1. 研究背景

電樹生長是導致絕緣材料介電失效的主要原因之一。為揭示電樹生長機理，科研人員開展了大量研究模擬電樹生長過程。然而，現(xiàn)有模型有著引入隨機特征物理意義不明確，模型參數(shù)難以試驗確定等缺點，使得這些模型難以采用試驗驗證。基于此，新加坡南洋理工大學科研團隊提出了一種用于電樹模擬的新型相場方法，研究成果近日以“Electrical tree modelling in dielectric polymers using a phase-field regularized cohesive zone model”為題發(fā)表在《Materials & Design》。南洋理工大學電氣學院博士后研究員王琦為論文第一作者，南洋理工大學材料學院陳忠教授為論文通訊作者，合作者包括南洋理工大學博士生鄧雨蘅，天津大學李進副教授等。

材料介電擊穿的隨機性通過對模型每個單元賦予隨機的介電擊穿強度實現(xiàn)，通過足夠細密的網(wǎng)格劃分，模擬材料強度在微觀上分布的不均勻性。通過介電擊穿試驗，獲得材料宏觀介電擊穿強度的韋布爾分布，并在該韋布爾分布中進行隨機抽樣，以確定單元的微觀介電擊穿強度。最終實現(xiàn)電樹分形和擊穿隨機特征的合理引入。

通過與介電擊穿試驗結果對比，驗證了相場模型的準確性。并通過參數(shù)敏感性分析驗證模型具有良好的網(wǎng)格無關性和長度尺寸參數(shù)不敏感性。表明該模型能夠定量分析不同介電材料的擊穿特性，并為新型介電材料設計提供有效的數(shù)值工具。

圖3. 電樹及電場演化過程

圖4. 模型仿真（a）及試驗觀測（b）得到的電樹結構對比，通過圖像處理分析得到（a）和（b）的分形維度非常接近

圖5. 四種材料的擊穿過程對比，結果表明EP/ SiO₂/G復合材料耐擊穿時間最長

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112409