基于片晶滑移的水樹結晶破壞機理

陶霰韜 李 化 方 田 唐樂天 林福昌

基于片晶滑移的水樹結晶破壞機理

陶霰韜 李 化 方 田 唐樂天 林福昌

（強電磁工程與新技術國家重點實驗室 脈沖功率技術教育部重點實驗室華中科技大學電氣與電子工程學院 武漢 430074）

該文研究水樹對低密度聚乙烯（LDPE）結晶結構的破壞，并提出基于片晶滑移模型的結晶破壞機理。采用水針法對LDPE樣品進行加速水樹老化500h后，使用掃描電鏡（SEM）觀測到水樹缺陷中的微通道呈現平行排布的形態，這種形態與機械應力導致聚乙烯片晶滑移破壞形成的缺陷結構相似。通過分析和計算，水樹微通道前端的電-機械應力大于聚乙烯片晶滑移所需的臨界應力，足以在水樹生長過程中引發片晶滑移。片晶滑移導致微通道的形成，同時導致部分片晶的破壞從而形成更多的晶相界面，進而導致聚乙烯結晶度下降而中間相含量提高。使用拉曼光譜（RS）和差示熱掃描（DSC）法對比分析有/無水樹樣品的結晶參數，結果表明，水樹的生成導致LDPE的結晶度下降，無定形相的含量不變，而中間相含量明顯提高。因此，該文認為電-機械應力導致的片晶滑移是水樹對聚乙烯結晶相破壞的主要作用機制。

低密度聚乙烯 水樹 片晶滑移 結晶結構 破壞機理

0 引言

水樹是聚乙烯電纜的一種常見缺陷，水樹的生長是造成電纜絕緣性能下降的主要原因之一[1]。水樹通常被描述為，由nm級通道和mm級孔洞構成的樹枝發散狀絕緣缺陷[2]。國內外學者就水樹的發展提出了四種機理模型[2-4]：①電-機械應力機理，認為電場力驅動水分子造成破壞；②電致離子擴散機理，包括介電泳、毛細和滲透作用；③電化學降解機理，包括氧化作用；④條件依賴機理，通過缺陷形態和最終產物推測主要的作用機理。

這四種機理模型在描述水樹對聚乙烯的破壞時均基于兩相態結晶模型，認為聚乙烯中包含結晶態和無定形態兩種相態，分別構成晶區和無定形區。已有研究認為，水樹的誘發和起始通常發生在無定形區，無定形區為水分提供入侵通道和聚集區 域[1, 4-5]。同時，研究表明，晶區的含量越高，形成的晶體尺寸越大，聚乙烯中的水樹生長較慢[6-7]。因而，聚乙烯結晶狀況對水樹生長有一定的影響。

結晶度可用來表征聚乙烯結晶狀況，觀測結晶度是否下降可以評價聚乙烯的結晶區是否被破壞[8-9]。基于兩相態模型的常用結晶測試手段包括差示熱掃描（Differential Scanning Calorimetry, DSC）法和X射線衍射（X-Ray Diffraction, XRD）法[10-11]。一些研究認為，水樹主要在無定形區發展，而對聚乙烯的結晶度沒有影響[3, 10, 12]；但也有研究認為，水樹的發展將導致聚乙烯的結晶度下降[13-14]。例如，Li Huimin等的DSC結果表明，水樹生長導致低密度聚乙烯的結晶度降低[13]；Zhou Kai等的XRD結果表明，水樹老化使交聯聚乙烯樣品結晶度降低了11%[14]。因此，水樹是否會造成聚乙烯結晶度降低仍然存在爭議。同時，已有研究文獻[13-14]表示，結晶度降低的原因尚不明確。

