CN111931370B - 一种基于comsol的陶瓷绝缘子闪烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明利用仿真软件COMSOL，以氧化铝为样品，建立了闪烧的模型，获得了样品表面的温度分布，分析了电场强度和电流密度对样品致密度和样品尺寸的影响。有利于加深对闪烧的了解，对生产高性能陶瓷材料和高性能陶瓷绝缘子，提高我国高压输电线路的安全性和稳定性有着重要意义。

Description

一种基于COMSOL的陶瓷绝缘子闪烧方法

技术领域

本发明涉及陶瓷绝缘子制备的技术领域，特别是涉及了利用COMSOL仿真软件对制备陶瓷绝缘子的闪烧工艺进行了研究。

背景技术

陶瓷绝缘子硬度高，熔点高，高温下具有良好的化学稳定性，良好的电气绝缘性和抗腐蚀性等，在电网中得到了广泛的应用。但是陶瓷绝缘子韧性差，脆性大，容易发生破碎，而且根据现场的运行来看，在运行过程中陶瓷绝缘子很容易发生沿面闪络。陶瓷绝缘子的性能和它的制造过程密切相关。传统的烧结工艺不仅需要很高的烧结温度和很长的烧结时间，消耗大量的能源，同时产生大量的温室气体，对环境十分不利。而且所制得样品的致密度不够高，会影响陶瓷材料的性能。为了解决上述问题，近些年来提出了许多新的技术。和其它新型技术相比，闪烧具有烧结温度低、速度快、保温时间短等特点，使得闪烧工艺得到了广泛的关注。

目前，国内外学者对于闪烧工艺参数和闪烧机理已有深刻研究，并且取得了大量阶段性成果。但是，学者们都是搭建闪烧的实验模型，去分析闪烧的过程。由于搭建的实验平台不同，所得的实验结果也没有达成一致。另外，由于闪烧过程的时间很短，不能准确地测量样品的一些参数，使得人们对闪烧机理的研究还存在争论。因此，通过建立闪烧的仿真模型，可以方便人们分析实验参数的影响，提高测量的准确性，希望可以推进闪烧机理的研究，对实际的实验情况先做出预测，减少实际实验花费的成本，有利于对实际实验结果进行判断，更快发现实际实验的误差或错误，还能避免一些危险的实际操作。

发明内容

本发明的目的即在于，在COMSOL中建立了以氧化铝为样品的闪烧模型，详细地介绍了建立仿真模型的步骤，获得了稳定阶段样品的表面温度，讨论了电场强度和电流密度对样品产生的影响。研究成果可用于闪烧机理的研究，分析闪烧实验中电场强度、电流密度等因素对闪烧样品的影响，为生产高性能陶瓷材料和高性能陶瓷绝缘子开辟了一条新的路径，对提高我国高压输电线路的安全性和稳定性有着重要意义。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种基于COMSOL的陶瓷绝缘子闪烧方法，具体步骤为：

1、物理场的选择

COMSOLMultiphysics是一款功能强大的多物理仿真软件，可以对多个领域的物理过程进行仿真。闪烧的过程涉及电学、热学等物理场，因此在COMSOL中选取了“焦耳热和热膨胀”物理场。“焦耳热和热膨胀”多物理接口包含了热、电和结构多物理效应的结合。其中，电介质中的电流分布、电场分布和电势分布可以在“电流”接口中进行计算。“固体力学”接口可以计算样品的应变、应力和位移。“固相传热”接口可以模拟模型中的传导传热、辐射传热和电流传热，接口中的温度作为“固体力学”界面的热载荷，会引起热膨胀。

2、几何模型的建立

闪烧样品是一个简单三维几何体，因此建立了一个长方体用来模拟样品，这有助于我们更好地理解闪烧的过程，如图1所示。其中，长方体的长、宽、高分别为2.5μm、2.5μm、1μm。将沿着X轴方向的两个平面固定不动，并将样品的材料设置成氧化铝，周围的环境设置成空气。

3、边界条件的施加

这一步是COMSOL软件中最关键的一步，边界条件设置的是否合理直接决定了仿真是否能够成功。闪烧实验过程中，外部施加的变量有直流电压源和高温炉两个变量，所以在仿真过程中也需要添加这两个条件。

