絕緣材料熱老化分析
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
絕緣材料熱老化分析的視頻教程
靜態熱機械分析儀（TMA）在材料分析中的應用
靜態熱機械分析儀（TMA）在材料分析中的應用 適用人群：新材料研發、模具設計、加工工藝、高校或科研院所等新材料研發工程師；檢驗檢測機構和實驗室管理人員、質量/技術負責人、授權簽字人及相關技術人員；其他從事與實驗室管理、質量控制相關的管理與技術工作負責人。
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考慮熱-電-力-化耦合的復合材料雷擊損傷分析
本課程講解了如何通過abaqus軟件對復合材料雷擊損傷進行分析。通過考慮雷擊過程的電-熱-力-化學多場耦合，計算了復合材料雷擊過程中的電場、溫度場、損傷場及熱解度場。同時也對復合材料雷擊后的剩余強度進行了分析，講解了不同場在計算中的傳遞方法，獲得了雷擊對復合材料的影響效果。
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絕緣材料熱老化分析的實例教程
Simdroid耦合仿真老化分析結果，保留了繞組以更直觀地展示相應位置的老化程度
基于該模型可開展針對絕緣紙的老化分析，其結果可幫助電力變壓器運維人員制定更優化的策略。通常用聚合度（DP）作為特征參量來表征絕緣紙的老化程度，它在物理上代表絕緣紙纖維素分子鏈中葡萄糖單體的重復出現次數平均值，DP值越低，老化程度越高，也意味著更高的失效概率。重慶大學的研究團隊結合二階動力學模型，基于實驗和仿真結果深入分析了溫度相關的纖維素降解機制，以聚合度累計損失率為指標，將絕緣紙降解動力學模型不斷進行改進優化，并將研究成果在Simdroid后處理器中進行集成。軟件用戶可使用該項定制功能方便地調用物理場仿真結果完成絕緣紙老化分析，并通過可視化功能查看相應結果。
Simdroid 是由北京云道智造科技有限公司開發的基于“仿真平臺+仿真APP”模式的通用多物理場仿真平臺。該平臺具備自主可控的結構、電磁、流體和熱四大物理場求解器和多物理場仿真內核，在統一友好的環境中為仿真工作者提供了前處理、求解分析和后處理工具，同時其內置的APP開發器支持用戶以無代碼化開發的方式便捷封裝全參數化仿真模型及仿真流程，將仿真知識、專家經驗轉化為可復用的仿真APP，實現知識變現。仿真APP通過APP商店Simapps 實現在線展示、交易，用戶通過云端快速、便捷、低成本使用各類工業APP，真正實現普惠仿真的愿景。Simdroid 已經在電力、家電、生物醫療、電子信息、航空航天等行業領域得到了廣泛的工程化應用。申請試用：https://www.simapps.com/v2/tool/simdroid
展開 這是因為，為了實現輻射制冷材料的超高的陽光反射率，通常需要構建聚合物-光散射體復合體系，而聚合物與常用的光散射體（如SiO2, BaSO4, CaCO3等球形介電顆粒或孔洞等）的導熱率非常低，除此之外，由于這些光學散射體通常折光率低，具有很強的前向散射以及相干散射，因而導致需要增加材料厚度以實現對陽光的高度反射。由此可見，對于傳統的輻射制冷材料來說，實現高陽光反射率與低熱阻往往是相互制約的（如圖1所示）。
圖 1 低陽光反射率與高陽光反射率輻射制冷材料傳熱模型分析。熱阻R=L（厚度）/λ（導熱率）。
有鑒于此，上海交通大學電氣材料與絕緣研究中心黃興溢教授與密西根學院的鮑華教授緊密合作，開發了一種具有高導熱率的輻射制冷絕緣材料，該材料不僅具有高達98%的陽光反射率，可以實現全天輻射制冷效果，且該材料的高導熱特性使其可用于戶外設備的高效熱管理，有效降低器件、裝備的工作溫度。相關工作以“Thermo-Optically Designed Scalable Photonic Films with High Thermal Conductivity for Subambient and Above-Ambient Radiative Cooling”發表在《Advanced Functional Materials》。
通過對多種光散射體的理論計算以及實驗，該團隊發現h-BN滿足制備高導熱輻射制冷材料的三個重要特性：
1. 具有恰好高于陽光能量的帶隙，這使其在陽光波段沒有吸收；
2. 具有高折光率，這使其與聚合物基體形成較大的折光率差異，有利于提高對陽光的散射效率；
3.