在四種機理模型中，電-機械應力機理是目前使用最廣泛的模型[4]。從應力導致破壞的角度分析，一旦聚乙烯局部的機械應力超過2MPa，材料將發生以片晶滑移為代表的塑性形變，使晶區遭受不可逆破壞[15-16]。片晶滑移通常伴隨結晶度降低、晶區尺寸減小、晶區表層的界面增加等現象[17]。因此，判斷水樹是否會引發片晶滑移等塑性形變，需要結合與晶區界面相關的參數進行分析。

隨著觀測技術的進步，在以聚乙烯為代表的半結晶型聚合物中，觀測到一種相態特征介于結晶相和無定形相之間的相態，稱為中間相[8, 18]。基于結晶相、無定形相和中間相的結晶模型稱為三相態模型。從分布位置來看，大部分中間相分布于片晶/無定形相以及片晶/相鄰片晶的交界面附近，因而也將中間相稱為界面相[18-19]。中間相含量的變化可以定性地反映結晶界面的變化，更高的中間相含量表征結晶結構中存在更多的交界面。

拉曼光譜（Raman Spectroscopy, RS）是一種常用的基于三相態模型的分析手段[16-19]。例如，G. R. Strobl[19]、N. Stribeck[20]、R. P. Paradkar[21]和Lin Wen[22]等使用RS對聚乙烯的結晶相、無定形相和中間相含量進行測量。使用三相態模型，為研究聚乙烯結晶提供了更豐富的信息，也可以反映結晶相態之間的轉變。通過測定中間相含量的變化，可以間接反映晶相交界面的變化情況[19-20]。目前水樹的研究大多采用兩相態模型，而少見基于三相態模型報導。

本文采用水針法[23-24]在低密度聚乙烯（Low- Density Polyethylene, LDPE）樣品中產生水樹。基于兩相態和三相態模型，分別使用DSC和RS對水樹老化前后的LDPE樣品進行結晶特性分析。同時，結合水樹的微觀形貌結構特點，本文認為水樹生長會對聚乙烯的晶區造成破壞，并且片晶滑移是引發晶區破壞的原因。

1 聚乙烯結晶結構和機械應力破壞機制

聚乙烯從熔融狀態冷卻結晶的過程，首先是由分子鏈折疊形成片晶，然后片晶進一步擴展和堆積，進而形成更大尺寸的球晶結構[8]。片晶與球晶的構成關系和片晶的結構如圖1所示。片晶厚度是結晶特征的參數之一，聚乙烯的在數納米到數十納米之間。通常將片晶平行于的面稱為橫截面，將垂直于且與非晶區相鄰的面稱為片晶表面[8, 25]。

圖1 聚乙烯的球晶和片晶結構示意圖

聚乙烯破壞機制按機械應力從小到大可分為四個階段：彈性階段（2MPa以內）、片晶滑移（臨界應力s=2～5MPa）、晶區骨架拉伸破壞（5～20MPa）和無定形相拉伸破壞（20MPa以上）[15-16]。通常認為機械應力2MPa以內造成的彈性形變，在撤去外力之后可以完全恢復，而之后的三種形變則是不可逆的塑性形變[15]。機械應力大于臨界應力s時，聚乙烯將發生片晶滑移[16]。應力增大到10～20MPa時，片晶滑移不足以提供足夠的應變響應，晶體的骨架網絡將發生破裂導致材料空洞化[26-27]。增大到20MPa以上時，聚乙烯的非晶相網絡將產生拉伸破壞，進而形成非晶相的空洞化[28]。

水樹的電-機械應力機理認為，電場與水相互作用產生電-機械應力e，在e的作用下水樹得以發展。聚乙烯中的水樹具有一定的自恢復特性[14]，去除電壓并干燥后，水樹的尺寸會部分縮小，這部分可恢復的破壞機理對應聚乙烯的彈性形變[29]。但已有研究證實，水樹是永久性缺陷[1]，一旦水樹產生，即使去掉外加電壓其形態尺寸可能部分縮小，但水樹始終存在且材料的絕緣性能低于新樣品[14]。再次施加電壓，水樹會復發到之前的水平[14, 29]。這部分永久性的破壞機理對應塑性形變。