实际过程中，氧化铝的电导率会随着温度的升高而升高，因此我们需要在“电流”接口下电流守恒的设置窗口中找到传导电流选项，将氧化铝电导率和温度的关系输入进去。这样在仿真过程中通过样品的电流会随着温度的升高而增大。将沿着X轴方向的两个平面，一个设置为电压的输入端，另外一个接地。在仿真过程中，可以改变电压值，也就相当于改变了电压强度，进而可以分析电压强度对样品的影响。将输入电压设置成0.0375V和0.075V，研究两种情况下的闪烧过程。

在模型开发器窗口的固体传热节点下，将样品的初始温度设置为800K。这样做的目的是提供闪烧的初始温度，使整个几何模型都保持在这个温度下。为了模拟闪烧实验中样品可以和对流空气进行冷却，设置了一个传热系数h＝5W/(m2·K)的热通量边界条件。

4、网格的划分

几何模型的网格直接决定了模型的求解方式，不同的网格划分方式会造成模型求解时间的不同、求解精度的不同和计算仿真模型所需内存量的不同。网格划分的越细，求解精度越高，所得的仿真结果也会更加接近实际值。因此，针对不同的几何模型和不同的问题，需要选择合适的网格划分方式。综合考虑仿真的精确度和仿真时间，选择了使用自有四面体网格进行划分，并在网格的大小设置栏中选择较细化。几何模型的网格划分图如图2所示。

本发明使用COMSOL对闪烧工艺制备陶瓷绝缘子进行了仿真，对保障输电线路的稳定性、可靠性具有重要意义，其具体的有益效果包括：

1、虽然闪烧已经被应用且生产了一系列陶瓷材料，但是温度测量的不确定性的原因限制了对闪烧机制的理解和研究，温度的急剧变化与难以测量极大地限制了闪烧机理的探索。仿真获得了稳定阶段闪烧样品的表面温度，有助于闪烧机理的探索，为学者提出的闪烧机理提供支撑。

2、利用搭建的陶瓷绝缘子的闪烧模型，分析了电压强度和电流密度对样品致密度和样品尺寸的影响，研究了电压强度和电流密度之间的关系，验证了闪烧确实可以提高样品的致密度，为闪烧实验中电压强度、电流密度和温度的选取具有指导意义。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为闪烧仿真的几何模型图；

图2为闪烧仿真的几何模型网格划分图；

图3为闪烧样品表面温度分布图；

图4为不同电场强度时电流密度随时间的变化图；

图5为不同电压强度下闪烧样品表面位移图；

图6为电流密度为1.74A/m2时闪烧样品表面位移图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

1、闪烧样品表面温度分析：

改变直流电压值，当电场强度为300V/cm时，稳定阶段闪烧样品的表面温度分布图如图3所示。可以发现，样品表面存在温度梯度，而且样品表面许多部位的温度均大于800K。正是因为样品表面温度的升高，达到内部空隙体积减少，颗粒间距缩短，样品密度增大，更加快速地形成稳定的晶体结构。这就能很好地解释了闪烧的时间很短且能快速致密化的原因。

样品表面温度的升高可以用焦耳热效应来解释。样品在电流的作用下会产生焦耳热，焦耳热产生大量的热量会使周围的温度升高。因为氧化铝的电导率和温度是正比例关系，所以温度的升高会使得样品的电导率增大。当电场强度不变时，根据，电导率增大也就是电阻变小，造成电能的热效应增大，温度的升高。这个过程是一个正反馈，会使得样品的温度不断地升高。如果不将电流密度进行限制，样品的温度将会无止境的增加下去。

2、电场强度的影响：

当施加的直流电压为0.075V即电场强度为300V/cm时，电流密度随时间的变化图如图4(a)所示。根据仿真2结果图，可以将闪烧分为三个阶段：0-0.25s、0.25-0.5s、0.5s以后。在第一阶段中，电场强度保持不变，电流密度和功率缓慢增加，这个阶段称为孕育阶段，是发生闪烧之前的一个阶段。在第二个阶段中由于焦耳热效应的作用，样品的温度不断升高，达到了闪烧的阈值，因此样品发生闪烧，样品快速收缩并伴随有电致发光现象。所以，第二个阶段叫做闪烧的发生阶段，这一阶段最明显的现象是电流密度快速地增加。当电流密度达到临界值时便保持不变，进入第三阶段。第三个阶段称为闪烧的保温阶段，电流密度不再发生变化，样品的电阻率也保持不变，直到冷却到室温。

