交联聚乙烯最早是由Charlesby在核反应堆实验中发现的物质[1]，目前，已经在电力电缆、供电通信、绿色管材等领域具有较为成熟的运用，是目前电力领域运用较为广泛的材料[2-5]。交联聚乙烯是由聚乙烯经过交联改性制成，改性后能极大地提升聚乙烯的性能，特别是电绝缘性、力学性能、耐磨性和耐温性能[6-7]。目前，国内外开展了大量关于交联聚乙烯应用的研究，主要集中于交联聚乙烯的生产加工工艺、交联聚乙烯性能测试和电荷性能特点、交联聚乙烯特性影响因素研究、交联聚乙烯的应用等方面。但目前关于交联聚乙烯在供电通信应用的研究相对较少，本研究以交联聚乙烯的基本结构特点和性能特点为切入点，分析交联聚乙烯的优势所在，并对其在供电通信电缆中的国内外研究现状进行综述，对未来研究方向进行展望。1交联聚乙烯概述1.1交联聚乙烯特点交联聚乙烯是一种半结晶聚合物，因此结构特性展现为既具有结晶区又具有无定形区[8]，结晶区微观形态为尺寸为10 µm的球晶，球晶外围呈现出放射状且排练整齐的片晶，片晶的宽度为100 nm[9]，在片晶之间为无定形区，无定形区约占65%的空间。片晶是由相互折叠的C—H分子链规律排列构成，而不定性区则是由不规则的水分子、气体分子、交联剂和分子链杂乱排布，排布的方式除了折叠外，还有环路、交织、缠绕等[10]。结晶区和无定形区特性能决定电荷特性和宏观特性，表1为交联聚乙烯的基本特性[11]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.027.T001表1交联聚乙烯基本特性Tab.1Basic properties of crosslinked polyethylene特性描述原理耐热性能300 ℃以下不易分解，长期温度可以达90 ℃交联聚乙烯具有网状立体结构绝缘性能绝缘电阻大，绝缘性受温度影响小保留了聚乙烯的绝缘性能力学性能硬度、刚度、耐磨性能好大分子间含有化学键耐化学性耐酸碱、耐油保留了聚乙烯的耐化学性1.2交联聚乙烯生产技术交联聚乙烯是由聚乙烯经过辐照交联反应或者化学交联反应得到，常见的辐照交联反应包括紫外光辐照、高能辐照等。化学交联反应包括过氧化物、硅烷交联法等[12]。为促进交联效果，常加入敏化剂、增感剂、抗老化剂等[13]。高能辐照交联法优势在于产品质量易控制，生产效率高，但受辐射源的影响，仅适用于绝缘层较薄的聚乙烯材料。紫外光辐照交联技术反应过程生产速度快，材料成本低，且不易产生绝缘缺陷[14]。化学交联原理为过氧化物在高温条件下分解形成自由基反应，这些自由基与聚乙烯交联得到交联聚乙烯，这种方法能耗相对较大、生产效率低[15]。硅烷交联法又可以按照生产流程分为一步法、两步法和共聚法，主要原理是乙烯基硅烷与熔融状态的聚乙烯在引发剂作用下生成硅烷接枝聚合物。目前国内外关于硅烷交联法的研究颇多，在工艺改进和效果改进上积累了较多的研究成果[16]。2交联聚乙烯在供电通信电缆中的应用2.1交联聚乙烯在通信电缆的应用交联聚乙烯通信电缆是一种新型的通信技术模式，能传输大量的信息且传输稳定，干扰因素少[17]。李森林[18]基于交联聚乙烯在通信电缆的应用现状，进一步研究交联聚乙烯的耐湿热性能，将硅烷和聚乙烯在反应皿进行接枝反应，生成接枝共聚类聚乙烯硅烷接枝共聚物，加入催化母料后生成通信电缆交联聚乙烯材料，该材料具有最佳的耐湿热性能。张胜明[19]对长途光缆通信电路的性能和材料进行研究，认为光缆通信电缆不具有导电性，但由于其附属元件、外部环境导致光缆损坏可能会对电缆性能产生影响，由于交联聚乙烯具有较好的绝缘性能和防腐蚀优势，因此，为提升防雷防电性能，可以对光缆通信电缆增加交联聚乙烯的防护层，以此减小电缆漏电的可能。