LIBS在硅橡胶绝缘子老化研究中的应用

1. 技术背景

硅橡胶绝缘子是一种由复合材料制成的电绝缘器件，通常用于高压输电线路。这类复合材料为有机高分子，具有良好的憎水性和防污闪性能。作为有机复合材料，在长期运行过程中,受到雨水、强光照、盐雾等环境因素以及高压电场的作用，硅橡胶会出现老化问题，主要包括有机硅橡胶主链断裂、交联度下降以及侧链甲基减少等，表现为粉化、纹裂等现象，使其防污闪效能下降。因此硅橡胶复合材料的老化评估方法和策略是迫切需要解决的问题。众所周知，材料的性能决定于材料的组成成分和结构，因此可以通过对绝缘子表面成分变化进行探测，来判断其是否已发生老化。

图1 硅橡胶绝缘子

目前，硅橡胶材料的成分分析方法主要包括傅里叶变换红外光谱（Fourier Translation Infrared Spectroscopy, FTIR）分析、热重(Thermo-gravimetric, TG)分析、气相色谱法以及拉曼光谱分析等。其中，FTIR、色谱可以用于材料特征官能团的分析；TG用于分析试样中有机物的含量。但是以上方法均需要对绝缘子破坏取样后，在实验室进行测试，而无法在运行现场直接测试，这势必降低了绝缘子老化现象发现的效率，从而造成使用中的安全隐患。因此迫切需要一款可以在线原位分析检测硅橡胶材料成分变化的设备。

近年来，激光诱导击穿光谱（Laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS）技术在材料分析领域得到了迅速地发展。该技术基于高能量脉冲激光烧蚀物体，使物体表面的组成元素发生等离子体化，并发射出具有这些元素特征的等离子体光谱，包括原子、离子、分子特征频谱线，并用于物体中元素组成的定性或定量分析。该技术无需取样和样品制备等前处理工作，且不会破坏样品的宏观形貌，可应用于气体、液体、固体各种类型的样品。将该技术用于硅橡胶绝缘子表面元素组成的探测，即可实现绝缘子老化现象的现场观测。

2. 产品介绍

海洋光学拥有一款便携式的多通道激光诱导测试系统MX2500+，该系统内集成了宽光谱高分辨力的微型光纤光谱仪和Nd:YAG激光器，其光谱180-1037nm范围内多达16384个像元，并且该系统具有高精度、GX率的外部同步时钟，wan美的协同了所有通道，实现了精确的延迟采集，高触发信号精度达到±10ns，保证了完整的原子谱线信号在原子激发辐射突出时被准确地采集。系统的操作软件中集成了原子光谱标准与技术数据库（NIST）发布的所有元素的特征原子光谱信息，便于使用者对测试结果进行实时、准确地分析。

图2 MX2500+ LIBS系统

3. 检测示例

以下我们将展示使用该系统对一组老化的硅橡胶绝缘子测量结果：

1.绝缘子样品的等离子体光谱

硅橡胶绝缘子样品来源于高压输电线路退役的伞塔，测量设置如下：

激光能量：200mJ；

光谱范围：198-976nm；

轰击次数：30次。

下图为第30次轰击得到的原子发射光谱：

图3 硅橡胶绝缘子的原子发射光谱谱图

通过与系统自带原子光谱数据库进行比较，确定了光谱中部分特征谱线所对应的元素种类。该绝缘子样品中含有C、Mg、Ca 、Si、Al、Fe和O等元素。

2.部分元素原子光谱强度随轰击次数的变化

分别选取C、Mg、Ca、Al和Fe的发射光谱中较强的特征谱线，绘制这些谱线的强度与轰击次数的关系，如下图4所示。

图4 部分特征谱线强度随轰击次数变化的情况

选取的C、Mg、Ca和Fe元素的特征谱线强度随着轰击次数的增加，表现为显著降低后趋于平稳；而Al元素的特征谱线的光谱强度则相对平稳。该测量结果可以反映出老化的绝缘子表面成分的变化，即C、Mg、Ca和Fe元素从表层到内部的含量的变化趋势为显著降低后趋于平稳，而Al元素的含量则变化不大。

从以上测量结果，我们看到MX2500+可以快捷地实现对硅橡胶绝缘子的元素组成的探测，该设备预计在绝缘子老化现象的观测中具有很好地应用前景。