展開 但在長期的經營過程中，電池在充放電過程中產生的熱量積累，必然會導致溫度升高、溫度均勻性惡化，從而產生爆炸等熱失控安全問題。因此，建立有效的熱管理以確保電池在最佳工作溫度下運行是非常有必要的。熱致柔性復合相變材料（CPCM）近年來在電池熱管理（BTM）領域得到廣泛應用，但其窄溫域和低電阻率不利于保障電池熱安全。
02
成果掠影
近期，河北工業大學孔祥飛教授團隊以石蠟（PA）作為相變材料，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）作為柔性支撐材料，氮化鋁（ALN）作為主要電絕緣材料，膨脹石墨（EG）作為主要導熱增強材料，成功制備出具有增強的電絕緣性能和寬溫域（25℃至60℃）的新型熱致柔性復合相變材料。ALN的添加不僅提高了CPCM的體積電阻率，還有助于材料的循環穩定性。實驗表明，最高溫度和最大溫差可分別控制在47℃和5℃以內，比自然冷卻電池低15.94℃和4.93℃。導熱系數和熱焓分別對保證溫度均勻性和最高溫度起決定性作用，這為CPCM的制備目標提供了指導。相關研究成果以“Wide-temperature flexible phase change materials with enhanced electrical insulation for battery thermal management”為題發表于《Journal of Energy Storage》。
03
圖文導讀
圖1 復合材料的制備工藝。
展開 高分子材料事實上已經成為現代生活每個方面中的必需品，其在生產及加工中取得的最新進展進一步拓寬了塑料的應用范圍，在某些應用中，高分子材料甚至取代了其他的材料，如玻璃，金屬，紙張及木材。
但高分子材料本身具有的結構特點和物理狀態及其在使用過程中受到的熱、光、熱氧、臭氧、水、酸、堿、菌和酶等外在因素使得其在應用過程中，會出現性能下降或損失，例如泛黃、相對分子質量下降、制品表面龜裂、光澤喪失，更為嚴重的是導致沖擊強度、拉伸強度和伸長率等力學性能大幅度下降，從而影響高分子材料的正常使用。
這種現象簡稱為老化，老化在高分子材料的合成、貯存及加工和最終應用的各個階段均可能發生，可導致材料使用壽命終結而大量廢棄，造成資源的極大浪費和嚴重的環境污染。高分子材料在使用過程中發生的老化更有可能造成巨大的災難和不可挽回的損失。
因此，高分子材料的防老化成為高分子行業不得不解決的問題。實際上，高分子材料的防老化是高分子化學中的一個重要課題。目前，改善和提高高分子材料防老化性能的主要方法有以下四種：
1、物理防護（如加厚、涂裝、外層復合等）
高分子材料的老化，特別是光氧老化，首先是從材料或制品的表面開始，表現為變色、粉化、龜裂、光澤度下降等，然后逐漸往內部深入。薄制品比厚制品更容易提早失效，因此通過加厚制品的方法可以延長制品的使用壽命。
對于易老化的制品，可以在其表面涂覆或涂布一層耐候性好的涂層，或在制品外層復合一層耐候性好的材料，從而使制品表面附上一層防護層，從而延緩老化進程。
2、改進加工工藝
很多材料在合成或制備過程中，也存在老化的問題。如，聚合過程中熱的影響、加工過程中的熱氧老化等等。
展開 絕緣材料是變壓器中最重要的材料之一，其性能及質量直接影響變壓器運行的可靠性和變壓器使用壽命。近年來，變壓器產品所采用的新絕緣材料層出不窮。隨著科學技術的迅速發展，電機、變壓器等電氣設備的應用日益廣泛。而變壓器運行的可靠性和使用壽命卻在很大程度上取決于其所使用的絕緣材料。絕緣材料越來越為從事變壓器設計和制造人員所重視。近二十年來，變壓器絕緣材料方面的新產品、新技術、新理論不斷地涌現和發展，從而使變壓器絕緣材料及其應用形成了一門很重要的學科。
絕緣材料又稱電介質，是電阻率高、導電能力低的物資。絕緣材料可用于隔離帶電或不同電位的導體，使電流按一定方向流通。在變壓器產品中，絕緣材料還起著散熱、冷卻、支撐、固定、滅弧、改善電位梯度、防潮、防霉和保護導體等作用。絕緣材料按電壓等級分類：一般分為：Y（90℃）、A（105）、E（120℃）、B（130℃）、F（155℃）、H（180℃）、C（大于180℃）。變壓器絕緣材料的耐熱等級是指絕緣材料在變壓器所允許承受的最高溫度。如果正確地使用絕緣材料，就能保證材料20年的使用壽命。否則就會依據8℃定律（A級絕緣溫度每升高8℃，使用壽命降低一半、B級絕緣是10℃，H級是12℃。這一規律被稱為熱老化的8℃規律）降低使用壽命。由高聚物組成的絕緣材料的耐熱性一半比無機電介質低。
