11月7日，在由常州同泰高导新材料有限公司，上海有色网信息科技股份有限公司（SMM）、山东爱思信息科技有限公司主办的2025SMM(第十届) 导体线缆工业展览会暨电工材料产业年会——电线电缆高分子材料创新论坛上，西安交通大学电气工程学院教授王诗航对“高压电缆交联聚乙烯绝缘料的交联调控与性能强化”的技术进行了分享。
研究背景
•高压交流电缆是城市内部电力输送的关键装备，是城市输电网的大动脉，发展至500kV。
•高压直流电缆是海上风电并网的关键装备，是大规模海上风电利用的大动脉，发展至+500kV。
•特殊输电工况下将需要更高的电压等级，例如750kV和+800kV。
•交联聚乙烯(XLPE)绝缘由低密度聚乙烯(LDPE)基料经过氧化物交联反应制成。
•随着电缆输电电压等级的提升，对XLPE绝缘层性能也提出了更高要求。
•交联后XLPE高温力学性能显著提升，却生成了交联副产物，降低电气绝缘性能。
•如何降低交联剂含量，同时维持高温力学性能？XLPE高温力学性能、电气绝缘性能兼顾难。
•XLPE的交联过程和交联结构受多个因素的影响： 交联剂、交联工艺条件；② LDPE基料分子链结构、支化特征；③ LDPE基料不饱和度；④ 添加剂； ⑤其它。
•性能提升的材料路径，依赖于优质LDPE基料和高效添加剂。而不改变材料的基础上，提出可以探索加工工艺对XLPE性能优化的空间。
基于性能空间分布的电缆绝缘交联调控
•研究出发点：绝缘层厚度增加，散热慢，潜在缺陷风险增大，而且聚集态结构分布不均。已有研究集中于热历史的影响，而挤出工艺影响下的分子链线团取向行为同样值得关注。
•选用高压交联聚乙烯绝缘电缆样段开展研究，其绝缘层厚度为30mm。采用圆周方向环切制备样品，从内层到外层分别命名为S1、S2、S3、S4、S5、S6。
•交联程度分布：凝胶含量范围82~87.5%，由内向外凝胶含量逐渐降低，与热历史相关内层散热慢，有利于交联反应完全进行。
•结晶结构分布：从内层到外层，XLPE样品的熔融峰温度、片晶厚度、结晶度都呈现先增大后减少的规律。提出结晶特征在半径方向上的分布受控于热历史和取向效应的共同作用。
•交联密度分布：采用热延伸特性分析XLPE的交联特征；轴向方向S/样品负荷伸长率小永久伸长率为负值；垂直于轴向S上样品负荷伸长率大，永久伸长率为正；呈现交联特征的各向异性，证明了沿着轴向存在分子链取向现象。
•提出由分子链线团取向造成微观结构不均匀分布特征;在轴向方向，分子链线团取向后交联密度增大。
其还对力学性能分布、副产物空间分布、击穿特性空间分布、介电特性分布等进行了阐述。
•交、直流电场分布：交流电压下电场分布依赖介电常数，直流电压下电场分布依赖电导率，绝缘层聚集态结构分布对直流电导率影响大，因此对电场分布影响大。
•分层考虑电气性能参数，将有利于电缆绝缘精准设计与可靠性评估。
•调控生产线速度重塑XLPE性能：将35kV电力电缆的挤出加工速度由2m/min提升至3m/min。试验验证取向效果更为显著，多项性能获得提升。
•交联程度增加，结晶结构改变：凝胶含量由75.0%增加至81.7%，负荷伸长率由64.2%降低至54.6%；结晶度略微提升。
•电气性能提升：XLPE取向效果增强后，径向电气性能(电导率、击穿场强等)改变，尤其以高温、高场下的性能变化更为明显。
基于缠结效应的交联聚烯烃材料设计
•交联聚烯烃材料(XLPO)设计：提出以线性聚乙烯强化XLPE物理交联，以提升交联程度。
•XLPO以“LDPE+LLDPE/HDPE”为基料，再经过过氧化物交联。目标是，加强分子链缠结，实现交联剂用量降低与纯净度提升，意味着协同优化电气绝缘性能和高温力学性能。
•交联聚烯烃材料的力学性能：相同分子量时，线性聚乙相较于支化聚乙，具有更大的线团体积，其缠结效应影响范围更广。引入低含量LLDPE或HDPE可以抑制XLPO高温变形，显著提升高温力学性能，并轻微改善其常温力学性能。
•交联聚烯烃材料的微观结构：表征了不同配方下XLPO的结晶结构，发现低含量LLDPE或HDPE可与LDPE共晶从而增大片晶厚度，对整体结晶度影响较小。
•LDPE基料与LLDPE之间具有更优的热力学相容性，其可容许添加含量范围更大。
•交联聚烯烃材料的电气性能：通过共混基料配方的选型，能够同时降低电导温度依赖性调控电导场强依赖性，这将抑制直流电缆在温度梯度下的电场翻转程度。
•少量聚烯烃的引入对介电常数的影响较小，基本不改变交流电缆的电场分布。
交联聚烯烃材料的性能提升机理：其它类型聚乙烯的引入，一方面增强了分子链物理缠结，从而提升了材料的交联密度、拉伸性能、热延伸性能；另一方面局部位置的共晶结构与物理缠结调控了电荷输运特性。
总结
XLPE绝缘的聚集态结构具有明显的不均匀分布特征，造成宏观性能的不均匀分布，分子链取向是重要因素。取向造成交联网络方向性，影响了结晶结构。
考虑XLPE聚集态结构空间分布，利于精确分析电场分布，而调控电缆绝缘生产制造工艺，则能够实现不改变原材料的基础上强化XLPE性能。
XLPO通过改变基料组成，以互穿网络强化了物理交联，提高整体交联密度，可以降低交联剂用量，提升纯净度，能够实现高温力学性能与电气绝缘性能的协同提升。
