硅橡胶辐射老化理论模拟研究进展

硅橡胶由于具有良好的弹性、热稳定性、耐高低温性和耐老化性能,被广泛用于电离辐射环境中服役的高端装备上。由于其辐射老化行为和机理异常复杂,目前的研究方法实验技术和理论计算并重。本文简要综述了硅橡胶辐射老化模拟研究进展,从多尺度理论计算视角梳理了相关研究对解决具体问题的计算思路,并与实验表征结果互相补充印证。依据计算模拟理论方法的时空尺度特征,可分为量子电动力学、密度泛函理论、量子分子动力学、反应分子动力学、分子动力学、本构模型与有限元方法。这些计算模拟方法与材料和辐射相互作用过程及机制、体系损伤演化规律及机理、结构性能关系的研究需求密切相关。部分研究工作涉及多个尺度的模拟计算,依据其主要特色总结写入上述几个模拟方法分类板块。本文描绘了硅橡胶辐射老化模拟的阶段全景图,概述了相关研究现状以及学界和工程界面临的挑战,有望为相关实验研究和工程问题的解决提供新的思路和认识基础。

湿热环境苯基阻尼硅橡胶加速老化与寿命预测研究

研究了苯基阻尼硅橡胶的湿热老化过程,重点考察了其拉伸性能、阻尼性能和压缩回弹性能。对于拉伸性能,实验研究表明材料拉伸模量和100%定伸应力均随着温度或者湿度的上升而逐渐提高。对于阻尼性能,损耗系数随着温度或者湿度的上升而逐渐下降。对于压缩回弹性能,压缩永久变形随着温度或者湿度的上升而逐渐上升。另外,温度对苯基硅橡胶性能的影响大于湿度。这主要归因于老化过程中同时发生了侧基氧化和水解,进而导致分子链交联和断裂同时发生。相比于分子链断裂,分子链交联占据了主导作用。最后,采用Peck模型预测了不同温湿度环境下苯基硅橡胶的贮存寿命。由于阻尼性能决定了苯基硅橡胶的减振性能,因此将损耗系数作为评价特征参数。结果表明,在25℃下,当相对湿度在80%~40%间变动时,苯基硅橡胶的寿命在18~39 a间变化。此研究有助于进一步理解苯基硅橡胶的老化过程,并且提供了不同湿热环境下苯基阻尼硅橡胶寿命预测的方法。

石墨烯-纳米金刚石/硅橡胶复合材料的制备与性能

利用多巴胺对几乎任何表现的适应性,将纳米金刚石负载到石墨烯表面,得到结构稳定的石墨烯-纳米金刚石杂化材料(GND)。控制GND中石墨烯与纳米金刚石的杂化比例,利用纳米金刚石和硅橡胶基体阻断石墨烯的导电通路,在保证绝缘的条件下提高了GND/硅橡胶复合材料的导热性能。研究结果表明,当GND的质量分数为4%且石墨烯与纳米金刚石的质量比为0.25/1.00时,GND/硅橡胶复合材料在25,50,75,100℃下的热导率均为最高,分别比只用纳米金刚石时提高20.5%、32.6%、52.8%和79.2%。

热硫化硅橡胶耐高温性能的影响因素探讨

以甲基乙烯基硅橡胶生胶为主要原料,添加白炭黑、结构化控制剂、脱模剂及耐热助剂等制备了耐高温硅橡胶,并研究了生胶种类、白炭黑种类及用量、结构化控制剂种类、脱模剂及耐热剂种类等对硅橡胶耐高温性能的影响。结果表明,对白炭黑进行疏水处理及耐热剂复配有利于抑制硅橡胶老化。以乙烯基封端的甲基乙烯基硅橡胶为生胶、添加51份比表面积为200 m^(2)/g的气相白炭黑为补强填料、甲基苯基二甲氧基硅烷为结构化控制剂、氧化铈/二氧化钛为复配耐热剂,并加入苯基乙烯基硅树脂,对硅橡胶进行二次硫化后,硅橡胶性能最佳。此时其邵氏A硬度为65、拉伸强度9.6 MPa、断裂伸长率640%,经280℃×72 h老化后邵氏A硬度为68、拉伸强度4.9 MPa、断裂伸长率280%。

