研究珍珠岩基新型复合保温材料是开拓矿物材料应用领域的新课题。本工作研究了2种不同尺寸珍珠岩以及气相二氧化硅作为复合填料, 分别以捏合工艺和直接混合工艺填充于乙烯基硅油或室温硫化硅橡胶, 制备珍珠岩填充的复合硅橡胶保温板, 通过检测不同产物的导热系数以及保温效果来评价其性能。结果表明: 以捏合工艺制备的产品会降低珍珠岩的保温效果, 主要原因是中空颗粒被捏合过程破碎; 而以气相二氧化硅为主要填料制备的保温板不易成型, 可成型产品最低导热系数为0.172 8 W·m-1·K-1; 当以珍珠岩+气硅粉在硅橡胶中的质量比为37.5%时, 产品导热系数为0.034 9 W·m-1·K-1, 产物厚度为2.5 cm、250 ℃单侧加热4 min后, 背面温度为67 ℃, 基本满足在新型烟具等特种保温隔热应用要求。

本文设计了一种由硅橡胶包覆层包裹4个钨振子的新型声子晶体结构，通过有限元法计算该结构的色散曲线、振动模态和传输损失谱。结果表明，该结构的带隙范围为18.85~225.28 Hz，与传输损失谱频率衰减范围相吻合，能够有效抑制20~200 Hz的弹性波在声子晶体中传播。通过分析色散曲线上点的振动模态，说明带隙产生的原因。本文讨论了声子晶体板的缺口角度和振子之间的纵向和横向间距对带隙的影响，结果表明：当缺口角度减小时，带隙下边界几乎保持不变，带隙上边界升高从而增加了带隙的宽度；振子之间横向或纵向间距增大时，带隙下边界和上边界均上升，带隙变宽，进而优化了声子晶体模型的带隙。同时声子晶体板的缺口设计能够节省材料，从而减轻结构的质量。

由于长期暴露在阳光、雨水、高低温等自然环境下，硅橡胶复合绝缘子的使用性能和工作寿命会下降，严重威胁了输电线路的安全稳定运行。因此，提高硅橡胶的耐老化性对于加强户外硅橡胶复合绝缘子的可靠性和延长使用寿命具有重要意义。飞秒脉冲激光能够在硅橡胶表面制备出稳定的超疏水状态，为了进一步研究该表面的耐老化性能，使用氙灯老化试验箱对样品进行700 h的加速老化实验。结果表明，超疏水表面的接触角从163°下降到150°左右，表明超疏水硅橡胶具有优异的耐老化性能。检测结果表明硅橡胶表面在老化过程中所产生的亲水性羟基是导致其表面疏水性下降的主要原因。进一步采用一种简单有效的热处理方法使其疏水性快速得到恢复。在200 ℃的加热环境中可以使老化后的样品表面接触角从150°恢复到163°左右，同时表面滚动角恢复到3°左右。该研究结果为增强硅橡胶在工作环境中的使用性能提供了理论指导，并在延长硅橡胶的使用寿命方面提供了一种新的手段。

硅橡胶因其良好的机械性能和电气绝缘性能而被各行各业广泛应用，但低温环境下的表面覆冰会严重影响其应用。通过激光雕刻机在复合绝缘子伞裙试样表面加工了一系列微米级尺寸的圆柱形织构，未经任何化学试剂修饰，得到了超疏水表面。采用三维形貌仪和扫描电子显微镜观察了试样表面形貌特征，采用粘附力测量装置测试了不同工况下织构化硅橡胶表面的覆冰粘附力，采用高速相机记录了液滴在不同织构化硅橡胶表面凝结-融化过程。研究结果表明：一定工况下，加工功率为35 W、织构直径和间距都为350 μm的圆柱形织构试样表面疏水性最好且覆冰粘附力较低，防冰疏冰性能最佳。通过摩擦试验，验证了制备的织构化硅橡胶表面具有一定的疏冰耐久稳定性。