刘新民[8]认为交联聚乙烯具有良好的耐热性和电绝缘性，将传统通信电缆的耐热温度由65~75 ℃提升至90~120 ℃，使得通信电缆的载流量进一步提升，相同条件下提升载流量约30%以上，进而节约了信息传输的电力成本，提升了经济效益。此外，交联聚乙烯的成本低廉、密度小，也能够提升通信电缆的安全性。为延长交联聚乙烯在通信电缆的使用寿命，做到对通信电缆的维护和监管，袁欣雨等[20]设计了一款可以在线监测交联聚乙烯通信电缆故障的监测系统。交联聚乙烯电缆在使用过程中会出现老化、破损，会带来供电的安全隐患，利用在线监测系统对交联聚乙烯电缆的局部放电特征进行监测能及时发现异常，能为延长交联聚乙烯通信电缆使用寿命提供参考。苏家凯[21]对交联聚乙烯通信电缆的工艺进行研究，采用聚乙烯、交联剂、炭黑等为原材料，通过熔融共混研制出耐老化性能、力学性能超过行业标准的通信电缆材料，并测定了材料的拉伸强度、低温弯曲性能，结果均优于某一品牌的交联聚乙烯通信电缆，拉伸强度比进口材料高5%~8%左右，特别是在耐老化性能方面表现出色。肖世杰等[22]对交联聚乙烯绝缘通信电缆应用情况及试验监测技术进行了研究，交联聚乙烯通信电缆能够实现15~20 Hz不同频率的电缆非同步联网，且载流更大，能减少线路电容问题，因此，交联聚乙烯绝缘通信电缆具有良好的前景。但研究表明，目前交联聚乙烯绝缘通信电缆在多场耦合作用下结构设计、电缆关键技术、在线监测技术、电缆评价方面的研究还有待进一步开展。2.2交联聚乙烯在供电电缆的应用2.2.1交联聚乙烯在绝缘电缆的应用交联聚乙烯绝缘电缆的绝缘性能、老化特性、空间电荷等方面是当前研究的重点。张庆等[23]对10 kV交联聚乙烯电缆的热缩性能进行研究，并概述了电缆热缩附件的组成。作者认为交联聚乙烯的电缆的绝缘性能优异，绝缘电阻大、介电损耗正切值低，但内部容易积累空间电荷导致绝缘击穿，且透水性较强，会产生游离高电场，这些游离电场会变成电树枝增加击穿的概率。电缆热缩管是由交联聚乙烯、电应力控制材料、桂脂膏、填充胶等组成。作者论述了交联聚乙烯绝缘电缆的敷设方式，一般包括直埋、排管、电缆沟敷设等。詹威鹏等[24]基于交联聚乙烯绝缘电缆的应用现状，对交联聚乙烯电缆材料的聚集态结构与介电性能相关性进行实验研究。通过测定热老化下交联聚乙烯电缆的击穿电荷、氧化诱导期测定、X射线衍射等指标，结果发现，氧化诱导能加速交联聚乙烯电缆的老化过程，且这种老化发生在重结晶期(老化时间在96 h以下)和热氧老化期(老化时间在96 h以上)，抗氧化剂含量为0，该试验为交联聚乙烯电缆建立了氧化反应和热膨胀力分析模型，为工程应用提供参考。多项研究表明热老化下电缆的力学性能、绝缘性能会下降。Shimada A等[25]对交联聚乙烯绝缘电缆的微观结构差异和交联工艺之间的关系进行研究，以悬链工艺和立塔工艺生产下的交联聚乙烯绝缘电缆为例，结果发现，采用悬链工艺生产的交联聚乙烯比立塔工艺材料交联度更高、结晶度更低。刘继柱等[26]以交联聚乙烯架空绝缘电缆为研究对象，设计了一套检测交联聚乙烯结构尺寸、电气性能和热延伸性能的检测标准和检测方法，检测温度为5~35 ℃，误差在±2%，该方法对导体的结构尺寸、绝缘厚度、电缆外径指标进行测定，电气性能为导电电阻、电压、绝缘电阻，在检测标准设定为一旦导电电阻和电气测试不合格，则不符合标准，其他性能不合格则可以再测定一次，该方法能为交联聚乙烯电缆的应用提供参考。侯帅等[27]以交联聚乙烯绝缘材料的绝缘性能进行分析，采用差示扫描量热分析、热重分析测试、热老化试验方法对于交联聚乙烯绝缘材料性能进行分析。研究表明，交联聚乙烯的组成部分会对绝缘性能产生影响，如添加的炭黑种类、添加量；此外，炭黑添加量少、基底材料为乙烯-丙烯酸丁酯共聚物(EBA)树脂的交联聚乙烯拉伸强度变化率仅有0.57%，断裂伸长率为4.20%，远低于对比组拉伸强度变化率16.9%和断裂伸长率18.4%，该方法为交联聚乙烯绝缘电缆性能评价提供了参考。