4 結(jié)論與展望

本文制備的多變色不可逆示溫材料在300～900 ℃區(qū)間內(nèi)有7種顏色變化，且響應(yīng)時(shí)間為5 s，變色明顯，穩(wěn)定性好。在此基礎(chǔ)上，建立了該材料所示顏色與所處溫度的數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建出色-溫標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)學(xué)模型，通過(guò)該模型，即可快速判斷故障類型并實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)各部分溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。最后，選取800 ℃為代表溫度研究了材料變色機(jī)理，證明在此溫度下材料的變色主要由硫酸鈷的分解及其產(chǎn)物與氧化鉍的反應(yīng)引起。

研制的超快響應(yīng)的多變色示溫材料在智能電網(wǎng)溫度傳感系統(tǒng)上具有很大的應(yīng)用潛力，但在材料的示溫精度及構(gòu)建電網(wǎng)故障自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)等方面還有很大的發(fā)展空間。一方面，為實(shí)現(xiàn)對(duì)故障溫度更加精確的指示，開發(fā)變色區(qū)間更窄、示溫精度更高的多變色材料成為研究的重點(diǎn)，而且未來(lái)的研究中可以通過(guò)溫度區(qū)間的細(xì)化進(jìn)一步完善多變色色溫空間曲線。另一方面，為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)測(cè)溫的自動(dòng)化，還需設(shè)計(jì)集涂層照片捕捉、照片顏色分析、計(jì)算溫度等功能于一體的智能化集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障溫度的客觀采集。在故障溫度數(shù)據(jù)的搜集達(dá)到一定程度后，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的故障自主監(jiān)測(cè)，推進(jìn)電網(wǎng)系統(tǒng)向可靠高效的智能化方向轉(zhuǎn)變。