当电场强度为150V/cm时，通过样品的电流密度随时间的变化图如图4(b)所示。通过对比图4(a)和图4(b)，我们可以发现电场强度会对孕育时间产生影响，电场强度越大，孕育时间越短。当改变输入的直流电压值时，我们发现样品表面的位移图都是一样的，如图5所示。根据这个结果，可以得出：电场强度不会对样品的致密度产生影响。

因此，电场强度不会影响样品致密度的变化，它只会造成闪烧孕育阶段的时间的变化。

3、电流密度的影响：

电流密度是一个很重要的因素，因为它直接和样品的温度相关联。电流密度越大，样品的温度越高。将电流密度设置为1.74A/m²时，样品表面的位移如图6所示。通过图5和图6的对比，我们得到电流密度的不同会导致样品表面位移的不同。换句话说电流密度越大，会使样品的致密度得到增加，但是不可避免的也会造成样品尺寸的增大。

当组成陶瓷绝缘子的化学成分相同时，陶瓷的微观结构是影响陶瓷性能的主要因素。为了提高陶瓷绝缘子的绝缘性能，通过闪烧工艺制备绝缘子可以很好地提升绝缘子的性能。闪烧过程中，我们可以通过控制电压强度调整孕育时间，通过控制电流密度调整样品的致密度和样品的尺寸。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于COMSOL的陶瓷绝缘子闪烧方法，其特征在于，具体步骤为：

1)物理场的选择

COMSOLMultiphysics是一款功能强大的多物理仿真软件，可以对多个领域的物理过程进行仿真；闪烧的过程涉及电学、热学等物理场，因此在COMSOL中选取了“焦耳热和热膨胀”物理场；“焦耳热和热膨胀”多物理接口包含了热、电和结构多物理效应的结合；其中，电介质中的电流分布、电场分布和电势分布可以在“电流”接口中进行计算；“固体力学”接口可以计算样品的应变、应力和位移；“固相传热”接口可以模拟模型中的传导传热、辐射传热和电流传热，接口中的温度作为“固体力学”界面的热载荷，会引起热膨胀；

2)几何模型的建立

闪烧样品是一个简单三维几何体，因此建立了一个长方体用来模拟样品，这有助于我们更好地理解闪烧的过程；其中，长方体的长、宽、高分别为2.5μm、2.5μm、1μm；将沿着X轴方向的两个平面固定不动，并将样品的材料设置成氧化铝，周围的环境设置成空气；

3)边界条件的施加

这一步是COMSOL软件中最关键的一步，边界条件设置的是否合理直接决定了仿真是否能够成功；闪烧实验过程中，外部施加的变量有直流电压源和高温炉两个变量，所以在仿真过程中也需要添加这两个条件；实际过程中，氧化铝的电导率会随着温度的升高而升高，因此我们需要在“电流”接口下电流守恒的设置窗口中找到传导电流选项，将氧化铝电导率和温度的关系输入进去；这样在仿真过程中通过样品的电流会随着温度的升高而增大；将沿着X轴方向的两个平面，一个设置为电压的输入端，另外一个接地；在仿真过程中，可以改变电压值，也就相当于改变了电压强度，进而可以分析电压强度对样品的影响；将输入电压设置成0.0375V和0.075V，研究两种情况下的闪烧过程；在模型开发器窗口的固体传热节点下，将样品的初始温度设置为800K；这样做的目的是提供闪烧的初始温度，使整个几何模型都保持在这个温度下；为了模拟闪烧实验中样品可以和对流空气进行冷却，设置了一个传热系数h＝5W/(m2·K)的热通量边界条件；

4)网格的划分

几何模型的网格直接决定了模型的求解方式，不同的网格划分方式会造成模型求解时间的不同、求解精度的不同和计算仿真模型所需内存量的不同；网格划分的越细，求解精度越高，所得的仿真结果也会更加接近实际值；因此，针对不同的几何模型和不同的问题，需要选择合适的网格划分方式；综合考虑仿真的精确度和仿真时间，选择了使用自有四面体网格进行划分，并在网格的大小设置栏中选择较细化。

2.根据权利要求1所述的一种基于COMSOL的陶瓷绝缘子闪烧方法，其特征在于：

1)改变直流电压值，可以获得稳定阶段闪烧样品的表面温度分布图；可以发现，样品表面存在温度梯度，而且样品表面许多部位的温度均大于800K；

2)电场强度不会影响样品致密度的变化，它只会造成闪烧孕育阶段的时间的变化；

3)电流密度越大，会使样品的致密度得到增加，但是不可避免的也会造成样品尺寸的增大。

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