硅橡胶在电痕化导致下的表面结构变化

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硅橡胶 电绝缘子 电痕化 ATR-FTIR 光谱 二维相关光谱 老化 表面粗糙度

研究揭示硅橡胶电气跟踪降解机制的前沿科学新闻

背景介绍：研究动机及问题

随着电力传输和配电系统的快速发展，高分子复合绝缘子已逐渐取代传统玻璃和陶瓷绝缘子，成为户外高压输电领域中的首选材料。这其中，基于硅橡胶的复合绝缘子因其重量轻、耐热性高、化学稳定性佳及疏水性能（hydrophobicity）的优秀表现，备受工程界的青睐。它们不仅在生产安装过程中具有较高的性价比，同时也能在长期运行中表现出优越的抗老化特性。然而，这些绝缘材料在实际的运行条件下会因受电气和环境应力（例如高电压、多变的天气因素、盐雾腐蚀等）的影响而逐渐退化，最终可能导致设备的失效甚至电网故障。因此，深入了解硅橡胶材料的退化机制，研究其材料结构随退化发生的重要变化，具有重要的科学意义和应用价值。

为了应对这一问题，本文研究基于实际变电设备的硅橡胶样品，通过电气跟踪试验（tracking wheel test）模拟材料在长期运行中因环境和电气应力所发生的表面结构变化，并利用尖端的光谱技术，如通过衰减全反射傅里叶变换红外光谱法（Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectroscopy, ATR FT-IR）以及二维相关光谱法（Two-dimensional Correlation Spectroscopy, 2D-COS），来探索这些退化过程中的分子结构变化规律。通过此研究，作者试图揭示材料受电气环境应力作用时从宏观到微观结构的动态改变机制，最终为预测绝缘子寿命以及优化其加工工艺提供科学依据。

文章来源及研究作者

本文是由Harpreet Kaur、Kavin Bhuvan、Rajkumar Padmawar和Dennis K. Hore联合撰写。作者分别隶属于加拿大维多利亚大学化学系（Department of Chemistry, University of Victoria）、ASASoft Canada Inc.以及维多利亚大学计算机科学系（Department of Computer Science, University of Victoria）。该研究发表于《Applied Spectroscopy》，特刊主题为“二维相关光谱学（Two-dimensional Correlation Spectroscopy, 2D-COS）”，2025年第79卷第1期，文章编号199–205。

研究流程详细汇报

实验设计与关键方法

研究通过一系列高度控制的实验程序探讨硅橡胶复合绝缘子受电气跟踪作用后发生的表面和分子水平退化现象。实验节点的具体设计如下：

  1. 样品制备与实验过程：

    • 本实验选择了5个15kV复合硅橡胶绝缘子，每个绝缘子分别经过清洁处理后固定在电气跟踪轮（tracking wheel）上进行实验。
    • 跟踪轮实验模拟了绝缘子在高盐（1.4 g/L NaCl溶液）和高电压（12.5kV）环境中的动态运行条件。整个实验设计包括湿循环（每个绝缘子在40秒内沉浸于溶液中）和干燥循环（模拟运行后的电气冷却阶段）。最终，实验分段累积达到从20,000到30,000次不等的跟踪循环。

  2. 光谱表征与接触角测量：

    • 实验利用ATR FT-IR检测材料从500 cm⁻¹到3700 cm⁻¹的红外特征吸收波段，分析材料表面不同功能基团的吸光变化。此外，使用二维相关光谱法（2D-COS）从同步与异步层面探讨功能基团退化的序列。
    • 静态接触角测量评估材料的疏水性变化，五滴去离子水的接触角值被记录并统计取平均值。

  3. 数据分析方法：

    • 使用Pareto缩放法放大二维光谱中交叉峰的细节以解析较小的分子变化。
    • 材料对外界应力反应的分子顺序，依据Noda规则，通过同步和异步光谱的交叉峰符号区分。

研究结果与分析阐述

  1. ATR FT-IR 检测结果：

    • 研究发现，硅橡胶样品受电气跟踪作用后，红外吸收峰（代表不同功能基团）的强度显著减弱。具体表现为Si-O-Si主链峰（1010 cm⁻¹）、ATH填料中的Al-O和羟基峰（555、663、733 cm⁻¹及3200-3700 cm⁻¹）以及甲基侧链（例如789、1262和2965 cm⁻¹）趋于持续减少。
    • 此现象表明材料的降解包括主链断裂、填料分解（产生氧化铝晶体）以及表面硬化。

  2. 接触角测量与疏水性恢复：

    • 接触角从原始样品的91°增加至经过30,000循环后材料的99°，显示在高盐和电气应力环境下硅橡胶表面疏水性增强。这种改变被归因于微观结构粗糙度的提升（类似荷叶效应）。

  3. 2D-COS的分子变化序列：

    • 低频区功能基团变化的顺序依次为：ATH中的Al-O及羟基 > Si-O-Si主链 > 甲基侧链。
    • 高频区域羟基的不同吸收峰减少存在先后顺序，3520 cm⁻¹在3620 cm⁻¹之前变化。
    • 结合低频和高频区，研究揭示了ATH填料的快速退化，其次是硅橡胶主链断裂，最后是表面甲基功能基团变化。

结论与科学价值

本文系统研究了硅橡胶复合绝缘子在高盐和电气跟踪环境下的分子和表面结构变化。研究表明，在长期高压运行中材料的表面退化包括填料的分解与脱落、主链氧化和表面硬化。这项研究的结论具有多方面的意义： - 科学价值：深入揭示材料在极端环境下的降解机制，为硅橡胶绝缘子材料的优化设计和性能预测提供基础理论支持。 - 应用价值：为电力企业及高压输电线路的材料寿命预测提供了物理模型基础，进而减少意外故障，降低维修成本。

研究亮点与意义

  1. 研究方法创新性：通过2D-COS技术，首次全面分析了功能基团随降解进程的动态变化序列，突出了填料与基体交互作用的破坏过程。
  2. 实际问题解决意义：研究解答了现有电气绝缘材料在复杂工作环境下分子结构稳定性和功能退化的动态规律。

其他潜在延伸

未来，这项研究可以扩展至更广泛的环境变量（如极端紫外、酸雨等），结合人工智能预测算法，为高分子绝缘材料的全面寿命预测与材料配方优化升级提供更精准的工具。