發(fā)展綠色低碳電力裝備是實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要組成部分。聚丙烯(PP)憑借優(yōu)異的電氣性能和可回收性，有望替代傳統(tǒng)交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜絕緣。然而由于PP固有的高脆性和低韌性，必須對(duì)其增韌改性。目前，人們通過眾多改性方法將PP絕緣的室溫彎曲模量成功從2 GPa降至約300 MPa，十分接近XLPE水平。業(yè)界基本達(dá)成共識(shí)：PP絕緣已成功實(shí)現(xiàn)從“硬”到“軟”的根本性改性優(yōu)化。

然而，研究發(fā)現(xiàn)PP電纜絕緣在受到4%的拉伸應(yīng)變時(shí)擊穿強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生高達(dá)17.4%的大幅下降，4%的應(yīng)變也遠(yuǎn)小于其屈服應(yīng)變(16%)；而XLPE在高達(dá)10%的拉伸率下?lián)舸?qiáng)度僅發(fā)生1.8%的小幅下降。這說明即使PP絕緣的模量已足夠低，其在拉伸應(yīng)力下仍然不夠“軟”，這與之前業(yè)界所達(dá)成的共識(shí)相悖。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該P(yáng)P絕緣的彈性極限應(yīng)變?yōu)?.5%，說明其在4%的應(yīng)變下已發(fā)生從彈性形變向塑性形變的轉(zhuǎn)變。而XLPE絕緣的彈性極限應(yīng)變卻高達(dá)9.2%，表明XLPE絕緣具有更寬的彈性形變域。有限元仿真計(jì)算顯示，4%的應(yīng)變?nèi)蕴幱?50 mm2以上截面積的配網(wǎng)電纜正常敷設(shè)的彎曲應(yīng)變區(qū)間內(nèi)。這說明，PP電纜敷設(shè)時(shí)的最小彎曲半徑如若完全延用XLPE電纜的敷設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，將導(dǎo)致絕緣可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性受到巨大挑戰(zhàn)。

原位拉伸電子顯微鏡、原位拉伸小角X射線散射結(jié)果表明，PP絕緣在超過彈性極限應(yīng)變后，表面產(chǎn)生了尺寸約為50 nm的微裂紋，并隨拉伸率的擴(kuò)大進(jìn)一步劇烈擴(kuò)展，PP絕緣中自由體積隨之迅速增加，由此導(dǎo)致了擊穿強(qiáng)度的大幅下降。提高PP絕緣彈性極限應(yīng)變，抑制PP絕緣的屈服行為，可延長(zhǎng)其擊穿強(qiáng)度大幅下降的臨界應(yīng)變和擊穿強(qiáng)度下降的幅度。通過向PP絕緣中引入70%彈性體抑制其屈服行為，彈性極限點(diǎn)顯著提高至5.4%(在正常敷設(shè)時(shí)彎曲應(yīng)變區(qū)間之外)，其擊穿強(qiáng)度在6%的拉伸率下僅表現(xiàn)出5.1%的下降。

上述結(jié)果表明，PP電纜絕緣是“硬”或“軟”，不應(yīng)僅僅參考彈性形變模量或其屈服應(yīng)變，更應(yīng)考慮PP絕緣的彈性極限應(yīng)變。

研究成果以“小應(yīng)變致聚丙烯絕緣擊穿強(qiáng)度驟降機(jī)制研究”（Small Strain-Induced Abrupt Drop in the Electrical Breakdown Strength of Polypropylene Insulation）為題發(fā)表在材料物理學(xué)頂刊《納米快報(bào)》（NANO LETTERS）上，武康寧副教授為第一作者，博士生隋浩然為學(xué)生第一作者，李建英教授為通訊作者，第一完成單位為西安交通大學(xué)電工材料電氣絕緣全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。該工作合作單位為中國(guó)電科院、中石油石化院、陜西電科院、上上電纜。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金青年學(xué)生基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（524B2096）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（xzy012024013）的支持。

李建英教授課題組多年來專注聚烯烴絕緣電纜的研究工作及其科研成果的落地轉(zhuǎn)化。相關(guān)成果發(fā)表于Chemical Engineering Journal,Composites Science and Technology、IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation、高電壓技術(shù)等電氣/材料領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外知名刊物上。課題組參與開發(fā)的聚丙烯絕緣電力電纜已在國(guó)家電網(wǎng)公司獲得工程化應(yīng)用。

來 源 | 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院