在水樹生長的過程中，如果局部e超過片晶滑移所需的臨界應力s，聚乙烯中將發生片晶滑移。片晶滑移將造成局部結晶破壞而結晶度下降，并且將產生更多的晶相界面，使中間相含量提高。同時，片晶滑移還將使被破壞的區域出現一些裂縫，且這些裂縫通常以相互平行的方式分布[17]。

2 試樣制備及實驗方法

2.1 LDPE試樣制備

本文使用可用于10kV電纜加工的純LDPE原料顆粒。使用平板硫化機配合模具將原料顆粒熱壓成長×寬×厚為100mm×100mm×5mm的樣塊。加工條件：熱壓溫度125℃，壓強12MPa，熔融時間12min，加壓時間12min，保壓凝固10min。隨后將樣品置于真空恒溫箱中退火24h消除殘余的機械應力，退火溫度40℃，退火氣壓0.001MPa。

將樣塊裁剪為45mm×45mm×5mm的小片，使用鋼針在樣品中心直徑20mm的區域內，以間距2mm的方形陣列扎針孔。使用光學顯微鏡測得針孔的平均深度約2mm，平均針尖直徑約150mm。

2.2 水樹老化實驗

本文基于水針法設計了一套用于壓片樣品水樹老化的杯形電極[23-24]，其原理以及生成的水樹如圖2所示。將樣品的針孔區域暴露在杯體的中空部分，并注入濃度約為26.5%的飽和NaCl溶液，通過銅電極向溶液導通有效值6kV、頻率5kHz的電壓。老化500h后，沿針孔剖開樣品，在白色燈光下拍攝的水樹如圖2中右圖所示，圖中白色區域即為水樹。

圖2 水樹老化電極原理以及生成的水樹

2.3 水樹形貌觀測

使用ZEISS Scope.A1光學顯微鏡放大50倍對水樹形貌和尺寸進行觀測和統計。選取6個老化500h的樣品進行切片，選取12個包含水樹的切片，在2%亞甲基藍溶液中染色24h后進行觀測。

使用EPMA-8050G掃描電鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）進行微觀形貌觀測。被測樣品按以下步驟制備：①樣品浸泡在液氮中并沿針孔脆斷；②超聲振蕩儀清洗5min并室溫鼓風干燥2min；③待測表面噴濺厚50nm的Pt以增強表面導電性。

2.4 DSC測試

使用PerkinElmer Diamond DSC型差示掃描熱量儀進行DSC測試。測試升溫速率10℃/min，溫度范圍從20℃升溫至200℃。待測樣品制備：將老化后樣品沿針孔方向切為厚1mm的切片，選取6個包含水樹的切片（WTD組），以及6個不含水樹的切片（AD組）。另選6個新樣品切片作為對照組（ND組）。將待測切片修剪為質量約5mg的小塊，超聲儀振蕩清洗5min，再常溫鼓風干燥5min。

2.5 RS測試

使用Lab RAM HR800拉曼光譜儀進行RS測試。測試激光源波長532nm，功率50mW，測試波數800～1 600cm-1。選取6個老化后樣品按圖3所示制備。將樣品沿針孔中心軸切開，使水樹暴露在切面上，在每個切面上選擇兩個測試點，其中在包含水樹位置選擇一個測試點（WTR組），在未生成水樹的位置選擇一個測試點（AR組）。另選6個新樣品為對照組（NR組）。

圖3 拉曼光譜測試的取點示意圖

3 結果與分析

3.1 水樹的形貌觀測與尺寸統計

老化500h的水樹由光學顯微鏡放大50倍的形貌和主要尺寸參數如圖4所示。水樹的樹枝長度tr定義為沿針尖方向從針孔缺陷的尖端到水樹尖端的長度。另一個形貌參數是水樹寬度tr，通常用來表征水樹區域所占空間的大小。對選取的12個水樹切片的尺寸參數測量后，計算得其樹枝長度tr平均值為310.19mm，標準差31.23mm，水樹缺陷區域寬度tr平均值為540.57mm，標準差50.47mm。

