新加坡南洋理工大学科研团队：一种用于电树模拟的新型相场方法

1. 研究背景

电树生长是导致绝缘材料介电失效的主要原因之一。为揭示电树生长机理，科研人员开展了大量研究模拟电树生长过程。然而，现有模型有着引入随机特征物理意义不明确，模型参数难以试验确定等缺点，使得这些模型难以采用试验验证。基于此，新加坡南洋理工大学科研团队提出了一种用于电树模拟的新型相场方法，研究成果近日以“Electrical tree modelling in dielectric polymers using a phase-field regularized cohesive zone model”为题发表在《Materials & Design》。南洋理工大学电气学院博士后研究员王琦为论文第一作者，南洋理工大学材料学院陈忠教授为论文通讯作者，合作者包括南洋理工大学博士生邓雨蘅，天津大学李进副教授等。

材料介电击穿的随机性通过对模型每个单元赋予随机的介电击穿强度实现，通过足够细密的网格划分，模拟材料强度在微观上分布的不均匀性。通过介电击穿试验，获得材料宏观介电击穿强度的韦布尔分布，并在该韦布尔分布中进行随机抽样，以确定单元的微观介电击穿强度。最终实现电树分形和击穿随机特征的合理引入。

通过与介电击穿试验结果对比，验证了相场模型的准确性。并通过参数敏感性分析验证模型具有良好的网格无关性和长度尺寸参数不敏感性。表明该模型能够定量分析不同介电材料的击穿特性，并为新型介电材料设计提供有效的数值工具。

图3. 电树及电场演化过程

图4. 模型仿真（a）及试验观测（b）得到的电树结构对比，通过图像处理分析得到（a）和（b）的分形维度非常接近

图5. 四种材料的击穿过程对比，结果表明EP/ SiO₂/G复合材料耐击穿时间最长

论文链接：

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