硅橡胶粘接剂具有良好的耐低温性能, 因此常被用于制冷型红外探测器复合基板的粘接工艺。研究了底涂剂对硅橡胶粘接强度的影响。拉伸试验结果表明, 直接粘接的试样在液氮温度下的平均粘接强度为4.07 MPa, 而使用底涂剂预处理的试样的平均粘接强度则达到6.34 MPa。另外, 通过观察拉伸试样断口, 发现使用底涂剂预处理的试样的断口表面有更多的硅橡胶残留。因此, 使用底涂剂预处理可以有效地增加硅橡胶的粘接强度, 有助于提高红外探测器的可靠性。

高温硫化硅橡胶具有优良的电气性能、 机械性能、 憎水性而广泛应用于特高压输电线路, 但亦会受外界环境的影响而老化, 其抗紫外老化性能受到关注。 课题组模拟户外紫外辐射环境, 设计搭建了可调式紫外辐射加速老化试验箱, 对A、 B两个厂家的高温硫化硅橡胶样品进行了紫外辐射(0, 500和1 000 h)加速老化实验, 重点对辐射前后的试样进行X射线光电子能谱全谱扫描和窄区谱分析、 确定元素化学位移及相对含量, 分析紫外辐射对高温硫化硅橡胶表面化学态的影响, 进而判断紫外辐射加速高温硫化硅橡胶老化机制。 结果表明: 高温硫化硅橡胶主要元素为O1S, C1S, Si2p, 其中O1S主要以O—Si—O(532.4 eV)的形式存在, 紫外辐射后, 拟合分峰观察到534 eV的—OH的小峰, 积分面积随辐照时间延长而增加; C1S为C—H, C—C(284.8 eV)或C—O(286.3 eV), 随着辐射时间的延长, C—H和C—C结合能峰积分面积减小, C—O结合能峰的积分面积略微增加; Si2p为Si—C(102.39 eV), 紫外辐射后新增SiOx(x=3～4)结合能峰(103.6 eV)且积分面积随辐射时间延长而增加。 分析认为紫外辐射加速老化的机理是紫外线切断硅橡胶中键能较低的部分Si—C, C—C和C—H键, 裂解后的自由基可相互结合发生交联反应形成SiOx(x=3～4); 辐射产生高活性的臭氧氧化自由基生成—COOH。 XPS技术能够探究高温硫化硅橡胶的表面化学态从而促进其老化机理的研究。

高温硫化(HTV)硅橡胶复合绝缘子广泛应用于特高压输电线路, 其抗紫外老化性能越来越受到人们的关注。 采用自行设计的可调式紫外老化试验箱对两个厂家的高温硫化硅橡胶样品进行了紫外辐照(0, 500和1 000 h)加速老化实验, 辐照光波长范围为320～750 nm。 对辐照前后试样进行傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)测试, 分析谱峰的变化与试样(表面)官能团的关系, 辅以扫描电子显微镜(SEM)和憎水性、 体积电阻率的测试来研究HTV硅橡胶的老化机理。 结果表明: 高温硫化硅橡胶FTIR全谱图中1 260 cm-1处Si—CH3反射峰和800 cm-1附近Si—(CH3)2反射峰强度随辐照时间的增加而逐渐减弱, 1 000～1 100 cm-1处的Si—O—Si反射峰强度随辐照时间的增加先减弱后增强; 扫描电镜观察到辐照后的样品表面出现大颗粒和坑洞、 粗糙度变大, 其主要元素O, Si和Al重量百分比略增加; 喷水分级法在表面形成的水珠随着样品辐照时间的延长由均匀分布变得不均匀且出现合并, 憎水性有明确下降; 体积电阻率略微降低。 分析认为: 辐照后紫外线切断了HTV硅橡胶部分Si—C, C—C和C—H键, 对称排列的非极性甲基基团—CH3从硅氧主链上脱落, 减弱了对主链强极性的屏蔽作用, 使Si—O—Si峰强度减弱, 且少量侧链被氧化, 形成C—O和—OH(COOH); 而主链之间因裸露出来的自由基—Si·发生进一步的交联反应, 使得Si—O键相对含量增加, 使Si—O—Si峰强度再增强。 二方面结果均导致高温硫化硅橡胶表面极性增强, 憎水性下降。 水本身具有微弱的电离, 憎水性下降的高温硫化硅橡胶易吸收空气中的水使其表面载流子浓度增加体积电阻率略有下降。 通过红外光谱分析, 紫外线是通过切断高温硫化硅橡胶表面的部分Si—C, C—C, C—H键, 使其生成新的自由基并发生交联和氧化而使其老化的。 红外光谱的应用对于高温硫化硅橡胶复合绝缘子老化研究及其在特高压输电线路上的挂网应用均具有重要意义。