圖4 老化500h的水樹形貌和尺寸說明

3.2 水樹的微觀形貌

未經老化的新樣品經低溫脆斷后在SEM中放大500、5 000和25 000倍的微觀形貌如圖5a、圖5c和圖5e所示。樣品表面呈均勻的波浪紋理，這是聚乙烯類材料脆斷后典型的斷面形貌[25]。

圖5 SEM觀測到的老化500h水樹的微觀結構

老化500h后，樣品中的水樹區域放大500倍形貌如圖5b所示。樣品中觀測到數條呈平行分布的微通道，相鄰微通道之間的間隔距離約20～40mm，且每條微通道上分布有一定數量的孔洞。圖中白色紋路為脆斷產生的應力紋，應力紋延伸方向與微通道方向不一致，因此可排除脆斷應力導致這種微通道結構的可能。微通道和孔洞結構放大5 000倍如圖5d所示，幾個孔洞之間通過微通道連接，與文獻[29-30]所述的水樹珍珠串型結構形態基本一致。通常在微通道出現轉折處都伴隨有孔洞的存在。放大到25 000倍如圖5f所示，孔洞直徑在1～2mm的范圍，微通道寬度在30～50nm左右。孔洞的斷面形態呈凹坑狀，微通道延伸經過孔洞，且孔洞的內部也有形態清晰的微通道。這樣的微觀形貌表明微通道不是一個橫截面直徑很小的圓柱形通道，而是一種深度大于微孔直徑的狹縫結構。

3.3 基于兩相態模型的結晶度和片晶厚度測量

為了研究水樹對LDPE結晶度的影響，選取三組樣品進行DSC檢測，并依據式（1）計算結晶度[31-32]，各組結晶度平均值如圖6a所示。

式中，D0為測得LDPE的熱熔融焓（J/g）；Dm為理想100%結晶聚乙烯的熔融焓（J/g），本文取Dm= 288J/g[33]。

為了分析水樹對LDPE片晶厚度的影響，依據式（2）和式（3）對各組樣品的片晶厚度進行計算[31, 34]，各組片晶厚度平均值如圖6b所示。其中，LDPE的熔點溫度m與晶片的厚度相關，滿足Thomson- Gibbs公式[34-35]，有

其中

圖6 DSC檢測結果

比較圖6a中結晶度平均值，ND組、AD組以及WTD組結晶度分別為26.47%、25.49%和23.94%。AD組的結晶度絕對值與ND組相比下降了0.98%。這表明經過500h的老化，即使在沒有水樹生成的部分結晶度也會出現一定的下降。同時，與AD組和ND組相比，WTD組的結晶度絕對值分別下降了1.54%和2.53%。這樣的降幅表明，水樹的生成將導致LDPE的結晶度進一步下降。

比較圖6b中三組樣品的片晶厚度，ND組、AD組以及WTD組的晶片厚度的平均值和標準差分別為8.95nm和0.222nm、8.930nm和0.18nm以及8.96nm和0.229nm，三組樣品的片晶厚度沒有變化。因此，水樹對LDPE的片晶厚度沒有影響。

3.4 基于三相態模型的結晶參數測量

拉曼光譜測得水樹老化前后樣品的典型波形如圖7所示。采用內標法[8]（Internal Standard Method, ISM）對結晶參數進行定量分析。1 295cm-1附近為聚乙烯-CH2-的扭曲擺動峰，其拉曼峰值強度不隨結晶構型變化，因此可作為結晶計算的內標強度[19-20]。聚乙烯結晶相的-CH2-鏈彎曲峰在1 416cm-1附近，其峰值強度可作為結晶相的特征值[20-21]。對于理想100%結晶的聚乙烯，有1416/1295=0.46，因而，聚乙烯的結晶度c可以用式（4）計算而得。聚乙烯中處于無定形態的分子鏈特征峰出現在1 303cm-1附近，無定形相含量可以用式（5）計算而得[21-22]。聚乙烯中除結晶相和無定形相含量以外的成分即為中間相含量，可用式（6）計算[8, 20]。

