微支化交联结构协同提升环氧/玻璃复合材料交直流表面闪络性能的研究

《IEEE Potentials》：Synergistic enhancement of AC/DC surface flashover performance of epoxy/glass composites by micro-branched crosslinking structure

本文针对高压电气设备中环氧/玻璃复合材料在直流叠加谐波电压下表面闪络性能下降的难题，通过引入以3,3',4,4'-二苯甲酮四甲酸二酐(BTDA)为骨架、甲苯二异氰酸酯三聚体(TDI trimer)为支化核心的T/B/B微支化交联结构，成功研制了新型环氧复合材料。研究结果表明，该材料可协同提升交流、直流及交直流叠加电压下的表面闪络电压（分别提高8.21%、17.26%和19.71%），并从分子-宏观尺度阐明了羰基引入提升陷阱能级抑制电荷输运、支化结构降低介电常数抑制局部放电的协同增强机制，为开发高性能电气绝缘材料提供了理论依据。

　　

在现代高压直流输电系统中，电气设备的安全运行极大程度依赖于其外部绝缘材料的可靠性。环氧树脂/玻璃纤维复合材料因其优异的机械强度和绝缘性能，被广泛应用于干式空心电抗器、套管等关键设备。然而，在复杂的运行工况下（如整流侧换流阀影响、负载侧三相不平衡等），设备气固界面会承受直流叠加谐波电压的严峻考验。这种电压波形中的谐波分量会使表面闪络电压下降10%~20%，显著缩短设备寿命。表面闪络是一种沿绝缘材料表面发生的气体击穿现象，其产生的电、热、力效应会在绝缘表面形成烧蚀通道，严重时甚至引发设备自燃。因此，如何协同提升环氧/玻璃复合材料在直流叠加谐波电压下的表面闪络性能，已成为制约高压电气设备发展的关键技术瓶颈。

传统表面改性方法如等离子体蚀刻、磁控溅射、涂层等虽能改善闪络性能，但存在工艺复杂、成本高等局限性。与之相比，化学合成改性可直接改变复合材料表面基体树脂的分子链组成，原理更简单有效。为此，研究人员在《IEEE Potentials》上报道了一项创新研究，他们设计并合成了一种具有微支化交联结构的T/B/B-EP/玻璃复合材料，旨在协同提升材料的交直流闪络性能。

为开展本研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过分步共聚反应合成T/B/B改性环氧树脂；采用傅里叶变换红外光谱和核磁共振氢谱进行化学结构表征；通过等温表面电位衰减测试分析表面陷阱参数；利用静电探头扫描测量表面电荷分布；采用宽频介电谱仪测量介电常数；搭建交直流表面闪络与局部放电联合测试平台进行电气性能评估；并运用密度泛函理论和分子动力学模拟从分子尺度阐释微观机制。

研究结果从多个层面揭示了微支化交联结构的增强机制：

在电荷传输特性方面，研究发现BTDA骨架的引入显著影响了材料的陷阱参数。

当改性剂添加量为6 wt%时，陷阱能级和陷阱密度达到峰值（1.085 eV和14.29×10¹⁹eV^-1m^-3）。分子模拟结果显示，BPA/BTDA分子的最大负静电势区域增加至-43 kcal·mol^-1，最低未占分子轨道能级从-0.06 eV降至-3.86 eV，表明材料捕获电子的能力增强。

表面电荷分布测试表明，改性后的样品在高压电极处电荷密度增加18.7%，而从高压电极到接地电极的电荷减少一半，显示出良好的静电屏蔽效应。

在表面放电特性方面，支化结构的引入显著改变了材料的介电性能。

当改性剂添加量为8 wt%时，介电常数在1 Hz下降至3.25，比未改性材料降低0.96。分子动力学模拟揭示了其内在机制：

支化结构的引入使自由体积从"大而稀疏"转变为"小而密集"，分数自由体积最大增加至30.11%，有效限制了偶极转向和松弛，从而降低了介电常数。

局部放电测试结果进一步证实了支化结构的优势。

当改性剂添加量为8 wt%时，交流电压下的临界放电电压和起始闪络电压分别达到7.61 kV和14.76 kV，交流放电量降低7.6%，叠加电压放电量降低9.4%，表明气固界面处的表面放电得到有效抑制。

最令人振奋的是T/B/B改性剂对环氧/玻璃复合材料交直流闪络性能的协同增强效果。

研究显示，直流表面闪络电压与深陷阱能级呈正相关，而交流表面闪络电压与局部放电量呈负相关。当施加叠加电压时，由于电压中直流含量较高，闪络电压的提升主要与陷阱参数相关。在改性剂添加量为8 wt%时，综合效果最优，交流闪络、直流闪络和交直流叠加闪络电压分别提高8.21%、17.26%和19.71%。

研究还深入分析了交直流表面闪络的放电机理。直流闪络放电源于阴极三结合点处的电子发射，经电子倍增阶段最终形成等离子体放电通道。固体层中大量深陷阱的引入降低了电子的平均自由程和迁移率，抑制了放电发展过程。而交流闪络则主要受气固界面处局部放电影响，支化结构降低固体介电常数，减弱了气层电场畸变，抑制了气体电离过程。当施加叠加电压时，T/B/B-EP/玻璃复合材料能通过引入深陷阱和降低介电常数的协同效应，同时抑制电荷输运和气体电离过程。

本研究通过化学合成方法成功制备了T/B/B-EP/玻璃复合材料，系统阐明了微支化交联结构对交直流表面闪络性能的协同增强机制。研究不仅提供了一种能增强直流叠加谐波电压性能的支化交联复合材料，还明确了调控直流和交流闪络的关键参数，为保障相关电气设备的安全运行奠定了理论基础。这种将微观分子模拟与宏观电参数表征相结合的研究方法，为后续交直流表面闪络性能的提升提供了重要参考。