10 kV电缆中间接头绝缘用硅橡胶内部典型缺陷的超声信号表征方法

电缆中间接头的绝缘状态对电缆安全稳定运行起重要作用。针对太赫兹成像技术的不成熟和有限元分析法的局限性,本文提出一种电缆附件硅橡胶内部典型缺陷的超声信号表征方法。首先通过仿真设计硅橡胶中不同类型的典型缺陷,然后对超声检测仿真中接收的反射回波进行时域特征量和相关性分析,得到时域波形特征量与缺陷尺寸、角度的相关系数。最后基于脉冲回波法搭建超声试验平台,对含缺陷的平板硅橡胶样品进行超声检测试验。结果表明:硅橡胶内部缺陷的尺寸、角度与一次回波的振幅峰值具有良好的相关性,且相较于气泡类缺陷,裂纹类缺陷检测结果受缺陷角度的影响更大,不同角度缺陷的振幅峰值差异较大。说明超声信号可以有效表征电缆附件硅橡胶内部典型缺陷。

氟硅橡胶的发展现状与市场浅析

氟硅橡胶结合了氟橡胶和硅橡胶两者的优点,性能优异。目前国内外氟硅橡胶市场前景广阔,市场需求增大,对高性能氟硅橡胶的需求量大。总结了氟硅橡胶的性能、应用和发展方向,重点分析了氟硅橡胶的国内外市场和竞争``````格局。

钛酸钾晶须/硅橡胶抗静电涂层的制备与性能研究

通过结合FT-3000型钛白粉与钛酸钾晶须(PTWs)的颜色与晶须结构的特点,以硅橡胶(SR)为树脂基体,采用PTWs、FT-3000作为防静电填料,制备了钛酸钾晶须/硅橡胶(PTWs/SR)浅色防静电涂层。研究了PTWs对硅橡胶抗静电涂层的抗静电性、力学性能以及热稳定性的影响,并表征了制备的PTWs/SR抗静电涂层的抗湿热老化性能,以及对不同基材的界面粘接性能。研究结果表明:(1)PTWs的晶须结构可以弥补FT-3000导电粉点状连续分布造成导电填料接触面积小的缺点,通过两者的协同作用,使得硅橡胶涂层的体积电阻进一步降低,共同形成完整度更高的导电网络。(2)PTWs/SR的抗拉强度和延伸率随PTWs用量的增加呈现增大的趋势,并在7份后提升趋于平缓。当PTWs用量为7份时,抗拉强度为5.71 MPa,延伸率为83.9%,相比于FT-3000单独填充的硅橡胶涂层,分别提高了102%和26%。(3)PTWs与FT-3000的共同作用下,PTWs/SR涂层耐热性显著提高,相对于空白硅橡胶涂层,热分解温度提高223℃。(4)PTWs/SR涂层具有优异的界面粘接稳定性,对特种橡胶、有机涂层、金属等多种材料具有良好的常、高、低温粘接性能,具有良好的适用性。(5)经过85℃、85%RH老化1000 h后,PTWs/SR涂层的力学性能有所衰减,并且延伸率的下降幅度更大,但总体可控。PTWs/SR涂层的体积电阻由5.25×10^(6)Ω·cm变化至8.19×10^(6)Ω·cm,说明其具有良好的抗湿热老化性能。

多巴胺和γ-氨丙基三乙氧基硅烷共修饰纳米金刚石及硅橡胶复合材料的制备与导热性能

首先利用多巴胺的氧化自聚合在纳米金刚石(ND)表面包覆聚多巴胺(PDA),以引入羟基、氨基等活性基团,然后在ND上继续接枝γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH 550)得到ND-PDA-KH 550,再与硅橡胶(SiR)发生化学反应制得ND-PDA-KH 550/SiR复合材料。结果表明,在ND上接枝PDA和KH 550可有效改变ND表面的物理化学性质,提高ND与SiR基体的界面相互作用,降低界面热阻,从而显著提高复合材料的导热性能;当ND质量分数为6%时,ND-PDA-KH 550/SiR复合材料在25,50,75,100℃下的热导率分别为0.340,0.398,0.484,0.586 W/(m·K),比纯SiR材料的热导率分别提高了94.3%、118.7%、161.6%和211.7%。