式中，c為樣品結晶度（%）；a為樣品無定形相含量（%）；b為樣品中間相含量（%）；1416、1295、1303分別為1 416cm-1、1 295cm-1、1 303cm-1處的拉曼峰值強度。

圖7 拉曼光譜測得的光譜曲線

經計算，NR組、AR組以及WTR組所得的c、a和b的平均值如圖8所示。其中，c平均值如圖8a所示，AR組的c絕對值與N組相比下降了0.94%。同時，與N組和AR組相比，WTR組的c絕對值分別降低了2.89%和1.74%。RS測得的下降幅值與DSC測得的大致相當。RS測試結果再次證明水樹將導致LDPE的結晶度降低。

三組樣品的a平均值如圖8b所示，NR組、AR組以及WTR組的a平均值分別為50.67%、50.46%以及50.09%，標準差分別為0.208%，0.541%和0.270%。AR組和WTR組的a與NR組的相比，絕對值分別減小0.21%和0.58%。下降的幅值與測量的標準差相比，差異并不明顯，即三組樣品的a沒有統計意義上的變化。因此，水樹對LDPE的無定形區含量沒有影響。

圖8 拉曼光譜測得的各組樣品的結晶度、無定形相含量和中間相含量

三組樣品的b平均值如圖8c所示，NR組的b平均值為17.77%，AR組為18.91%，WTR組無定形含量21.02%。與NR組相比，AR組無定形相含量的絕對值提高了1.14%。同時，與NR組和AR組相比，WTR組的無定形相含量的絕對值分別提高了約3.25%和2.11%。分析式（6）可知，當a保持大致恒定時，c與b的變化規律將嚴格相反。由于水樹對a沒有影響，因而水樹導致的結晶度的下降將同時導致LDPE中間相含量的提高。

4 討論

4.1 水樹對LDPE結晶相的影響

DSC基于兩相態模型，通過標定LDPE中結晶相的含量計算結晶度，剩余部分統稱為非晶相含量。RS作為一種基于三相態模型的光譜檢測，可以測得LDPE中結晶相和無定形相兩種相態的含量，前者為結晶度，后者為無定形相含量，剩余部分統稱為中間相含量。

DSC結果表明，未經老化的新LDPE樣品的結晶度為26.47%，經過500h的老化后，未生成水樹的區域結晶度為25.49%，生成水樹的區域結晶度為23.94%。RS在相應的部分測得的結晶度分別為31.57%、30.63%和28.89%。對比兩種測量手段的結果，對于相同樣品，RS測得的結晶度與DSC測得的結果相比，其絕對值偏大5%左右。

同時，DSC測得的老化后未生成水樹的區域，與新樣品相比，其結晶度絕對值下降了0.98%，RS測得的下降值為0.94%，兩種測量手段的測試結果基本一致。這樣的結果表明，LDPE經過500h的老化，即使是沒有生成水樹的部分，結晶度也出現了下降，其結晶結構遭到了一定的破壞。

并且，DSC測得老化后生成水樹的區域，其結晶度與新樣品和老化后不含水樹的區域相比，絕對值分別下降了2.53%和1.54%。RS測得的對應下降值分別為2.89%和1.74%，兩種測量手段的測試結果基本一致。這樣的結果表明，LDPE中一旦生成水樹，其結晶度將進一步降低，因而水樹的生成將對LDPE的結晶結構產生更嚴重的破壞。

