热循环与冷热循环耦合应力老化对EP/GF复合材料交流击穿强度降解的影响机制

《Polymer Degradation and Stability》：The Mechanism of Thermal and Cold-to-hot Cycling Coupled Stress Aging on AC Breakdown Strength degradation in EP/GF Composites

环氧玻璃布复合材料在热-冷热循环耦合应力下AC击穿强度退化机制研究，通过傅里叶变换红外光谱、差示扫描量热法、超声A扫描等手段分析分子链氧化断裂、玻璃化转变温度降低及微缺陷扩展规律，揭示耦合应力加速绝缘老化的机理，为极端环境下的电气设备材料设计提供理论支撑。

　　环氧/玻璃纤维（EP/GF）复合材料是电力设备中广泛使用的绝缘材料，因其出色的机械性能、电气绝缘性能和高环境稳定性而受到重视。然而，在实际应用中，这类材料经常面临复杂的应力环境，尤其是长期的热老化和冷热循环应力的耦合作用。这些耦合应力对EP/GF复合材料的绝缘性能产生深远影响，成为关键电力设备绝缘失效的重要诱因。由于绝缘性能的下降可能导致设备故障，进而引发严重的安全问题，因此深入研究其在耦合应力下的退化机制具有重要意义。

本研究旨在揭示EP/GF复合材料在热老化与冷热循环耦合作用下，其交流击穿强度（AC breakdown strength）的退化机制。通过采用多种先进的检测与表征技术，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、差示扫描量热法（DSC）、超声A扫描、局部放电（PD）特性分析以及交流击穿测试，对材料在不同应力条件下的微观和宏观行为进行了系统分析。研究结果表明，热老化会导致环氧树脂分子链发生氧化、断裂和重组反应，从而降低玻璃化转变温度（Tg）并逐步形成微缺陷。而冷热循环应力则会加速这些微缺陷的扩展，其影响随着老化时间的延长而逐步增强。

具体而言，经过1200小时的热老化后，材料的交流击穿强度进一步下降，与随后进行的冷热循环应力相结合，交流击穿强度减少了约43.2%。相比之下，仅在热老化条件下，交流击穿强度的下降幅度略小，但冷热循环应力的加入使整体性能退化更加显著。在冷热循环应力作用下，部分放电的幅度相较于热老化360小时的样品增加了470 pC，显示出材料在多重应力作用下的绝缘性能受到严重影响。这一结果表明，冷热循环不仅加剧了热老化引起的材料退化，还引入了新的缺陷形成机制，从而对材料的电气性能产生更为复杂的破坏作用。

为了更全面地理解EP/GF复合材料在热老化和冷热循环应力下的退化过程，本研究从分子到微米级的多个尺度进行了深入分析。通过FTIR光谱测试，研究者观察到了环氧基团特征峰的减弱，这表明在热老化过程中，环氧树脂分子链的化学结构发生了显著变化。同时，DSC测试结果进一步证实了Tg的变化趋势，即随着老化时间的增加，Tg逐渐降低，反映出材料的玻璃态区域向橡胶态区域转变，从而降低了其在高温环境下的稳定性。此外，超声A扫描技术揭示了材料内部微缺陷的演化过程，显示出冷热循环应力对微缺陷扩展的显著促进作用。

在微观层面，材料的物理结构变化与化学反应之间存在密切联系。随着热老化时间的延长，环氧树脂分子链的氧化和断裂反应不断进行，导致材料内部出现更多的微孔和裂纹。这些微缺陷在电场作用下会成为局部放电的起始点，进而引发更严重的绝缘退化。冷热循环应力的引入，不仅加速了微缺陷的扩展，还可能改变材料的内部应力分布，使得局部放电更容易发生。因此，冷热循环与热老化之间的协同作用，使得EP/GF复合材料的绝缘性能退化更加迅速和严重。

通过局部放电特性分析，研究者进一步验证了冷热循环应力对绝缘性能的影响。实验结果显示，在冷热循环作用下，局部放电的起始电压和放电强度均有所降低，表明材料的绝缘性能受到了显著损害。这种损害不仅体现在材料的表面，还可能深入到其内部结构，从而影响整个材料的电性能。此外，交流击穿测试的结果表明，材料的击穿电压随着老化时间的增加而逐渐下降，且在冷热循环应力作用下下降速度更快。这一现象表明，冷热循环应力对EP/GF复合材料的击穿强度具有显著的负面影响，尤其是在长期老化条件下。

