氧化鋁陶瓷真空沿面閃絡(luò)抑制技術(shù)研究進展

摘 要：氧化鋁陶瓷作為絕緣子被廣泛應(yīng)用于高電壓真空絕緣系統(tǒng)，但是由于其表面二次電子發(fā)射系數(shù)大，在高電壓和復(fù)雜環(huán)境下，表面容易集聚電子，引發(fā)沿面放電事故。本文首先闡述了沿面閃絡(luò)產(chǎn)生的機理，結(jié)合相關(guān)產(chǎn)品的工程實踐，從表面刻槽、表面涂層、體摻雜等技術(shù)綜述了國內(nèi)外抑制氧化鋁陶瓷沿面閃絡(luò)研究現(xiàn)狀，最后展望了氧化鋁陶瓷沿面閃絡(luò)抑制技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：氧化鋁陶瓷；沿面閃絡(luò)；二次電子發(fā)射

1前言

氧化鋁陶瓷具有高機械強度和優(yōu)良的絕緣性能，且其釋氣率低，可承受高溫烘烤，易于和金屬材料密封焊接等優(yōu)點，因而作為絕緣子被廣泛應(yīng)用于需嚴格控制氣源的高功率和高壓真空設(shè)備[1-2]，如大功率二極管、脈沖功率氣體開關(guān)、強流粒子束加速器、陶瓷天線窗、高強度X射線源等，是決定這些裝備性能的關(guān)鍵材料之一。但與高分子材料相比，陶瓷不易加工，外形形狀不易控制，且介電常數(shù)偏高，這對陶瓷絕緣子的表面絕緣帶來很大不利。特別是針對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、小型化、高容量的要求，如何增加絕緣可靠性，避免發(fā)生真空沿面閃絡(luò)，是使用陶瓷材料需要解決的關(guān)鍵問題之一[3-4]。

在高壓工況下，絕緣子的表面會發(fā)生沿面閃絡(luò)，沿面閃絡(luò)是指在絕緣子表面解脫附氣體層中發(fā)生的一種貫穿性電擊穿現(xiàn)象。發(fā)生閃絡(luò)時的加載電壓通常遠低于絕緣介質(zhì)的體擊穿電壓和真空間隙擊穿電壓[5]。例如：以真空作為絕緣介質(zhì)時，擊穿場強的臨界值大約在35kV/mm， Al2O3陶瓷作為絕緣介質(zhì)時，體積穿場強的臨界值一般在30-40 kV/mm，而在Al2O3-真空絕緣體系中，往往外加場強不足臨界場強的十分之一就可能在絕緣子表面發(fā)生沿面閃絡(luò)，甚至會對Al2O3絕緣子造成破壞性的損傷。絕緣子發(fā)生沿面閃絡(luò)導(dǎo)致的絕緣失效是造成設(shè)備發(fā)生故障的關(guān)鍵因素之一，嚴重影響高壓設(shè)備的耐壓能力，影響設(shè)備的正常使用[6]。

所以，研究高電壓作用下氧化鋁陶瓷的沿面閃絡(luò)性能，有助于真空絕緣部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，節(jié)約陶瓷絕緣材料重量，提高經(jīng)濟效益，保證裝備可靠運行，推進相關(guān)設(shè)備的小型化、輕量化、實用化，同時可為絕緣材料沿面閃絡(luò)相關(guān)理論研究提供依據(jù)，對工程應(yīng)用和理論發(fā)展都有重要意義。

