《Polymer Degradation and Stability》：Manufacturing-induced voids in epoxy insulators and their effect on dielectric breakdown
编辑推荐：
制造缺陷对环氧绝缘件电气性能的影响及多尺度分析方法。
邓宇恒|王琦|潘志宇|杨妍|叶马尔文|吕泽鹏|黄启忠|陈文光|陈忠
南洋理工大学材料科学与工程学院，南洋大道50号，639798，新加坡
摘要
制造过程中产生的空洞会严重削弱环氧绝缘组件在高压下的可靠性，但其起源及其对介质击穿的影响仍不甚明了。在这项研究中，我们结合了高能X射线计算机断层扫描（HE-XCT）、局部放电（PD）测试和多物理场模拟技术，以阐明空洞的形成机制，并量化它们对电树现象和击穿过程的影响。通过使用针-平面试样，我们发现热膨胀系数和固化收缩率的不匹配会导致尺寸为40–50微米的界面空洞。这些空洞的存在使电树现象的起始电荷阈值降低了约12%，并增加了分支的复杂性。通过对工业开关设备绝缘体的HE-XCT重建以及PD测量发现，只有位于接地电极尖端的空洞才能引发可检测的放电；较大的空洞会产生幅度高达998 pC的明显“翼形”PD信号。基于逆向工程XCT模型的场模拟证实，这些空洞是介质击穿的优先发生位置。该研究还追踪了损伤在电极间隙中的传播过程。这项工作为理解制造过程中产生的空洞行为提供了重要见解，并为优化固化工艺、推进无损诊断以及提高基于环氧树脂的绝缘材料的长期性能提供了有力的框架。
引言
全球电气化趋势的加速发展，受到能源需求增长、可再生能源整合以及社会数字化转型的推动，凸显了坚固、可靠和高效电力基础设施的重要性[[1], [2], [3]]。环氧树脂及其先进的复合配方是现代电力系统中的关键绝缘材料，在确保安全稳定的电力传输方面发挥着关键作用[[4], [5], [6]]。这些材料具有优异的电绝缘和热绝缘性能、良好的机械性能，并且能够被塑造成复杂的形状，这对于现代高压（HV）设备的设计至关重要[[7], [8], [9], [10]]。尽管具有这些优势，但制造过程，特别是热固性环氧树脂和复合材料的固化过程，可能会无意中引入内部缺陷。空洞或充满气体的腔体是一种常见且特别隐蔽的制造缺陷类型[[9]]。这些微观缺陷可能形成在材料界面（例如环氧树脂与嵌入式金属导体之间）或绝缘材料内部。在运行过程中，这些空洞会承受高电应力，成为局部放电（PD）活动的焦点。这些局部放电会逐渐侵蚀周围的绝缘材料，从而引发并传播称为“电树”的导电通道。当电树跨越绝缘层时，可能导致灾难性的介质击穿[[11], [12], [13]]。此类故障会导致设备损坏、服务中断，最重要的是，会带来重大的安全隐患[[14,15]]。因此，了解空洞的形成过程、开发有效的检测方法，并准确评估其对高压应用中基于环氧树脂的绝缘材料长期性能的影响至关重要。
环氧树脂及其复合绝缘系统的完整性可能因制造过程中产生的空洞而受损。这些空洞可能由多种机制引起，例如混合或浇铸过程中空气的夹带、水分或有机化合物的挥发，以及固化过程中的变形。固化引起的变形是一个被广泛记录的现象，尤其是在纤维增强聚合物（FRP）复合材料中，被认为是影响复合材料结构和功能完整性的潜在危险[[16], [17], [18], [19], [20]]。这种变形主要是由树脂基体与任何嵌入式增强材料或金属部件之间的热膨胀系数（CTE）不匹配引起的，同时受到聚合物从液态到固态转变时的体积收缩的影响，还受到物理老化现象的进一步影响[[21], [22], [23]]。为了预测和减轻复合材料中的这些制造应力及变形，人们投入了大量研究工作。已经开发了多种本构模型来捕捉热固性树脂在固化过程中的力学行为，包括粘弹性模型[[24]]、路径依赖模型[[25]]以及广泛采用的固化硬化瞬时线性弹性（CHILE）模型[[26]]。CHILE模型在固化模拟的每个时间步长内将树脂近似为线性弹性体，因其相对简单性和在捕捉固化引起的力学关键方面的有效性而被频繁使用[[27,28]]。无论空洞的起源如何，即使其体积分数很低，也会导致材料性能严重下降。这包括疲劳抗力的降低[[29]]、整体机械强度的削弱[[30,31]]，对于高压应用而言，还包括电绝缘性能的退化[[31]]。因此，空洞对需要卓越机械和电气性能的组件（如支撑绝缘体）构成了重大威胁。Olivier等人[[32]]报告称，当空洞含量从0%增加到10%时，单向碳/环氧复合材料的横向抗拉强度降低了约30%。同样，Stamopoulos等人[[33]]观察到，仅空洞含量增加3%就导致横向抗拉强度显著下降了约15%。Otake等人[[12]]研究了内部空洞中的空洞大小与绝缘寿命之间的关系，发现空洞大小与绝缘寿命呈负相关。Zheng等人[[34]]使用X射线成像技术表征了针-平面电树样品中的空气间隙。结果表明，虽然空洞会加速电树的起始，但其主要影响是后续的电树生长模式，而不是直接决定起始时间的PD活动。Song等人[[35]]利用多尺度融合模拟方法研究了环境温度对气体绝缘开关设备（GIS）中绝缘体空洞缺陷产生的放电信号的影响，表明PD对环境和缺陷参数非常敏感，并突出了PD行为的复杂性。
尽管取得了这些进展，但在将实验室发现转化为开关设备绝缘体的理论见解和设计指南方面仍存在关键挑战。驱动金属-树脂界面空洞形成的基本机制尚未完全与具体的制造参数联系起来。这导致了关于工艺条件如何影响缺陷大小和分布的不确定性。同时，对这些组装绝缘体内部空洞的非破坏性三维映射仍不够充分。为了解决这些空白，本研究通过完全耦合的热-化学-力学模拟阐明了模型针-平面环氧样品中制造过程中产生的空洞的主要形成机制。随后应用高能X射线计算机断层扫描（HE-XCT）揭示了商用开关设备绝缘体的三维内部结构，并以亚毫米级的分辨率分段显示了空洞。对这些XCT扫描的绝缘体进行了PD测量，以建立观察到的内部空洞特征与放电现象之间的直接关联。最后，基于逆向工程XCT网格的场介电击穿模型量化了特定空洞几何形状如何集中电场并引导故障传播。这项研究为制造过程中产生的空洞的全面表征和影响评估提供了新的见解，对于改进高压环氧绝缘系统的设计、制造质量控制以及寿命预测具有重要意义。
节选内容
针-平面样品中的空洞
针-平面样品使用Ogura针和Araldite LY 5052/Aradur 5052环氧树脂（Huntsman）制成。Ogura针的杆径为1毫米，尖端锥角为30°，尖端半径为3微米[[36,37]]。针固定在硅橡胶模具中，针尖到接地平面的距离为2毫米。混合和脱气后，将环氧树脂浇铸到模具中并随后固化。脱模后，平面电极上涂覆了银
固化过程建模
Araldite LY 5052/Aradur 5052系统的放热固化过程通过求解带有内部热源项的瞬态热传导方程来建模：