基于非线性超声的电缆硅橡胶界面压力检测方法

电缆附件与本体之间的界面压力对电缆长期稳定运行起决定性作用。针对压力传感器测量法会损坏界面绝缘特性的问题,提出一种基于非线性超声的电缆硅橡胶界面压力无损检测方法。首先对超声波在硅橡胶-交联聚乙烯界面的传播特性进行分析,得到非线性系数与界面压力的关系。然后基于脉冲反射法搭建非线性超声试验平台,以平板硅橡胶和交联聚乙烯为研究对象,对其界面压力进行非线性超声检测。理论与试验结果均表明,随界面压力增大,界面一次回波幅值减小,回波时间减小,非线性系数增加。该结果表明非线性超声可以有效评价电缆硅橡胶复合界面压力状态,为后续电缆附件曲面结构的界面压力检测提供有力支撑。

深绿色硅橡胶防静电涂层抗静电性能研究

研究了自制深绿色硅橡胶防静电涂层的抗静电性能。结果表明,导电云母粉用量对体积电阻影响显著;在一定范围内,固化剂用量对体积电阻无明显影响;湿热老化试验和热空气老化试验结果表明,硅橡胶防静电涂层具有优异的耐老化性能和稳定的抗静电性能。

3shape Trios 3口内扫描和传统硅橡胶在牙体缺损修复中的失败原因分析

目的分析并比较3shape Trios 3口内扫描和传统硅橡胶在牙体缺损修复中的失败原因,为临床取模以及口内扫描仪性能改善提供参考依据。方法回顾性分析2021年1月至2023年10月实施口腔固定修复治疗并返工的200例患者为研究对象,以取模方式将其分为口扫组(n=97)和硅橡胶组(n=103)。口扫组给予3shape Trios 3口内扫描,硅橡胶组给予传统硅橡胶。比较两组在牙体缺损修复中的失败原因。结果两组的牙体缺损修复失败分布情况比较,差异具有统计学意义(P<0.05);口扫组中,龈下缺损修复失败占比高于龈上(P<0.05)。两组的龈下缺损修复失败原因比较,差异具有统计学意义(P<0.05)。结论相较于传统硅橡胶,3shape Trios 3口内扫描在龈上缺损修复中更有优势,但在龈下缺损修复中,硅橡胶应用效果更佳。

氢氧化镁的表面改性及其在硅橡胶中的阻燃性能研究

分别采用乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)、乙基三乙氧基硅烷(ETES)以及3-(氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)对氢氧化镁(MH)进行表面改性,研究了改性工艺对改性MH粒子表面特性的影响。结果表明,确定的最佳改性条件为:改性剂为VTES、改性剂质量分数为8%、反应温度为80℃、搅拌转速为500 r/min、反应时间为2.0 h。将改性MH共混入硅橡胶,当VTES-MH质量分数为50%时,与未添加MH的硅橡胶相比,VTES-MH/硅橡胶复合材料的拉伸强度和断裂伸长率仅分别降低了5%和11%,具有良好的力学性能;极限氧指数为40.2%,具有优良的阻燃性能。

氮化硼纳米片改性硅橡胶的直流电气与力学性能

日益提升的高压直流输电电压等级对直流电缆附件用硅橡胶的电气性能提出了更高的要求,为了探究具有优良直流电气性能的复合硅橡胶材料,文中制备了填充不同质量分数的聚多巴胺修饰氮化硼纳米片改性硅橡胶,对比分析了不同填充量下复合硅橡胶的直流电气性能。结果表明:填充氮化硼纳米片可以有效抑制硅橡胶的空间电荷积聚现象,试样的直流击穿场强随填充量的提高呈现先增大后减小的趋势,在填充量(质量分数,下同)为15%时达到最大值,相比纯硅橡胶提升23.2%,直流电导率先减小后增大,在填充量为15%时取得最小值;除此之外,当填充量为15%时,试样的拉伸强度较纯硅橡胶提升了38.3%,试样的断裂伸长率仅下降2.7%,基本保持了原有的断裂伸长率;经聚多巴胺修饰的氮化硼纳米片复合硅橡胶相比于未经表面修饰的氮化硼纳米片复合材料,其直流电气和力学性能都有显著提高。综合分析,填充量为15%时复合材料具有较好的综合性能。

