计及时变演化特征的硅泡沫垫层非线性黏弹性模型研究

基于黏弹性基本理论,引入材料非线性特征,考虑了材料加载、保载应力松弛历史、老化效应以及黏弹性模型各运动单元退化的差异性,并从两种老化机制出发,获得了老化硅泡沫垫层力学模型以及长时应力松弛硅泡沫垫层接续加载力学模型.模型机理清晰,能够反映材料服役历史信息及其对力学效应的影响.

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。

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。

轻量化动车组车载牵引变压器的研制

车载牵引变压器是动车组单体最重的电气设备,其轻量化有助于动车组节能降耗与运输效率提升。现有车载牵引变压器均为油浸式,干式变压器是其轻量化的主要方案,但目前干式变压器采用的环氧树脂绝缘易开裂、散热无法满足要求。为此,以具有良好力学性能的硅橡胶为基体材料,首先通过温升分析研究绝缘材料热导率需求,然后制备样品开展实验,以电学性能和力学性能为约束条件研究绝缘材料导热性能改进方法,进而研究车载牵引变压器轻量化设计方法,最后依据研制的绝缘材料与轻量化设计方法,设计并研制了一台容量为250 kVA的小型轻量化车载牵引变压器样机。结果表明:制备的高导热硅橡胶复合绝缘材料性能满足干式车载变压器对绝缘和力学性能的要求;研制的小型变压器样机质量为780 kg,相比同容量油浸式车载牵引变压器质量减少了46.2%,经试验测试得在额定条件下样机的热点温度值为167.68℃,满足车载牵引变压器运行需求。

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。

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%。

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。

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。

高电压有机外绝缘发展综述与展望

我国电力工业的高速发展,为高电压有机外绝缘技术提供了巨大发展动力和空前发展机遇。其中,硅橡胶复合绝缘子是该领域的典型代表,其发展进步过程值得分析。经过三大关键机遇和4个重要阶段,硅橡胶复合绝缘子在电力系统的大规模应用,使我国成为全球首个在特高压输电系统中以有机外绝缘为主的国家。为服务新型电力系统的构建,研制新一代长服役寿命复合绝缘子已成为亟待突破的重大技术难点之一。因此,该文主要以复合绝缘子的技术演进为主线,系统回顾和总结了国内外复合绝缘子技术的发展历程,对比分析了国内外不同阶段的发展特点与关注焦点;梳理了我国在复合绝缘子领域取得的关键技术突破,并对国内外技术的演进、当前焦点问题和长服役寿命复合绝缘子的产业链联合攻关进行了讨论及展望。

用于电梯曳引机减振的MR-SRC减振器设计与分析

针对现有曳引机减振常采用的高分子减振垫因环境因素而引发性能大幅退化问题,以电梯曳引机减振器的工程应用需求为导向,确定减振器所需阻尼元件的刚度后,采用真空渗流技术将硅橡胶填充入金属橡胶孔隙并形成包覆,研制出一款耐环境影响的高性能金属橡胶/硅橡胶连续互穿相复合减振材料(metal rubber-silicone rubber continuous interwoven phase composite damping material, MR-SRC)。然后基于实际结构建立电梯曳引机的有限元数值模型。对加装MR-SRC减振器前后的电梯曳引机进行了模态分析,确定了整体结构的固有频率和振型。对MR-SRC减振器进行冲击响应分析,对比不同MR-SRC材料和冲击载荷对响应的影响,校核减振器的强度。接着,基于MR-SRC的近似等效,对减振器系统的冲击响应进行了理论计算,得出金属橡胶密度为1.8 g/cm^(3)的MR-SRC减振器对减振效果最佳。最后将所制备的MR-SRC减振器安装于实际电梯曳引机,按照电梯减振国标要求,测试电梯在运行过程中的加速度和速度变化,计算并校核电梯运行的相关特性参数。该文章提出的减振器为电梯安全可靠运行提供了一种新途径。

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。

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。

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。

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。

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。

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.

基于FSR嵌入的智能泡沫在气动夹爪的应用

如何控制工业夹爪对易损物体的夹持力是一件具有挑战的任务,通常是利用有着力传感器的电动夹爪进行反馈控制,但这种方法昂贵且额外增加了夹爪的复杂程度。基于直书写3D打印,设计了一种内嵌力敏电阻器(FSR)的智能硅橡胶泡沫,安装在气动夹爪的指尖,不仅能监测夹持状态,还能在气压超过阈值后一定范围内,保持夹持力的恒定,以保护物体。实验结果表明:智能泡沫在4~12 N的工作范围内,误差不超过1.5N。当气压在450~560kPa范围内,能维持夹持力约14.6N。

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。

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。