本研究还探讨了EP/GF复合材料在不同应力条件下的退化行为，分析了其在耦合应力下的失效模式。通过对比不同老化条件下的材料性能，研究者发现，热老化和冷热循环应力的耦合作用比单一的热老化或冷热循环应力更易导致材料的绝缘失效。这表明，在设计和使用EP/GF复合材料时，必须充分考虑其在复杂应力环境下的行为，以提高其在极端环境中的可靠性。此外，研究还指出，现有的文献大多关注于环氧树脂及其复合材料在单一应力条件下的退化规律，缺乏对热老化与冷热循环应力耦合作用下材料退化机制的系统研究。

本研究的创新之处在于，首次从分子到微米级的多尺度角度，系统分析了EP/GF复合材料在热老化与冷热循环耦合作用下的退化机制。通过结合化学和物理表征技术，研究者不仅揭示了材料在不同应力条件下的微观结构变化，还明确了这些变化对宏观电性能的影响。研究结果表明，热老化和冷热循环应力的耦合作用会导致材料的绝缘性能显著下降，且其退化过程具有非线性特征，即在某些条件下，材料的性能退化速度会加快。因此，在实际应用中，应采取有效的防护措施，以减少这些应力对材料性能的影响。

此外，本研究还强调了在极端环境条件下，EP/GF复合材料的可靠性问题。在高海拔寒冷地区，由于温度变化剧烈，冷热循环应力对材料的影响尤为显著。这种应力可能导致材料内部的微缺陷迅速扩展，进而引发局部放电甚至绝缘击穿。因此，为了提高电力设备在极端环境中的运行可靠性，必须对EP/GF复合材料的耐久性和稳定性进行深入研究，并开发出更适用于这些环境的高性能材料。这不仅有助于延长设备的使用寿命，还能有效降低因绝缘失效而导致的经济损失和安全隐患。

在实验方法方面，本研究采用了多种先进的检测手段，以确保研究结果的准确性和可靠性。傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于分析材料在不同老化条件下的化学结构变化，差示扫描量热法（DSC）用于测量材料的玻璃化转变温度，超声A扫描技术用于检测材料内部的微缺陷，局部放电（PD）测试用于评估材料的绝缘性能，而交流击穿测试则用于直接测量材料的击穿强度。这些技术的综合应用，使得研究者能够从多个角度全面了解材料在耦合应力下的退化行为。

通过这些实验手段，研究者不仅能够观察到材料在不同应力条件下的宏观性能变化，还能深入分析其微观结构的变化过程。例如，FTIR光谱测试结果显示，环氧基团的特征峰在热老化过程中明显减弱，这表明环氧树脂分子链的化学结构发生了显著变化。DSC测试结果进一步支持了这一结论，即随着热老化时间的增加，Tg逐渐降低，反映出材料的物理状态发生了变化。超声A扫描技术则揭示了材料内部微缺陷的演化过程，显示出冷热循环应力对微缺陷扩展的显著促进作用。

局部放电（PD）测试结果表明，冷热循环应力会显著降低材料的绝缘性能，尤其是在长期老化条件下。这说明，冷热循环不仅加剧了热老化引起的材料退化，还可能引入新的缺陷形成机制，从而对材料的电性能产生更为复杂的破坏作用。交流击穿测试的结果进一步验证了这一观点，即材料的击穿电压随着老化时间的增加而逐渐下降，且在冷热循环应力作用下下降速度更快。

综上所述，本研究通过多尺度分析，揭示了EP/GF复合材料在热老化与冷热循环耦合作用下的退化机制。研究结果表明，热老化会导致环氧树脂分子链的氧化、断裂和重组反应，从而降低Tg并逐步形成微缺陷。而冷热循环应力则会加速这些微缺陷的扩展，使其对材料的电性能产生更为显著的影响。因此，在实际应用中，必须充分考虑这些耦合应力对材料性能的影响，以提高其在复杂环境下的可靠性。此外，本研究为设计和开发适用于极端环境的高性能EP/GF复合材料提供了理论依据，有助于提升电力设备的安全性和稳定性。