4.2 水樹對LDPE非晶相含量的影響

DSC中除結晶相外的剩余部分統稱為非晶相含量，可通過1-c計算而得。DSC測得的新樣品、老化后未生成水樹的部分以及包含水樹的部分的非晶相含量分別為73.53%、74.51%和76.06%。由于非晶相含量是由1-c計算而得，因而其變化規律與結晶度的變化規律是嚴格相反的。

RS通過標定材料中的無定形相含量，進一步將非晶相含量細分為無定形相含量和中間相含量，測得的新樣品、老化后未生成水樹的部分以及包含水樹的部分的無定形相含量分別為50.67%、50.46%和50.09%，同時，相應樣品的中間相含量分別為17.77%、18.91%和21.02%。無論是否生成水樹，樣品的無定形相含量幾乎不發生變化，但水樹的生長導致樣品的中間相含量增加，并且這種增加與前述結晶度的降低是大致相當的。據此可以推測，在水樹老化過程中，被破壞的結晶相沒有轉化為無定形相，而是轉化為中間相形態繼續存在于材料中。

4.3 水樹對LDPE結晶結構的破壞機制

第4.1和4.2節的討論已證明水樹導致LDPE部分結晶相轉化為中間相，而中間相主要分布在片晶/無定形相和片晶/相鄰片晶的交界面[18-19]，相態轉變存在片晶表面侵蝕和片晶沿橫截面方向破壞兩種可能方式。

片晶表面侵蝕是通過中間相向片晶內部侵蝕來實現的，理論上會導致片晶厚度下降。但在DSC測試中，新樣品、老化后不含水樹以及包含水樹的部分，這三種樣品的片晶厚度分別為8.95nm、8.93nm和8.96nm，水樹存在與否對LDPE片晶厚度沒有影響。因此，水樹沒有導致片晶的表面侵蝕，相態轉變主要因為片晶發生沿著橫截面方向的破壞。

片晶滑移是機械應力致橫截面破壞的常見的一種破壞機制，片晶滑移不僅會造成晶相參數中的結晶度降低和界面相含量提高，同時還會導致材料中出現一些相互平行的裂縫[17]。本文SEM觀測到的水樹區域存在平行分布的微通道，其形態特點與文獻[17]中片晶滑移形成的裂縫形態基本一致，結合水樹導致LDPE結晶度下降和中間相含量提高的觀測結果，水樹導致結晶相的破壞現象與片晶滑移導致的破壞現象基本吻合。

從電-機械應力的角度分析，當外加電壓頻率低于10MHz時，在針尖狀或樹枝狀缺陷尖端附近，電場與含離子水共同作用產生電-機械應力e可以計算[36]為

式中，為缺陷的等效長度（m）；為缺陷等效半徑（m）；0為真空介電常數，0=8.854×10-12F/m[37]；p為聚乙烯的相對介電常數，p=2.26[37]；0為平均電場強度（V/m）。

聚乙烯的水樹起樹電場強度經驗值2MV/m[1]。加速水樹老化常用的針孔缺陷/可達35～40[1, 4, 6]，以/=25～40且0=2MV/m估算，針尖區域的e可達15.0～25.6MPa，相應的2在3.0～12.8MPa的范圍，大于聚乙烯片晶滑移的臨界應力s=2～5MPa。本文SEM測得的水樹微通道寬度約30～50nm，通道長度可以達到數十甚至數百微米，相應/可以達到102數量級，2的計算值可以達到數百兆帕，遠遠大于s。因此，水樹通道尖端的電-機械應力足以導致片晶滑移。

水樹造成片晶滑移的破壞方式如圖9所示。含離子水首先侵入片晶之間的非晶區，并在電場的作用下產生促使水繼續擴散的應力1，同時產生對周圍片晶的側向擠壓應力2。當2＞s時，部分片晶將發生滑移，進而對聚乙烯的結晶相造成破壞。