2 沿面閃絡(luò)機理研究現(xiàn)狀

提高固體絕緣材料絕緣性能的關(guān)鍵在于保持基體絕緣性能的前提下，努力提高其沿面閃絡(luò)電壓。絕緣子的沿面閃絡(luò)現(xiàn)象從上世紀五六十年代便得到研究人員的關(guān)注，并開展了一系列的研究，大量的研究表明，Al2O3陶瓷表面耐壓能力與其幾何形狀、表面粗糙度、表面氣體吸附、晶粒尺寸、表面電阻率、缺陷種類及濃度、表面狀態(tài)等因素密切相關(guān)[7-9]，機理十分復(fù)雜?？蒲腥藛T通過大量實驗探究得出，絕緣子沿面閃絡(luò)現(xiàn)象的產(chǎn)生過程可分為三個階段：①起始階段：絕緣子強場強處產(chǎn)生初次電子，并引起電子發(fā)射；②發(fā)展階段：電子沿絕緣子表面發(fā)生級聯(lián)倍增；③擊穿階段：級聯(lián)倍增過程造成大量氣體解附，被高能電子電離，在絕緣子表面解脫付氣體層中形成貫穿性通道從而引發(fā)閃絡(luò)。對于沿面閃絡(luò)起始和擊穿機制學(xué)界基本達成共識。但是，關(guān)于沿面閃絡(luò)的發(fā)展過程，仍有較多爭論，學(xué)界提出了許多模型，主要包括：氣體放電模型、固體介質(zhì)熱擊穿模型、二次電子發(fā)射雪崩模型和電子引發(fā)極化松弛模型。目前，最被接受的是二次電子發(fā)射雪崩模型和電子引發(fā)極化松弛模型[10]。

2.1二次電子發(fā)射雪崩模型

二次電子發(fā)射雪崩模型由美國學(xué)者Anderson和Brainard[11]等人最早提出，該模型認為，在外加高壓電場作用下，從電極-絕緣子-真空三相結(jié)合點發(fā)射的初始電子獲得能量被加速并轟擊絕緣子表面，碰撞過程初始電子的能量到達一定閾值時，會形成二次電子發(fā)射，同時在絕緣子表面形成正電荷。二次電子在電場的作用下，再次轟擊絕緣子表面產(chǎn)生更多的次級電子，該過程反復(fù)進行，最終導(dǎo)致二次電子雪崩。在這個過程中，電子對絕緣子表面轟擊使絕緣子表面吸附的部分氣體發(fā)生電離和解吸附，從而在絕緣子表面區(qū)域形成解吸附氣體層，并隨著電子雪崩向陽極發(fā)展，同時，部分的解吸附氣體分子與電子相互碰撞，進一步發(fā)生電離，產(chǎn)生的正離子和絕緣子表面累積的正電荷進一步提高了陰極三相結(jié)合點附近的場強，從而加劇了場致發(fā)射、氣體解吸附、二次電子發(fā)射和電離過程，上述過程反復(fù)持續(xù)進行，最終在絕緣子表面解吸附氣體層形成貫穿性放電通道，發(fā)生閃絡(luò)。圖1為該模型微觀物理過程示意圖。

2.2電子引發(fā)極化松弛模型

電子引發(fā)極化松弛模型是由法國學(xué)者G.Blaise和Le Gressue[13-16]最早提出，他們也認為絕緣子表面存在二次電子雪崩過程，但是這個過程只對沿面閃絡(luò)形成起作用，對發(fā)展階段作用很小。該模型認為，絕緣子表面發(fā)生閃絡(luò)是因為其自身局部區(qū)域存在類似陷阱的缺陷，絕緣子表面存在的電荷在陷阱內(nèi)積累，這些電荷會暫時維持極化平衡態(tài)的靜電場。但是，當這些在陷阱內(nèi)積累的電荷受到外界條件（如外來電子碰撞、溫度變化、射線輻照等）干擾時，陷阱內(nèi)積累的電子獲得超過閾值的能量而從陷阱中逃逸，打破極化平衡下的靜電場，引發(fā)能量釋放，同時會發(fā)射出大量的高能光子和電子，形成電子倍增，最終引發(fā)沿面閃絡(luò)。圖2為電子引發(fā)極化松弛模型示意圖。

3氧化鋁陶瓷表面閃絡(luò)抑制技術(shù)

3.1表面刻槽

氧化鋁陶瓷絕緣子的沿面閃絡(luò)電壓與其沿面距離有關(guān)，通過在絕緣子表面加工周期性的波紋能增加二次電子的爬電距離，抑制電子倍增的發(fā)展，延緩閃絡(luò)通道的形成。

江進波[17]等通過仿真分析如圖3的氣體開關(guān)絕緣子，刻槽前后的沿面距離分別為36mm和76.825mm，沿面距離增加后，平均場強降低至原來的73.9%，最大場強降低至原來的90.7%，絕緣子表面場強的減小，可以有效降低二次電子發(fā)射能量，抑制二次電子的倍增。

