1. 研究背景

電樹生長是導(dǎo)致絕緣材料介電失效的主要原因之一。為揭示電樹生長機(jī)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(jī)特征物理意義不明確，模型參數(shù)難以試驗(yàn)確定等缺點(diǎn)，使得這些模型難以采用試驗(yàn)驗(yàn)證。基于此，新加坡南洋理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)提出了一種用于電樹模擬的新型相場(chǎng)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(xué)電氣學(xué)院博士后研究員王琦為論文第一作者，南洋理工大學(xué)材料學(xué)院陳忠教授為論文通訊作者，合作者包括南洋理工大學(xué)博士生鄧雨蘅，天津大學(xué)李進(jìn)副教授等。

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

通過與介電擊穿試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了相場(chǎng)模型的準(zhǔn)確性。并通過參數(shù)敏感性分析驗(yàn)證模型具有良好的網(wǎng)格無關(guān)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(shè)計(jì)提供有效的數(shù)值工具。

圖3. 電樹及電場(chǎng)演化過程

圖4. 模型仿真（a）及試驗(yàn)觀測(cè)（b）得到的電樹結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)比，結(jié)果表明EP/ SiO₂/G復(fù)合材料耐擊穿時(shí)間最長

論文鏈接：

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