圖9 水樹對聚乙烯晶相結構的滑移破壞示意圖

片晶滑移過程的物理機制如圖10所示[38]。片晶滑移前的初始狀態如圖10a所示，片晶在形成過程中不可避免地會產生一些缺陷，這些缺陷在滑移的初始階段將形成薄弱點，為下一步滑移過程提供了初始的滑移線。片晶滑移的中間過程如圖10b所示，當含離子水侵入到片晶與相鄰片晶之間的無定形區，在2的作用下，部分片晶將沿著滑移線發生位移。片晶的位移將在與原始位置之間的間距中產生空隙，含離子水將填充該空隙形成水樹的微通道結構。同時，片晶滑移將沿著滑移線產生新增的界面，新增界面相包含片晶與非晶區之間的界面，也包含片晶橫截面破壞形成的片晶之間的界面。片晶滑移的最終狀態如圖10c所示。由于聚合物材料具有粘彈性，片晶滑移后材料將產生一定的回彈力，使滑移產生的位移略有恢復。同時，滑移產生的新增界面也將在回彈過程中發生局部遷移，最終形成穩定的界面相（中間相）。從結晶參數上分析，片晶滑移將使片晶的結構遭到破壞，片晶的尺寸減小而占比降低，因此測得的結晶度將下降。同時，滑移產生了新增的中間相（界面相），使得測得中間相的含量得到提高。

圖10 片晶滑移過程的物理機制

5 結論

本文對水樹老化前后的LDPE樣品進行結晶特性分析，并對水樹的微觀形貌進行觀測，基于片晶滑移模型對水樹導致結晶破壞的作用機理進行了討論，得到的主要結論如下：

1）結晶參數的測試結果表明，水樹導致LDPE結晶度下降，中間相含量提高，無定形相的含量不變。因此，水樹導致結晶相破壞，且被破壞的結晶相主要轉變為了中間相，而沒有轉變為無定形相。

2）基于DSC測定的片晶厚度結果，水樹對LDPE的片晶厚度沒有影響。因而，結晶相向中間相的轉變主要發生在片晶的橫截面方向。

3）水樹導致結晶相破壞的作用機理是電-機械應力導致的片晶滑移。在水樹生長過程中，當微通道前端的2＞s時將引發片晶滑移。片晶滑移不但會導致微通道的形成，同時將使部分片晶破壞形成更多的界面，是導致聚乙烯結晶度下降而中間相含量提高的主要原因。

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Crystalline Destruction Mechanism Caused by Water Tree Based on Lamella Slip

（State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Key Laboratory of Pulsed Power Technology School of Electrical and Electronic Engineering Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China）

In this paper, the crystalline destruction of low density polyethylene (LDPE) caused by water tree was discussed, and a destruction mechanism based on lamella slips was proposed. After 500 hours of accelerated water tree aging on LDPE samples by the water-needle method, the cultivated water trees were observed by scanning electron microscope (SEM). The captured parallel distributed micro-channels are similar to the defects formed by mechanical-stress-caused lamella slip during tensile deformation. Through theoretical analysis, the electro-mechanical stress at the tips of the water tree micro-channels is able to cause the lamella slip. The crystalline parameters of the samples with/without water tree were analyzed by Raman spectroscopy (RS) and differential scanning calorimetry (DSC). The results reveal that the growth of water trees leads to the decrease of crystallinity and the increase of interfacial content, and the amorphous content remains unchanged. Therefore, this paper believes that the crystalline destruction mechanism was proposed based on the lamella slip caused by electro-mechanical stress is the main mechanism of the crystalline destruction.

Low density polyethylene (LDPE), water tree, lamella slips, crystalline structure, destruction mechanism

TM215.1

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200993

2020-08-06

2020-09-10

陶霰韜 女，1989年生，博士研究生，研究方向為電力電纜絕緣老化與檢測。E-mail: tao_xiantao@126.com

李 化 女，1979年生，教授，博士生導師，研究方向為高電壓與絕緣技術和脈沖功率技術。E-mail: leehua@mail.hust.edu.cn（通信作者）

（編輯 崔文靜）