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CES优博｜兰州理工大学电信学院讲师 李康乐
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为推动我国电气工程领域的科技进步，鼓励创新性研究，促进青年专业人才成长，中国电工技术学会开展中国电工技术学会优秀博士学位论文推荐与评选工作。
李康乐，兰州理工大学电信学院讲师。2012年、2017年和2021年分别从四川大学获得学士、硕士和博士学位。在《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》、《Electric Power Components and Systems》、《中国电机工程学报》、《高电压技术》等期刊发表SCI/EI文章14篇，参编专著1部。
论文题目
基于XLPE微观结构及粘弹特性的水树分阶段及非线性生长机理研究
指导老师
周凯 教授
学位授予单位
四川大学
博士论文工作
水树是导致交联聚乙烯(Crosslinked Polyethylene，XLPE)电缆绝缘老化和寿命缩短的主要因素之一。在水树生长过程中发现水树存在分阶段生长现象，即在不同老化阶段水树生长行为将发生显著变化。然而当前的电机械破坏理论通常认为水树生长集中在材料非晶区，对于水树生长中的晶区破坏现象及破坏机制缺乏关注，导致无法完全理解水树的分阶段生长现象。此外，当前的电机械破坏理论认为在电场强度相同条件下水树区域损伤是线性发展的，尚未注意到水树生长中的非线性损伤现象，以及不同老化条件下水树区域粘弹特性变化对材料损伤及水树生长的影响。
本文在水树生长的电机械破坏理论基础上，研究了水树区域非晶区及晶区微观结构破坏特点及其对水树生长的作用，阐明了水树分阶段生长机理；此外，研究了不同时间及频率下材料粘弹特性变化特征及其对材料力学疲劳损伤的作用，阐明了不同老化条件下水树区域的非线性损伤机理。论文主要研究工作如下：
研究了不同老化阶段水树区域非晶区微观结构破坏特征，分析了水树非晶区微观结构破坏对电场分布及水树生长的影响。发现水树生长可分为初始阶段、滞长阶段、后续阶段三个阶段。初始阶段，非晶区微孔较小且彼此孤立，水树尖端电场较高，水树生长速率较高。滞长阶段，非晶区孤立微孔彼此连通，导致水树尖端电场及水树生长速率显著降低。后续阶段，非晶区出现不规则微孔，导致水树区域电场畸变，局部水树枝生长速率再次升高并形成不规则水树形态。
研究了不同老化阶段水树区域晶区破坏特点，分析了水树生长中的晶区破坏机制及其对水树生长的影响。发现水树生长中XLPE晶区同样将发生破坏。当非晶区微孔发展至晶区时，其将挤压晶区、造成晶区形变并萌生位错，进而位错运动增殖导致晶区破坏。初始阶段，XLPE(110)、(200)、(020)三主晶面方向萌生位错并沿晶区发生较长距离滑移，导致形成细长滑移带及位错台阶，晶区尚未破坏。滞长阶段，不同晶面位错相遇并形成割阶，导致位错塞积并在晶体中萌生微裂纹，进而发展成为较大尺寸裂纹。随着位错塞积密度增大，不同类型、不同晶面位错运动增殖形成V形凹槽及L形、U形等不同形态位错凹坑，并在位错凹坑底部萌生微孔，晶区开始发生破坏。后续阶段，晶区微裂纹发展成为裂缝，并且萌生更多位错凹坑及微孔，晶区发生严重破坏。此外，晶区破坏是水树滞长的重要原因。当晶区萌生微裂纹时，其将非晶区孤立微孔连通并形成大量新水树枝，导致水树尖端电场及水树生长速率显著下降。
研究了不同时间及频率下水树区域的损伤特性，并论证了水树非线性损伤的引发因素。发现在水树老化中，水树区域损伤具有非线性特性。一方面，在相同老化频率下，水树区域损伤程度随老化时间增长而非线性增加。另一方面，在相同老化时间下，水树区域损伤程度随老化频率增加而非线性增加。此外，不同条件下水树非线性损伤是由水树区域粘弹特性变化所引起的。
研究了不同条件下XLPE粘弹特性及力学疲劳损伤特征，分析了不同老化条件下水树非线性损伤的原因。发现在力学疲劳中，随着疲劳应力作用时间增长，材料弹性模量下降、弹性能量减小，导致材料耗能率增加并出现随时间增加的非线性损伤。而当疲劳应力频率升高时，材料分子链段更加跟不上外力变化，导致材料耗能率上升并出现随频率增加的非线性损伤。不同老化时间及频率下水树区域非线性损伤亦是由材料粘弹特性变化所致。当应力作用时间增加或应力频率升高时，由于水树区域材料粘弹特性变化，导致水树区域损耗能量及耗能率增加，进而出现随时间及频率的非线性损伤特性。
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