絕緣材料性能與其分子組成和分子結構密切相關。
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塑料材料被廣泛的應用，各種合成或半合成的產品被轉化及成型為我們日常的一部份。這些產品含概了消費電子、家庭用品、玩具、各種外包裝、個人護理用具以及汽車零件等等。因為塑料低成本、易于生產且原物料充足等因素，其大部份的用途，用以替代各種傳統材料應用，包含金屬、玻璃、木材以及紙類材料。然而，隨著塑料的應用越來越多樣化，加工的復雜度及多樣性也持續上升，也因此供貨商必須持續優化其制程，以迎合市場所需的產品性能
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復合材料憑借輕質、高強度、優異的抗疲勞性能和復雜外形成型能力，在航空航天、汽車等工業領域應用廣泛。然而，其各向異性特性在高溫環境（如氣動加熱、發動機熱載荷、太空極端溫度循環）下帶來嚴峻挑戰：熱膨脹不協調、熱應力集中、層間失效風險陡增。
傳統分析方法難以精確模擬此類材料復雜的各向異性熱傳導和非線性熱力耦合行為，往往導致設計過度保守、試驗成本高昂且失效風險難以有效控制。因此
電力變壓器作為電力系統中傳輸電能的核心設備之一,其運行安全對保障電網整體的穩定性至關重要。電力變壓器中存在大量繞組，其發熱量非常可觀，通常使用變壓器油作為散熱和絕緣介質。如果變壓器繞組熱點溫升過高則可能發生局部過熱，影響變壓器的運行穩定性和服役壽命。絕緣紙作為油浸式電力變壓器的絕緣屏障，其老化產生的機械、絕緣等性能改變是一個不可逆過程，對其開展仿真研究對于變壓器運行維護具有重要的指導意義。
重慶大學的技術團隊經過多年積累
比熱的定義為將一單位質量的材料升高一度所需的熱量。若忽略材料升溫時可能伴隨著的化學或物理相變，材料的內能因為比熱的關系而與材料溫度有關。
常數模型
此模型將定壓下的比熱假定為一常數，通常是一個良好的近似。
Cp=Cp0
其中Cp代表比熱，而Cp0則代表其初始給定值。Moldex3D/Shell-RIM及Moldex3D/Solid-RIM主要采用此模型。
CAE
熱傳導系數在充填、保壓、冷卻周期時間的計算、塑件溫度分布等等之冷卻分析過程中扮演了一個非常重要的角色，然而，對熱塑性材料的熱傳導系數而言，它似乎和溫度沒有多大的關系，也與分子量無關；而且不同之熱塑性材料的熱傳導系數也變化不大。熱塑性材料的熱傳導系數跟模具金屬比起來是相對的低；因為低的熱傳導系數可以降低與周圍環境的熱交換，當我們面對高黏度熱塑性材料時，所面臨之的剪切的熱量，造成此種材料在厚度上的溫度分布是相當不平均的
塑料熔流的粘彈性質極其復雜，其對于許多現象的影響也可以非常顯著，諸如正向力、剪切力等影響。所以了解物質的黏彈效應對于在射出成型制程當中保有良好質量以至于產品也相當關鍵。目前存在了各種不同的數學模型來表達物質的黏彈性，以下概述Moldex3D支持的多個模型：
線性微分模型(Linear Differential Model)
?UCM模型 (上對流Maxwell模型)
此模型以線性或準線性的方式來描述塑料的黏彈性
熱固材料黏度模型(化學流變模型) (Viscosity Model for Thermosets - (Chemorheology Model))
以下數據僅可使用于Moldex3D-RIM。不使用此模塊的用戶可以跳過此部份。
當鏈結作用發生時，熱固性材料的分子量會越來越大。因此，黏度也會相對的增加。當我們加熱一個熱固性材料時可以觀察到一個典型的U型曲線。剛開始時會因為熱固性材料本身的熱膨脹而使黏度下降
本章主要是介紹Moldex3D 的基本理論，包含有：
•材料的模型
•基本理論及原理，包括充填、保壓、冷卻、翹曲、纖維、反應型材料及氣體輔助射出等各項模塊。
• 材料模型 (Material Models)
材料的模型是用來顯示高分子或塑料材料在許多不同的狀況下所顯示的特性，有了這些模型，Moldex3D便能夠依程序變化過程加以計算其動態變化情形
來源 | Journal of Energy Storage
原文 | https://doi.org/10.1016/j.est.2023.108566
01
背景介紹
為實現我國2030年二氧化碳排放達峰和2060年碳中和的目標，包括電動汽車和混合動力電動汽車在內的可再生能源汽車近年來得到快速發展
■型創科技 / 劉文斌 技術總監
技術簡介
熱機械分析 (Thermomechanical
