西安交大李建英教授团队在聚丙烯电缆绝缘领域取得重要进展
2025-11-14 14:09:38
发展绿色低碳电力装备是我国践行“双碳”战略目标的关键路径，聚丙烯（PP）凭借卓越的电气性能与可回收特性，被视作传统交联聚乙烯（XLPE）电缆绝缘材料的理想替代方案。不过，PP材料固有的高脆性与低韧性问题，使其必须经过增韧改性方可满足应用需求。当前，通过各类改性技术，PP绝缘材料的室温弯曲模量已从2GPa成功降至约300MPa，与XLPE的性能水平十分接近，业界由此普遍认为PP绝缘已实现从“硬”到“软”的根本性改性突破。
然而，后续研究揭示了此前认知中的关键局限：当PP电缆绝缘承受4%的拉伸应变时，其击穿强度会大幅下降17.4%，而这一应变值远低于其16%的屈服应变；相比之下，XLPE在10%的高拉伸率下，击穿强度仅小幅下降1.8%。这一现象表明，即便PP绝缘的模量已达到较低水平，其在拉伸应力作用下的“柔软性”仍未达标，与业界此前形成的共识存在显著差异。进一步研究发现，PP绝缘的弹性极限应变为3.5%，这意味着在4%的应变下，材料已从弹性形变转变为塑性形变；而XLPE绝缘的弹性极限应变高达9.2%，具备更宽泛的弹性形变范围。通过有限元仿真计算证实，4%的应变仍处于截面积150mm²以上配网电缆正常敷设的弯曲应变区间内，这也意味着若PP电缆敷设完全沿用XLPE电缆的现有标准，其绝缘可靠性与长期稳定性将面临严峻挑战。
为探究这一问题的核心机制，研究团队借助原位拉伸电子显微镜、原位拉伸小角X射线散射等技术手段展开深入分析，结果表明PP绝缘在超过弹性极限应变后，表面会产生尺寸约为50nm的微裂纹，且随着拉伸率的提升，微裂纹会进一步剧烈扩展，导致材料内部自由体积迅速增加，最终引发击穿强度的大幅下降。基于这一发现，研究团队明确了优化方向：通过提高PP绝缘的弹性极限应变、抑制其屈服行为，可有效延长击穿强度大幅下降的临界应变，并降低强度下降幅度。实验证实，向PP绝缘中引入70%弹性体后，材料的屈服行为得到显著抑制，弹性极限点提升至5.4%，超出正常敷设的弯曲应变区间，其击穿强度在6%的拉伸率下仅下降5.1%。该研究成果明确指出，评价PP电缆绝缘的“硬”与“软”，不能仅以弹性形变模量或屈服应变作为单一指标，弹性极限应变应作为核心考量因素。
相关研究成果以“小应变致聚丙烯绝缘击穿强度骤降机制研究”（SmallStrain-InducedAbruptDropintheElectricalBreakdownStrengthofPolypropyleneInsulation）为题，发表于材料物理学顶刊《纳米快报》（NANOLETTERS）。西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室为第一完成单位，武康宁副教授担任第一作者，博士生隋浩然为学生第一作者，李建英教授为通讯作者。此次研究工作得到了中国电科院、中石油石化院、陕西电科院、上上电缆等单位的协作支持，并获得国家自然科学基金青年学生基础研究项目（524B2096）、中央高校基本科研业务费（xzy012024013）的资助。李建英教授课题组长期致力于聚烯烃绝缘电缆的研究与科研成果转化，相关研究已在ChemicalEngineeringJournal、CompositesScienceandTechnology、IEEETransactionsonDielectricsandElectricalInsulation、《高电压技术》等电气与材料领域国内外知名刊物发表多篇学术论文，其参与开发的聚丙烯绝缘电力电缆已在国家电网公司实现工程化应用。
