通过短期实验外推纤维素基材料的蠕变预测

缓慢压缩纸张为何重要

纸和纸板看似简单，但在高压电力变压器中，它们在数十年间悄然承担着支撑和电气绝缘的重任。这些变压器是电网的骨干，其基于纤维素的绝缘材料必须在持续的机械载荷下长期保持形状稳定。材料在恒定载荷下随时间缓慢改变形状的现象——称为蠕变——最终可能危及设备可靠性。这里总结的研究提出了一个务实的问题：能否用相对短而可控的实验室测试，可靠地预测这些纤维素材料在更长时间尺度上的变形，而无需耗时数年的实验或复杂的加速老化方案？

巨型电机内的纸板

在电力变压器内部，由软木纤维制成的厚纸板充当固体绝缘材料。这些“压板”由长纤维在微小孔隙中互相结合，平面方向上具有较高强度，而厚度方向则更为柔软。在服役过程中，许多构件恰好在这个较弱的厚度方向受压并在恒定载荷下保持多年。湿度和温度又使行为更加复杂。由于提高温度以加速测试可能改变纤维素的老化机理，标准的加速试验未必能提供可信的长期预测。因此，作者聚焦于一个更简单但更苛刻的问题：在恒定湿度和温度下，能否从一段有限且精确测量的蠕变窗口推断长期行为？

观察一个小压板五天的蠕变

研究者测试了常用于变压器的预压缩压板样品。他们将样品置于约73%相对湿度的受控腔体内，并施加相当于2.33兆帕的恒定压应力——大致相当于坚固夹具下的压力。研究中他们不仅跟踪加载板的位移，而是采用数字图像相关法，一种通过追踪样品表面随机斑点图案的光学技术。该方法可提供不同区域随时间变形的完整图谱。尽管内部纤维结构导致应变场局部不均匀，但所选区域的平均应变在120小时内平滑增长。该平均响应成为拟合和检验蠕变模型的基础。

检验几种将短期测试外推的方法

此类材料的蠕变常用由弹性弹簧和粘性阻尼器组合的流变学模型来描述。从数学上讲，这产生了随时间增加的蠕变顺应性，并具有若干特征“滞后”时间，每个时间尺度对应不同的变形机制。作者比较了三种从数据识别这些参数的策略。对数方法在时间尺度上固定一组分布在若干数量级的尺度，并拟合相应的刚度值。谱方法假定刚度关于时间尺度服从平滑的幂律函数。粘性方法则将关键刚度和其关联的时间常数作为未知量，通过优化直接求解。对三种方法，作者都采用逆分析，通过最小化模型预测与测得蠕变曲线的平方差来拟合，并从多个初始猜测出发以避免陷入误导性的局部极小。

要测多久才能信任预测？

使用完整的五天测量数据时，对数方法可以非常贴合观测到的蠕变，且顺应性谱显示有两个主要时间尺度主导行为。然而，当拟合窗口缩短时，这些固定网格的方法在外推上开始失效。仅用前两天的数据拟合会导致对后续几天的预测不准确，尽管模型仍能再现早期测量值。谱方法也表现出类似的局限。相比之下，粘性方法允许从数据中识别出主导的时间常数，因此更成功：仅用前24小时的数据校准模型时，它对剩余四天的蠕变预测误差低于测量散布——约0.1%应变。这意味着在所测试条件下，一天的实验可以可靠地预测五天的响应。

对真实设备的意义

对于关心变压器寿命的工程师来说，这项工作提供了一个实用指南：如果采用合适的蠕变模型——既将刚度又将特征时间作为未知量——并且将湿度和温度保持恒定，则相对较短的蠕变测试仍可为可信的长期预测提供基础，至少在中等时间尺度的外推上如此。作者并不声称一年试验必然能预测五年行为，但他们的结果表明，精心设计的短期测试结合稳健的逆向建模，能大幅减轻实验负担。将该策略推广到不同温度和含水率下，最终可帮助公用事业和制造商在无需数年数据的情况下设计更安全、更耐久的纤维素绝缘材料。

引用: Abali, B.E., Afshar, R., Gamstedt, K. et al. Creep prediction of cellulose based materials by extrapolation of short term experiments. Sci Rep 16, 6358 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38132-3

关键词: 蠕变, 纤维素压板, 电力变压器, 粘弹性建模, 长期预测