聚酰亚胺在千赫兹频率下的电热老化：多尺度洞察与基于物理的寿命模型

《ACS Applied Polymer Materials》：Electrothermal Aging of Polyimide at Kilohertz Frequencies: Multiscale Insights and Physics-Informed Lifetime Model

固态变压器用聚酰亚胺在kHz电应力下通过原位诊断与多尺度模拟揭示非单调部分放电演化机制，分子动力学发现环断裂导致禁带宽度缩减，DFT证实缺陷处载流子耦合增强，相场模型成功模拟电树连续化过程，建立缺陷介导的高频PD加速老化寿命预测模型。

　　

聚酰亚胺（PI）被广泛用作固态变压器（SSTs）中的主要电介质，然而其在千赫兹、千伏脉冲作用下的快速退化现象以及在高温条件下的行为仍不够清楚。在实际应用中，由于存在气体间隙和暴露的边缘，局部放电（PD）会在电场的三相点处集中，从而导致绝缘体失效。通过结合原位诊断技术（30 kHz局部放电监测、傅里叶变换红外光谱FTIR、扫描电子显微镜SEM/能谱EDS以及PEA空间电荷映射）与三层模拟方法（ReactFF-MD → TD-DFT → 电热相场理论），本研究揭示了聚酰亚胺在高频电应力下的老化过程。实验表明局部放电活动呈现非单调变化：随着老化进程的推进，放电脉冲的幅度和重复频率先增加后减少。分子动力学分析指出，酰亚胺环中的C–N/C–C键会发生断裂，导致CO气体释放和缺陷形成，从而使聚酰亚胺的HOMO-LUMO能隙从5.32 eV减小到2.57 eV。时变密度泛函理论（DFT）结果显示，缺陷结构中的激发阈值显著降低，空穴-电子重叠增强，这解释了PEA实验中观察到的电荷滞留现象。利用频率和温度依赖的电介质参数，建立的相场模型考虑了电介质损耗产生的热效应，并成功再现了从稀疏电树枝结构到连续击穿通道的转变过程，其中伴随着局部热失控现象。最后，研究人员提出了一个基于物理原理的寿命预测模型，并将其应用于加速老化数据，量化了高频局部放电损伤与电介质损耗热效应共同加速绝缘体失效的过程。研究结果证实了在千赫兹频率下，聚酰亚胺的绝缘老化是由缺陷介导的、由局部放电引发的电热老化机制，并为聚合物电介质在高频电力设备中的设计提供了预测寿命的框架。