深度科學| 跨越36年的“戶外考場”：一塊硅橡膠，如何驗證電網“守護神”的長期可靠性？

編者語：

“一場跨越36年的實驗，36年風雨洗禮，硅橡膠性能的“變”與“不變”，人的“變”與“不變”。”

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背景介紹

遍布大地的電力鐵塔和變電站中，支撐高壓導線的絕緣子如同輸電網絡的“關節”，既要承受強大的機械負荷，又要提供可靠的電氣絕緣，是保障電網安全運行的“守護神”。眾多絕緣子中，以硅橡膠為外護套的復合絕緣子因其出色的抗污閃性能、質輕、易于維護等優點，自上世紀下半葉以來被廣泛應用。與傳統的陶瓷和玻璃絕緣子不同，硅橡膠復合絕緣子依靠其憎水性來抵御濕污環境下的閃絡風險，這使其在潮濕、多雨、工業污染地區具有不可替代的優勢。

圖1. 電網

然而，這種聚合物“外衣”長期暴露在日曬、雨淋、高低溫循環、電暈放電等多種嚴酷環境的復合應力下（圖2），其長期服役性能一直是學術界和工業界關注的核心。硅橡膠是否會因“老化”而過早失效，導致停電事故？這個問題在復合絕緣子大規模應用之初就引發了普遍的“可靠性焦慮”。盡管人工加速老化測試和有限年限的現場掛樣研究提供了許多寶貴數據，但存在兩大局限：1.人工加速老化試驗的應力條件與自然老化過程存在差異，其等效性存疑；2.自然老化試驗的周期通常不超過十年，無法為絕緣子長達25年甚至更長的設計壽命提供直接的、長期的性能驗證證據。因此，一項能橫跨數十年、完全在真實自然環境中進行的“極限測試”，對于回答“硅橡膠能否勝任長期絕緣”這一根本性問題，具有無與倫比的價值。

圖2. 硅橡膠老化機制

2026年3月10日，清華大學Xidong Liang和Chao Wu團隊在Polymer Degradation and Stability期刊發表題為“Long-time performance of silicone rubber composite for electrical insulation revealed by natural exposure test for 36 years”的研究論文。該研究介紹了一項長達36年的自然暴露試驗（圖3），它如同一場橫跨時代的“戶外考場”，為我們檢驗這位“橡膠衛士”的長期可靠性，提供了前所未有的、極具說服力的“答卷”。

圖3. 樣品在自然暴露36年后的形態

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圖文解析

這項研究，始于1988年7月1日。研究者將按特定配方（甲基乙烯基硅橡膠基體，摻雜氣相二氧化硅、氫氧化鋁等填料）制成的硅橡膠樣品，放置于清華大學高壓實驗室屋頂，接受北京地區典型的溫帶季風氣候考驗。樣品在2024年5月被取回，完成了總計近36年的自然暴露。這可能是目前已知的同類試驗中持續時間最長的一次。研究者對樣品的各項關鍵性能進行了系統測試，并與原始狀態（1988年）及老化中期（1999年，11年）的數據進行了對比。

1.核心判據：決定能否繼續服役的“生命體征”

評估一塊服役數十年的硅橡膠絕緣材料是否還能繼續“上崗”，并非簡單地檢查它是否“看起來還新”。標準規定針對新產品的數十項測試，其重要性權重不同。通過工程分析，研究者明確指出，憎水性遷移能力和耐電痕化和電蝕損性是決定材料是否仍能滿足可靠運行要求的最關鍵、最應優先考慮性能指標。

圖4. 對標準規定的SR外殼材料新產品進行試驗

1）為什么是憎水性遷移能力？

憎水性是硅橡膠絕緣子的核心優勢，它能阻止水膜在表面連續形成，從而大幅提高污閃電壓。但在長期運行中，污染物會不斷在表面累積，形成親水性的污穢層。此時，憎水性遷移能力就顯得至關重要：硅橡膠內部低分子量的硅氧烷鏈段能遷移到污穢層表面，使其重新獲得憎水性。這種“自我修復”能力，是硅橡膠區別于陶瓷、玻璃絕緣子的“獨門絕技”，直接關系到其在污穢環境下的長期絕緣性能。

2）為什么是耐電痕化和電蝕損性？

在憎水性暫時喪失（如遇大霧、毛毛雨）時，潮濕污穢表面可能形成局部電弧。電弧的高溫會燒蝕硅橡膠，形成稱為“電痕”的導電碳化通道或“電蝕損”的坑洞。一旦形成深度蝕損，可能擊穿僅數毫米厚的護套，暴露內部的玻璃鋼芯棒，導致芯棒吸濕劣化，最終造成絕緣子機械斷裂的災難性后果。因此，耐電痕化和電蝕損性是硅橡膠作為外絕緣材料的“生存底線”。

2.性能演變圖譜：從卓越到依然合格的36年

1）憎水性的堅守與衰退

原始狀態（S0）：表現出卓越的憎水性，靜態接觸角（SCA）遠高于現行標準要求。其憎水性遷移能力驚人，即使在比標準規定嚴苛一倍的污穢條件下，也能在24 h內完成遷移，遠快于標準要求的96 h。