3D打印硅橡胶研究进展

柔性硅橡胶弹性体具有生物相容性、电绝缘性、耐水性、耐高低温等特性,在电子、医疗、航空航天等高端领域应用广泛。硅橡胶弹性体是3D打印领域研究最多的高分子材料之一。硅橡胶3D打印主要采用墨水直写或材料挤出、嵌入式固化打印和立体光刻、喷墨打印、粉末床烧结等技术,应用于柔性传感器、康复鞋垫、软机器人、光学透镜、柔性电子等器件的加工制备。但目前还存在打印精度不高、成本贵、打印材料缺乏以及复杂结构难以实现等问题。近年来人们通过开发新型打印技术,以及聚合物分子设计和材料创新,解决硅橡胶打印加工难题,提高3D打印制件的性能,拓展制件应用功能。本文综述了近年来3D打印硅橡胶技术的研究进展。

计及硅橡胶应力松弛的电缆接头界面压力演变仿真研究

高压电缆中间接头的电气性能与其硅橡胶-交联聚乙烯界面压力的大小密切相关。为探究实际电缆接头界面压力的演变规律,开展了考虑老化过程中硅橡胶应力松弛现象的220 kV电缆中间接头界面压力仿真研究。首先综合电缆接头处物理场特点建立有限元模型,确定了电缆中间接头硅橡胶-交联聚乙烯界面的初始压力分布情况;其次通过力学理论计算的解析解以及预置压力传感器的实测结果对有限元分析结果进行验证;之后结合硅橡胶的热机械老化实验结果,提出一种将老化过程中硅橡胶应力松弛转化为过盈量变化的方法,得到了考虑老化过程中应力松弛与弹性模量变化的多参量有限元分析方法,并成功应用于电缆中间接头绝缘硅橡胶-交联聚乙烯界面压力的分析。分析认为,硅橡胶的老化同时导致应力松弛和弹性模量增大。综合考虑弹性模量和应力松弛的仿真结果表明:对中间接头硅橡胶在100℃、125℃、150℃下分别经过2040 h、1680 h、1200 h热机械老化后,界面压力从0.156 MPa分别下降到0.129 MPa、0.125 MPa、0.107 MPa。这说明应力松弛对于界面压力的影响更显著,界面压力随着老化时间的增加而下降,同时温度升高会显著加快中间接头界面压力的衰减过程。该文研究结果可为提升电缆中间接头设计与运行可靠性提供理论依据。

等离子体改性提高染污硅橡胶绝缘沿面性能

表面积污后电荷消散速率减慢与憎水性丧失是降低硅橡胶(SIR)复合绝缘子沿面绝缘性能的重要因素。文中采用常压脉冲滑动弧等离子体发生装置,对人工涂污高温硫化(HTV)硅橡胶进行不同时间(0~3 min)的表面改性。利用表面电位测量系统和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)研究等离子体处理对染污硅橡胶试样表面电荷运动特性、憎水性及化学成分的影响,测试处理前后染污试样的表面介电性能。研究结果表明:不同时间下的等离子体处理均可加快试样表面电荷消散速率,处理过程中引入大量浅陷阱,陷阱能级深度和陷阱电荷密度均下降,减弱了试样表面捕获电子的能力,抑制电荷积聚;试样体积电阻率几乎不受等离子体处理影响,但表面电阻率的减小使电荷更易沿试样表面运动消散;等离子体处理后,试样干燥和湿润条件下的沿面耐压均获得提升。等离子体处理使试样在短时间内恢复憎水性,处理时间越长,憎水性改善越明显;等离子体处理后更多的硅氧烷小分子迁移至污层表面使憎水性提高。

