以四元件模型理解水树生长的电-机械理论

为揭示电-机械理论中麦克斯韦应力对水树生长的作用机制,研究了水树生长特性与麦克斯韦应力波形的关系,并运用表征高分子材料力学特性的四元件模型,提出了一种水树生长受麦克斯韦应力影响的可能机制.对交联聚乙烯(XLPE)样本施加3种波形电压,即半波整流电压、正弦交流电压和全波整流电压进行加速水树老化,得到不同波形电压下水树生长特性.实验结果表明:水树长度与电压波形密切相关,半波整流电压下水树最短,正弦交流电压、全波整流电压下水树平均长度分别是前者的1.46、1.86倍.根据实验结果,可得到水树生长特性与相应的麦克斯韦应力波形的关系.通过搭建XLPE材料的四元件模型,建立了3种电压下XLPE材料的形变随麦克斯韦应力变化的曲线,在1个交流电压周期内,半波整流电压下形变最小,全波整流电压下形变最大,正弦交流电压下形变介于前两者之间;形变越大,材料断裂一次所需周期数越小,水树生长速度越快,与水树生长特性一致.因此,结合四元件模型,麦克斯韦应力对水树生长的作用机制得以阐明.