同時，他們還分別研究了槽寬和槽深對沿面場強的影響，通過仿真分析，固定槽寬，絕緣子沿面最大場強處于絕緣子的槽峰位置，隨著槽深增加絕緣子表面場強呈下降趨勢，刻槽深度從6mm增加到14mm時，最大場強下降了9.96%，如圖4所示；固定槽深，隨著槽寬的增大，絕緣子表面最大場強減小，槽寬從5mm增加至11mm，最大場強下降了52.59%，如圖5所示。

上述模擬結(jié)果在我公司為某研究所研制的多間隙氣體開關(guān)[18]產(chǎn)品工作過程中得到驗證，開關(guān)實物照片如圖6所示，開關(guān)腔體由95%氧化鋁陶瓷絕緣子和外電極構(gòu)成。陶瓷殼體直徑157mm，高度141mm，工作電壓±100kV，通過在陶瓷表面加工周期性的環(huán)形槽，有效提高了開關(guān)殼體的沿面閃絡(luò)電壓，但在設(shè)計初期，由于槽寬設(shè)計不合理，加載時開關(guān)殼體在表面場強最大的兩槽峰之間形成了間隙擊穿。

荀濤等在研究強流脈沖電子束源陶瓷真空界面閃絡(luò)電壓[19]時指出，均勻波紋槽對陶瓷表面二次電子的束縛效果主要表現(xiàn)在靠近陰極的區(qū)域，對靠近陽極及中間區(qū)域的二次電子束縛效果有限。為了有效利用陽極及中間區(qū)域的表面波紋，其在絕緣子中間區(qū)域加工的波紋深度高于陰極和陽極兩側(cè)的非均勻波紋，如圖7所示。從圖中可以看出，除了靠近陰極區(qū)域的波紋槽外，中間區(qū)域的深槽表面束縛電子數(shù)量增加，可以進一步束縛越過陰極區(qū)域淺槽處的高能量電子，提高溝槽結(jié)構(gòu)阻礙二次電子倍增和阻斷電子向陽極的運動。

3.2 表面涂層

通過在氧化鋁陶瓷絕緣子表面形成一層低二次電子發(fā)射系數(shù)的涂層，可以改善其沿面閃絡(luò)特性。Cu2O、Cr2O3、MnO、TiO2等金屬氧化物的二次電子發(fā)射系數(shù)遠低于氧化鋁陶瓷，如圖8所示[20]。

Cr2O3與Al2O3結(jié)構(gòu)相似，離子半徑相當，所以在Al2O3陶瓷表面涂覆Cr2O3涂層對其自身表面性能影響較小，Cr2O3的二次電子發(fā)射系數(shù)僅0.98左右，遠低于Al2O3陶瓷二次電子發(fā)射系數(shù)，目前Cr2O3涂層加工工藝相對成熟，且成本較低。

荀濤等[19]在直徑為240㎜，厚度為10㎜的氧化鋁圓盤表面涂覆燒結(jié)了Cr2O3涂層，涂層處理后減少了陶瓷表面的缺陷尺寸和數(shù)量，陶瓷表面的粗糙度由處理前的0.87μm降至處理后的0.32μm。通過表面高溫Cr2O3涂層處理，原始陶瓷的表面二次電子發(fā)射系數(shù)由3.5左右降至1.5左右。Sudarshan等[21]將Al2O3陶瓷在Cr2O3溶液中浸泡1h，然后在空氣環(huán)境下于900℃熱處理，在陶瓷表面形成Cr2O3涂層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Al2O3陶瓷沿面閃絡(luò)電壓明顯的提高。