水分侵入高温硫化硅橡胶扩散行为的仿真研究(一):数值建模与计算

硅橡胶复合绝缘子在高湿多雨环境下容易发生劣化,但由于受到实验方法和观测表征技术的限制,难以判断硅橡胶复合材料中水分的来源及侵入路径。借助数值建模与可视化仿真,通过两篇系列论文分别研究液态水和气态水在高温硫化硅橡胶内部的扩散行为,该文是系列论文第一篇。首先,基于Langmuir扩散模型研究水分侵入过程的数值建模方法,结合时域有限差分法和牛顿–拉夫逊法实现精确建模与高效解算。然后,使用MATLAB软件编程,对高温硫化硅橡胶内部的液态水扩散行为开展仿真,实现对自由态水分和结合态水分的解耦,获得液态水侵入过程的时空分布及质量演变规律。通过硅橡胶样品吸水增重实验,验证数值模型和仿真的正确性。最后,研究氢氧化铝和温度两种因素对水分扩散行为的影响,揭示亲水性氢氧化铝填料和温度对水分侵入过程的影响规律。所提出的数值仿真方法可为研究水分侵入复合绝缘子提供新的思路。

电缆附件用硅橡胶力-热老化特性及电-热-力多物理场耦合仿真研究

长期运行过程中,高温及界面压力作用会导致电缆附件硅橡胶(silicon rubber,SIR)绝缘发生老化,影响附件材料的电-热-力综合性能,易引发放电故障.该文采用实验和仿真结合的方法,研究力-热联合老化作用下硅橡胶材料的电-热-力综合性能变化规律;进一步仿真研究了SIR材料参数变化引起的电缆附件电场、热场和力场变化.实验结果表明,随着老化程度的不断加深,SIR的交联程度和分子运动体系会发生变化,导致材料的电-热-力性能发生不同程度的改变.相对介电常数呈现先下降后上升的趋势,体积电阻率、击穿场强和闪络电压等均呈现先上升后下降的趋势;此外,随着老化时间的延长,材料拉伸强度和断裂伸长率逐渐下降.仿真结果表明,力-热联合老化引起的电缆附件应力锥根部电场强度变化较小,维持在2.2 k V/mm左右;不同老化程度下绝缘层内外侧温差较为明显,最大温度梯度为9.15℃;应力锥根部界面压力从0.263 MPa下降到0.230 MPa,下降约12.5%.该工作对于配电电缆附件绝缘性能评价和故障分析具有指导意义.

加成型液体硅橡胶的研究及应用进展

加成型液体硅橡胶(ALSR)是硅氢加成反应在硅橡胶固化交联领域中的一个重要应用。因为是加成交联,ALSR在固化过程中不产生副产物,收缩率极小,能深层固化且对接触的材料无腐蚀,所以加工成型时无气泡、砂眼,尺寸稳定,具有优良的耐热冲击性能,在诸多领域有着重要应用价值。本文首先简述了ALSR的基本组成与固化机理,然后以性能为切入点综述了近年来ALSR在机械、导热、粘结和阻燃等性能方面的研究进展,以及在电子电气、医疗、3D打印、光学和汽车领域的应用,最后提出高性能、多功能、复合化和先进加工是未来ALSR的发展方向。

无机氧化物对氟硅橡胶耐热性能的影响

以自制纳米颗粒二氧化钛(TiO_(2))及铁掺杂二氧化钛(TiO_(2)/Fe_(2)O_(3))作为耐热剂,研究了其对氟硅橡胶热稳定性和耐热空气老化性能的影响规律,分析了氟硅橡胶在空气中热失重5%时的分解产物成分及氟硅橡胶在热老化前后特征基团含量的变化,并对比研究了商用耐热剂纳米氧化铈(CeO_(2))、三氧化二铁(Fe_(2)O_(3))和三氧化二铝(Al_(2)O_(3))对氟硅橡胶性能的影响。结果表明,当纳米耐热剂质量分数为2%时,氟硅橡胶在空气中的5%热失重温度从高到低依次为添加TiO_(2)/Fe_(2)O_(3)、TiO_(2)、Fe_(2)O_(3)、CeO_(2)、Al_(2)O_(3)试样和空白样;添加了纳米TiO_(2)/Fe_(2)O_(3)复合耐热剂的氟硅橡胶的5%热失重温度达到了453℃,比空白样提高了47℃。纳米TiO_(2)/Fe_(2)O_(3)复合耐热剂能显著抑制氟硅橡胶含氟侧基的氧化,这是氟硅橡胶耐热性能提高的主要原因。