2.2.2交联聚乙烯在高压电缆的应用输电技术的迅速发展和电力需求的高速增长，为高压交联聚乙烯电缆提供了应用的空间。高压交联聚乙烯电缆能提供远距离、大规模、低能源损失的电能输送，能缓解我国能源基地偏远的现实困境，是我国未来的重要电力运输形式[28-32]。目前关于交联聚乙烯高压电缆应用的研究很多。李忠磊等[33]概述了当前高压直流交联聚乙烯电缆的应用及研究进展，基于高压直流电缆的使用特性，提出高压电缆材料的电荷特性抑制方法是影响直流高压电缆的重要课题，比较了3种常见的高压直流电缆材料的特性，认为充油式电缆运行安全可靠、但安装复杂，容易出现环保污染，而黏性浸渍纸式电缆长度可以无限制，但工作温度受限，交联聚乙烯电缆则具有耐高温、传输功率高、质量轻等优点，但容易出现空间电荷的问题。不少学者对交联聚乙烯的空间电荷的机理开展了研究，Vu等[34]利用实验测出交联聚乙烯电导率在温度和电场下的变化规律，并预测出电荷的极性图。Fu等[35]则认为电场极性反转会影响空间电荷出现畸变，会加速绝缘材料的破坏，解决空间及界面的电荷积聚问题是未来研究的重点。陶鹏[36]对交联聚乙烯在500 kV的高压电缆的应用进行概述，并探究了高压电缆在架设时的关键技术。相比于其他材料，交联聚乙烯载重大、截面积大、单根距离长，因此会使得交联聚乙烯电缆在铺设过程中的施工难度和技术成本增加。李维康等[37]对在高压直流电缆中交联聚乙烯的交联特性及机理进行研究，以期提升交联聚乙烯的性能。采用流变性能、热延伸性能、空间电荷法、红外光谱法对目前市面上运用较广的两种品牌交联聚乙烯高压电缆绝缘材料进行性能测定。结果表明，样品的交联特性与交联剂的含量有关，含量越高，交联反应速率越快，两种材料的热延伸性能相差不大，在48%~50%之间，永久变形伸长率均为0，符合绝缘高压电缆材料的要求。电荷测试结果说明，交联剂含量越高，在低场强下材料的内部空间电荷少，而高场强下内部正电荷多，空间衰减变慢。研究发现，空间电荷积累较多会导致材料内部的电荷畸变，影响到绝缘材质的老化性能[38-39]。因此，研究指出高压电缆交联聚乙烯应适当降低交联剂含量来延长材料的使用寿命。朱晓辉[40]对高压交联聚乙烯电缆的介电性能开展研究，样本选择为使用年限分别为0、2、5、9和12年的220 V高压交联聚乙烯电缆，并对样本进行切片处理，对样品进行宽频介电频谱测试、理化性能测试、工频耐压测试。结果发现，交联聚乙烯的老化程度与低频介质损耗因素有关，且运行时间越长，老化性能上升。对电缆的性能评价方法具有较强的实用性，能为工程应用提供参考。目前绝大多数研究都是对直流高压电缆进行特性研究，对于交流高压电缆研究较少[41]，陈铮铮等[42]对交联聚乙烯直流和交联电缆的绝缘特性之间的差异开展研究。为减少材料厂家的差异，在样品选择上以同厂家、同电压的电缆为原材料，测定了10 ℃和20 ℃温度下直流电缆和交流电缆的空间电荷及介电性能。结果表明，交流电缆在1 700 cm-1处的羰基吸收大于直流电缆，交联聚乙烯直流电缆的空间电荷性能明显高于交联聚乙烯交流电缆。对影响两种电缆的机理进一步分析，发现由于材料之间的羰基含量不同，进而会影响主链的完整度和极性基团含量，从而导致绝缘性能差异。3结论交联聚乙烯材料是聚乙烯材料通过交联反应制成，既保持了聚乙烯的优秀特性，又具有较好的耐热性能、耐化学性能、质量轻、绝缘性能强等优势，在供电和通信电缆中有很广泛的应用。目前的研究主要集中于交联聚乙烯供电通信电缆的空间电荷、老化性能、介电性能、制作工艺和安装、监控等方面。未来交联聚乙烯的研究重点应当深入研究电荷击穿机理，并降低交联聚乙烯材料的电荷聚集效应，进一步提升耐老化性能。