硅橡胶复合绝缘子是高压输电线路的关键设备, 长期在复杂外界环境条件下带电运行后会发生表面老化, 表现为粉化、 褪色、 粗糙度和硬度上升等现象。 粗糙度作为复合绝缘子的老化特征量之一, 其测量是复合绝缘子在线带电检测的难题。 激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)适用于开展输电线路复合材料的远程在线检测, 但粗糙度对LIBS信号的影响还没有得到系统的研究, 利用这种基体效应进行绝缘子表面粗糙度的测量尚无报道。 制备了不同粗糙度的硅橡胶新样品, 与500 kV线路退运的复合绝缘子样品进行对比分析, 研究了硅橡胶材料的粗糙度对LIBS信号的影响, 结果表明, 对于新制备硅橡胶材料随着粗糙度的增加, 各主体元素特征谱线强度会随之增强, 不同主体元素之间的原子谱线强度比（Si 288.2 nm/C 247.9 nm和Al 394.4 nm/Si 288.2 nm）随之下降, 说明样品粗糙度对LIBS测量结果影响显著。 但特征谱线强度及不同主体元素原子谱线强度比与粗糙度之间的函数关系不明显, 难以用于粗糙度测量。 硅橡胶的主体元素为Si, Al, C和O等, 考虑元素含量及特征谱线的选取方便选择Si为主要分析元素。 对于Si原子谱线强度比, 选取了两条上能级相近（Eki＝40 991.88, 39 955.05 cm-1）的原子谱线（SiⅠ288.2 nm, SiⅠ250.7 nm）作为分析线, 在满足局部热力学平衡与光学薄的条件下两条谱线的强度比应为定值, 但样品粗糙度的改变会影响脉冲激光烧蚀材料表面的过程, 从而改变等离子体的状态, 使得谱线强度比值也随之变化。 上述两条硅原子谱线强度比和粗糙度建立的定标关系, 线性相关系数为0.88。 对于500 kV输电线路退运的老化硅橡胶材料, 其表面由于老化有部分氢氧化铝填料析出, 使得基体成分不均匀性更为显著, 其表面也变得更为粗糙, 这导致一对谱线强度比值作为定标函数, 实用性降低。 因此针对老化硅橡胶材料, 除了选择Si元素谱线(SiⅠ250.7 nm, SiⅠ251.4 nm, SiⅠ251.9 nm)以外, 还引入了Al元素谱线(AlⅠ305.7 nm, AlⅠ305.9 nm), 利用三组谱线强度比进行多元回归分析, 对于两个实测粗糙度为2.659和2.523 μm老化硅橡胶样品, LIBS测量的相对误差分别为0.218和0.189。 结果表明对同样成分的复合材料, 表面粗糙度对LIBS信号的影响是必须考虑的, 而利用这种基体效应, 开展远程在线测试复合绝缘子表面粗糙度, 对于高压输电线路检测运维具有重要的应用价值。