【行业前沿】西交大李建英团队在聚丙烯电缆绝缘领域获重要进展

发展绿色低碳电力装备是实现我国“双碳”战略目标的重要组成部分。聚丙烯(PP)凭借优异的电气性能和可回收性，有望替代传统交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘。然而由于PP固有的高脆性和低韧性，必须对其增韧改性。目前，人们通过众多改性方法将PP绝缘的室温弯曲模量成功从2 GPa降至约300 MPa，十分接近XLPE水平。业界基本达成共识：PP绝缘已成功实现从“硬”到“软”的根本性改性优化。

然而，研究发现PP电缆绝缘在受到4%的拉伸应变时击穿强度就会发生高达17.4%的大幅下降，4%的应变也远小于其屈服应变(16%)；而XLPE在高达10%的拉伸率下击穿强度仅发生1.8%的小幅下降。这说明即使PP绝缘的模量已足够低，其在拉伸应力下仍然不够“软”，这与之前业界所达成的共识相悖。

进一步研究发现，该PP绝缘的弹性极限应变为3.5%，说明其在4%的应变下已发生从弹性形变向塑性形变的转变。而XLPE绝缘的弹性极限应变却高达9.2%，表明XLPE绝缘具有更宽的弹性形变域。有限元仿真计算显示，4%的应变仍处于150 mm2以上截面积的配网电缆正常敷设的弯曲应变区间内。这说明，PP电缆敷设时的最小弯曲半径如若完全延用XLPE电缆的敷设标准，将导致绝缘可靠性和长期稳定性受到巨大挑战。

原位拉伸电子显微镜、原位拉伸小角X射线散射结果表明，PP绝缘在超过弹性极限应变后，表面产生了尺寸约为50 nm的微裂纹，并随拉伸率的扩大进一步剧烈扩展，PP绝缘中自由体积随之迅速增加，由此导致了击穿强度的大幅下降。提高PP绝缘弹性极限应变，抑制PP绝缘的屈服行为，可延长其击穿强度大幅下降的临界应变和击穿强度下降的幅度。通过向PP绝缘中引入70%弹性体抑制其屈服行为，弹性极限点显著提高至5.4%(在正常敷设时弯曲应变区间之外)，其击穿强度在6%的拉伸率下仅表现出5.1%的下降。

上述结果表明，PP电缆绝缘是“硬”或“软”，不应仅仅参考弹性形变模量或其屈服应变，更应考虑PP绝缘的弹性极限应变。

研究成果以“小应变致聚丙烯绝缘击穿强度骤降机制研究”（Small Strain-Induced Abrupt Drop in the Electrical Breakdown Strength of Polypropylene Insulation）为题发表在材料物理学顶刊《纳米快报》（NANO LETTERS）上，武康宁副教授为第一作者，博士生隋浩然为学生第一作者，李建英教授为通讯作者，第一完成单位为西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室。该工作合作单位为中国电科院、中石油石化院、陕西电科院、上上电缆。该工作得到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）的支持。

李建英教授课题组多年来专注聚烯烃绝缘电缆的研究工作及其科研成果的落地转化。相关成果发表于Chemical Engineering Journal,Composites Science and Technology、IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation、高电压技术等电气/材料领域国内外知名刊物上。课题组参与开发的聚丙烯绝缘电力电缆已在国家电网公司获得工程化应用。

来 源 | 西安交通大学电气工程学院