老化11年（S11）：憎水性依然保持在高水平，甚至帶有自然污穢層的表面憎水性更好，顯示了低分子鏈段活躍遷移的能力。在第一個十年里，未觀察到明顯的憎水性衰退。

老化36年（S36）：情況發生顯著變化。覆蓋了致密自然污穢層的表面憎水性很差。但關鍵發現在于：當人為去除這層致密污穢后，暴露出的“粉化層”（chalking layer）表面仍具有較高的靜態接觸角。更重要的是，在清潔后的表面進行標準憎水性遷移測試，其遷移能力在24 h內即基本恢復（圖5）。這表明，盡管經歷了36年老化，硅橡膠本體的憎水性遷移這一核心功能并未喪失，致密的長期積污是阻礙遷移的主要屏障。這為運行維護（如帶電水沖洗）提供了理論依據：清除表面致密污穢，可有效恢復絕緣子的憎水性能。

圖5. 不同老化時間后樣品的疏水性能

（2）耐電痕化的“金剛不壞之身”

研究采用了比現行標準（AC 4.5 kV斜平面法）更嚴苛的AC 6 kV測試條件來評估（圖6）。

原始狀態（S0）：在AC 6 kV的嚴酷測試下，最大蝕損深度小于1毫米，遠優于IEC標準（≤6mm）和中國國標（≤2.5mm）的要求，展現了配方中氫氧化鋁填料卓越的阻燃抑弧效果。

整個老化周期：在11年、22年、28年等時間點進行的AC 6 kV測試中，樣品的最大蝕損深度均未發生明顯劣化，始終保持在很低的水平。

老化36年（S36）：由于樣本珍貴，研究采用1個36年老化樣品與4個新樣品混合，進行現行標準要求的AC 4.5 kV測試。結果顯示，老化36年的樣品蝕損深度僅為1.12毫米，依然滿足對新樣品的標準要求。這證明，在精心設計的配方下，硅橡膠的耐電痕化性能具有驚人的長期穩定性。

圖6. 斜面試驗結果

3.微觀探秘：老化究竟發生在哪里？

性能的宏觀表現需要微觀結構來解釋。研究者將老化36年的樣品分層解剖（從前表面到后表面分為4層），通過一系列物理化學分析手段，揭示了老化的空間分布（圖7）。

粉化層：老化的“主戰場”，最表層的幾百微米厚度內，形成了明顯的“粉化層”。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和X射線光電子能譜（XPS）分析表明，此處硅橡膠聚合物基體含量顯著減少，而無機填料（二氧化硅、氫氧化鋁）相對比例增加。這是由于表層聚合物在紫外線、溫度、濕度等作用下發生分子鏈斷裂、交聯等反應，導致有機成分降解，填料暴露。幸運的是，這種降解具有明顯的“表面局域性”。

內部基質：狀態依然良好，在粉化層以內，樣品的FTIR、XPS譜圖與當前商業新樣品基本一致，未發現隨深度變化的顯著差異。這表明，長達36年的自然老化，其影響深度有限，材料內部的主體結構仍然保持完好。這也是其憎水性遷移能力和耐電痕性得以保存的微觀基礎。

交聯密度：揭示整體老化程度；通過溶脹法測得的交聯密度提供了另一個證據。老化36年樣品的平均交聯密度（1.44E-3 mol/m3）顯著高于商業新樣品（~1.13E-3 mol/m3），且表面略高于內部。這證實了在長期熱、輻照作用下，硅橡膠網絡發生了持續的后交聯，導致材料變硬、彈性降低，低分子量鏈段減少，這也與憎水性遷移速度變慢的現象相符。

圖7. 物理和化學分析結果

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總結

這項歷時36年的自然暴露試驗，為評估硅橡膠復合絕緣材料的長期可靠性提供了前所未有的直接證據。研究表明，采用精選配方和工藝的硅橡膠復合材料，完全具備在戶外電氣絕緣領域長期可靠運行的能力。其核心結論為：

關鍵性能的長期保持：決定運行安全的最關鍵性能——憎水性遷移能力和耐電痕與電蝕損性，在36年老化后依然滿足或可恢復至滿足運行要求

老化模式的局域性：材料的主要老化現象（粉化）集中在最表層數百微米范圍內，對材料整體性能影響有限；材料內部基質狀態保持良好。

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展望(巨人肩上前行)

1. 建立自然老化機理的人工加速老化試驗方法譜與等效性評估標準

2. 整一個硅橡膠降解研究？

文獻信息

Qian Wang, Haohan Zhou, Shuqi Liu, Ying Zhou, Xiran Wang, Zhou Zuo, Chao Wu, Xidong Liang, Long-time performance of silicone rubber composite for electrical insulation revealed by natural exposure test for 36 years, Polymer Degradation and Stability, 2026, 248, 112044.

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