高压电缆附件用硅橡胶与交联聚乙烯的热机械加速老化研究：界面压力维持与材料性能演变

《RSC Applied Polymers》：Accelerated ageing of silicone rubber and XLPE used in HV cable accessories: a thermomechanical analysis

本文通过热机械循环实验（-20至110°C，25%压缩应变）系统研究了高压电缆附件中绝缘硅橡胶（SiR）、半导电SiR及交联聚乙烯（XLPE）的老化行为。研究发现，压缩老化会显著增加材料压缩永久变形（硬质SiR约1%，软质/半导电SiR约3%）和表面粗糙度（0.7–0.9 μm），而软质SiR表现出更低应力松弛率，更利于维持电缆附件界面压力，为下一代高可靠性电缆终端设计提供了关键材料选型依据。

　　

高压电缆附件（如终端头和连接头）长期在严苛的机械与热应力下运行，这些应力会导致材料机械性能劣化，降低径向压力，进而增加固体-固体界面处微腔的数量和尺寸，损害电气击穿强度。为缓解此问题，本研究提出在安装后施加外部压缩压力以改善微腔问题，但长期压力对材料机械性能的影响尚不明确。本研究聚焦于热机械循环对高压电缆附件用两种绝缘硅橡胶（SiR）、半导电SiR及交联聚乙烯（XLPE）的协同老化效应。

材料与方法

研究采用由NKT GmbH提供的绝缘SiR（硬质Shore A 75，软质Shore A 32）和半导电SiR（Shore A 41），以及XLPE对照样品。样品经水射流（SiR）或模具（XLPE）切割成圆柱形（直径29.0±0.5 mm，厚度6.3±0.3 mm），XLPE样品在70°C真空下预处理一周。老化实验依据ISO 3384-2:2019，在气候箱中进行336小时（42循环）的热机械循环（-20至110°C），加热/冷却速率1.0 K min^?1，极端温度保持2小时。部分样品在定制压力装置下承受25%高度压缩（即6.3 mm样品压缩至4.7 mm），采用硅油润滑减少摩擦。通过5 kN载荷传感器连续记录反力变化，评估应力松弛行为。

压缩永久变形与应力松弛

老化后，压缩永久变形普遍增加：硬质SiR增加约1%，软质和半导电SiR增加约3%。应力松弛测试显示，硬质SiR松弛曲线更陡峭，而软质SiR松弛率较低，半导电SiR反而略有上升。压缩应力比（F_t/F₀）在老化后均升高，表明材料弹性恢复能力下降。

循环加载响应

循环压缩测试（10%-75%高度压缩）显示所有材料均出现穆林斯效应（应力软化）。硬质SiR和XLPE在首次加载时能量耗散显著，后续循环曲线变化明显，而软质和半导电SiR各循环曲线相似，表明后者形变恢复能力更强。在75%压缩下，XLPE单位体积吸收应变能最高（17.8–18.3 mJ mm^?3），软质SiR最低（1.9–2.1 mJ mm^?3）。老化样品在循环中能量耗散普遍减少。

表面与结构变化

硬度分析显示，所有材料老化后硬度增加，但无压缩老化样品增幅更显著（软质和半导电SiR增加约3.7%，硬质SiR仅0.3%）。表面粗糙度（S_a）在压缩老化后增加0.06–0.22 μm，而无压缩老化样品粗糙度反而降低。SEM截面图像显示老化样品表面出现无机填料析出颗粒，尤其在热机械协同老化下更明显。

热稳定性与化学结构

DSC和TGA证实老化温度区间未引发材料分解或显著氧化，但XLPE在90–110°C出现部分结晶。FTIR未检测到羧基（714 cm^?1）或酮基（720 cm^?1）明显氧化峰，表明材料抗氧化性良好。

讨论与结论

软质SiR在热机械老化下表现出更低的应力松弛和更稳定的循环加载响应，有利于长期维持电缆附件界面压力，是外压式终端设计的优选材料。未来需优化半导电SiR机械性能以匹配软质SiR，避免绝缘/半导体界面内应力集中，提升高压电缆系统可靠性。本研究为高容量、低成本下一代电缆附件设计提供了关键材料行为数据。