納米TiN薄膜二次電子發(fā)射系數(shù)低，能在高射頻場和高溫下保持良好的穩(wěn)定性[22]。趙毅紅等[23]將氧化鋁陶瓷表面噴砂、600℃烘烤除氣，輝光表面清洗后通過磁控濺射鍍膜工藝在陶瓷表面鍍覆了Ti/N原子比為0.9-1.1的納米TiN薄膜。通過該工藝鍍覆的薄膜附著力好，超聲波清洗15min不會發(fā)生脫落，晶粒細小均勻，表面光滑平整，薄膜厚度差在1.7nm以內(nèi)，滿足高功率微波器件對薄膜的要求。其分別研究了濺射時間、濺射偏壓、N2流量對制備的TiN薄膜二次電子發(fā)射系數(shù)（SEY）的影響，發(fā)現(xiàn)濺射時間8.4s時，二次電子發(fā)射系數(shù)為1.72；偏壓為350V時，二次電子發(fā)射系數(shù)為1.89；N2流量為38mL/min時，二次電子發(fā)射系數(shù)為1.83，如圖9所示。我公司為某研究所研制生產(chǎn)的喇叭天線窗產(chǎn)品應(yīng)用了該技術(shù)，有效提高了氧化鋁陶瓷窗片的表面耐壓水平。

3.3 氧化鋁陶瓷體摻雜

氧化鋁陶瓷絕緣子電荷陷阱和表面電荷與其沿面閃絡(luò)性能有著密切的關(guān)系，電荷陷阱密度越高，表面電荷密度越大，其閃絡(luò)電壓越低[9]。Li等[24]通過在Al2O3陶瓷中摻雜Fe2O3或Nb2O5等金屬氧化物，有效降低了陶瓷陷阱能級與陷阱密度，提高了其沿面閃絡(luò)電壓。Lei等[25]在Al2O3陶瓷中分別摻入不同含量的Cr2O3、TiO2、MnCO3、MgO顆粒，發(fā)現(xiàn)摻雜Cr2O3可以提高Al2O3陶瓷的沿面閃絡(luò)電壓。雖然Al2O3陶瓷體摻雜的方法較為簡單，但是由于半導(dǎo)體顆粒的摻入會導(dǎo)致Al2O3陶瓷的致密度降低，從而影響陶瓷本身的體絕緣。

4展望

目前已研究改善氧化鋁陶瓷沿面閃絡(luò)性能的途徑較多，但各有優(yōu)缺點。表面刻槽是最簡便經(jīng)濟的方式，可以直接在陶瓷生坯上加工各種槽型結(jié)構(gòu)，但是槽的形狀會受到絕緣子體積的限制，雖然經(jīng)過仿真，槽深越大，抑制表面閃絡(luò)效果越好，但是過深又會影響到絕緣子最薄處的壁厚，影響體絕緣，且會影響陶瓷的燒結(jié)。該方法后期的研究重點應(yīng)放在槽型結(jié)構(gòu)與加載電壓的匹配上，以最小的絕緣子體積做到最優(yōu)的耐壓效果；表面涂層工藝也以相對成熟，對表面二次電子發(fā)射系數(shù)的降低明顯，但由于涂層材料與氧化鋁性能差異，涂層與基體的結(jié)合力較弱，容易產(chǎn)生表面缺陷，且在外界溫度變化或震動時容易脫落，所以提高涂層結(jié)合力、工作可靠性是未來研究的重點；體摻雜工藝選用的金屬氧化物容易改變氧化鋁絕緣子本身的絕緣性能，且選用不當將不利于陶瓷的燒結(jié)。目前多種工藝聯(lián)合使用來提高氧化鋁陶瓷表面閃絡(luò)性能的報道極少，后期的工程實踐可以在這方面進行嘗試。

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Research Progress of Vacuum Surface Flashover Suppression Technology for Alumina Ceramics

ZHAO Tong-gang， AN Bai-jiang，" YANG Hua

（Shaanxi Baoguang Ceramic Technology Co.， Ltd， Baoji 721304， China）

Abstract： Aluminum oxide ceramics are widely used as insulators in high-voltage vacuum insulation systems. However， due to their high surface secondary electron emission coefficient， electrons are prone to accumulate on the surface in high voltage and complex environments， leading to surface discharge accidents. This article first elaborates on the mechanism of surface flashover， and combined with the engineering practice of the company's related products， summarizes the current research status of suppressing surface flashover of alumina ceramics at home and abroad from the perspectives of surface grooving， surface coating， and bulk doping. Finally， the development direction of surface flashover suppression technology for alumina ceramics was discussed.

Keywords： Alumina ceramic；Surface flashover；Secondary electron emission

作者簡介：趙童剛（1989-），男，陜西興平人，碩士研究生，工程師，主要研究方向：氧化鋁陶瓷及其金屬化密封焊接技術(shù)。