惡劣運(yùn)行環(huán)境下硅橡膠絕緣材料老化過(guò)程與表征研究結(jié)題摘要

硅橡膠材料是一種重要的有機(jī)絕緣材料，因其良好的憎水性和特有的憎水遷移性，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)架空輸電線路的復(fù)合絕緣子和防污閃涂料中。然而，硅橡膠在長(zhǎng)期運(yùn)行中易受到電場(chǎng)、光照、濕度、溫度等因素的影響而發(fā)生老化。近年來(lái)，在我國(guó)許多地區(qū)都觀測(cè)到硅橡膠絕緣材料的顯著老化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響絕緣性能，有必要對(duì)其老化機(jī)理和評(píng)估體系進(jìn)行研究。 課題組通過(guò)采集實(shí)際運(yùn)行后的硅橡膠樣品和自制樣品，研究導(dǎo)致硅橡膠發(fā)生老化的影響因素和老化過(guò)程，并從微觀層面研究引發(fā)老化反應(yīng)的活性基團(tuán)種類(lèi)、參與反應(yīng)的官能團(tuán)種類(lèi)等，闡釋硅橡膠材料的老化機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后，混煉硅橡膠、液體硅橡膠的主要老化現(xiàn)象包括褪色、硬化、粉化龜裂、憎水性下降等。從微觀結(jié)構(gòu)和成分角度來(lái)說(shuō)，老化后的硅橡膠中有機(jī)官能團(tuán)含量下降，有機(jī)成分減少，無(wú)機(jī)成分增加，Si元素化合態(tài)升高，在部分液體硅橡膠中還會(huì)有晶體結(jié)構(gòu)形成。 基于對(duì)硅橡膠老化過(guò)程的機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)，硅橡膠的老化以交聯(lián)反應(yīng)為主導(dǎo)，通過(guò)熱氧老化，課題組成功模擬了混煉硅橡膠的硬化、褪色現(xiàn)象。因此，可基于熱氧老化試驗(yàn)建立硅橡膠的人工加速老化方法體系，用于硅橡膠的入網(wǎng)檢測(cè)和耐老化性能評(píng)估。 此外，課題組研究了水、溶液和濕氣對(duì)硅橡膠電氣性能的影響規(guī)律；通過(guò)活化能的計(jì)算揭示了水和溶液浸漬對(duì)硅橡膠熱穩(wěn)定性的影響規(guī)律；通過(guò)表面硅氧烷含量的測(cè)量及表面微觀形貌的觀察闡釋了水和溶液浸漬對(duì)硅橡膠憎水性的影響機(jī)制。 基于線性回歸分析和Logistic回歸模型方法，課題組篩選老化特征量并將老化程度閾值定量化，建立硅橡膠材料老化程度表征體系，使用邵氏硬度、噴水分級(jí)等級(jí)和紅外光譜等檢測(cè)手段，即可獲取硅橡膠運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估所需的特征量，從而對(duì)硅橡膠的老化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。 本課題對(duì)于硅橡膠高分子材料老化機(jī)理與壽命評(píng)估的研究，既是對(duì)現(xiàn)有硅橡膠老化理論的完善和發(fā)展，同時(shí)也是當(dāng)前電力生產(chǎn)實(shí)際中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

硅橡膠材料是一種重要的有機(jī)絕緣材料，以它作為主要原料制成的復(fù)合絕緣子和防污閃涂料可大大提高電力外絕緣的防污閃性能。但是它的耐老化性能低于陶瓷、玻璃等電工材料。國(guó)內(nèi)外主要在宏觀層面對(duì)導(dǎo)致硅橡膠材料老化的環(huán)境因素和老化后的性能變化進(jìn)行研究，還缺乏基于反應(yīng)基團(tuán)層面對(duì)老化物理、化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理研究。本課題通過(guò)采集實(shí)際運(yùn)行后的硅橡膠樣品和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自制樣品，研究導(dǎo)致硅橡膠發(fā)生老化的影響因素和老化過(guò)程，并從微觀層面研究引發(fā)老化反應(yīng)的活性基團(tuán)種類(lèi)、參與反應(yīng)的官能團(tuán)種類(lèi)等，闡釋硅橡膠材料的老化機(jī)理。并在對(duì)硅橡膠材料老化前后各項(xiàng)狀態(tài)、性能指標(biāo)對(duì)比的基礎(chǔ)上，選擇特征量并將老化程度閾值定量化，建立硅橡膠材料老化程度表征體系。

其他老化因素絕緣材料在許多場(chǎng)合下要承受各種機(jī)械應(yīng)力的作用，有恒定的、振動(dòng)的，有熱脹冷縮循環(huán)的。這些應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致蠕變破壞或疲勞破壞。在戶(hù)外使用的絕緣材料受日光直接照射，在紫外線作用下也會(huì)發(fā)生老化。在核反應(yīng)堆、 X射線裝置中用的絕緣材料受到輻射作用,均會(huì)發(fā)生老化。絕緣材料受潮會(huì)使電導(dǎo)增大,加大損耗。水還會(huì)溶解許多物質(zhì)，加速導(dǎo)致老化的各種化學(xué)反應(yīng)。酸、臭氧等也會(huì)導(dǎo)致化學(xué)老化。對(duì)于某些絕緣材料，例如聚乙烯，由于水分的存在，在很低的電場(chǎng)強(qiáng)度下也會(huì)發(fā)生樹(shù)枝現(xiàn)象(見(jiàn)固體電介質(zhì)擊穿)。此外，在溫?zé)釒У貐^(qū)絕緣材料還會(huì)受到各種微生物的損害，即所謂微生物老化。

絕緣材料在實(shí)際應(yīng)用中往往同時(shí)受到多種老化因素的作用，其效應(yīng)并不是各種單一因素老化效應(yīng)的簡(jiǎn)單疊加。它們之間還存在著相互作用，所以老化機(jī)理很復(fù)雜。掌握這些機(jī)理可以找出防止老化的方法和制定可靠的人工加速老化試驗(yàn)方法。

電老化高壓電工設(shè)備中因介質(zhì)不均勻或電場(chǎng)分布不均勻，特別是在固體或液體材料內(nèi)部或表面存在氣體，就可能產(chǎn)生局部放電。放電產(chǎn)生的帶電質(zhì)點(diǎn)會(huì)直接轟擊絕緣材料,使材料分解；在放電點(diǎn)可產(chǎn)生很高的溫度,使材料發(fā)生熱裂解或碳化；放電也可能產(chǎn)生各種新的生成物（如臭氧等）而腐蝕材料；放電會(huì)發(fā)出各種射線及聲波，對(duì)材料也會(huì)起破壞作用。這些都會(huì)引起絕緣材料老化。