一种提高固体绝缘介质真空沿面闪络性能的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电气高压绝缘材料领域，特别设及一种用于提高固体绝缘介质真空沿 面闪络性能的方法。
【背景技术】
[0002] 真空作为一种优良的绝缘介质，W其良好的介电性能、低廉的成本价格而被广泛 的应用于电气设备与电子器件中，如真空二极管、真空开关、脉冲功率开关、高能加速器等。 当固体绝缘子被引入真空间隙中作为支撑或绝缘隔断时，在绝缘子与真空交界面上存在着 远低于绝缘子本征击穿场强与真空间隙击穿场强下的沿面闪络现象问题。真空中的闪络现 象严重制约了复合绝缘系统的耐电强度，闪络放电脉冲不仅会干扰到电力设备上敏感电子 器件的正常工作，更严重的放电甚至会导致电子器件和绝缘子局部被放电脉冲所烧毁，严 重影响电力设备的可靠性与寿命。据相关资料报道，美国能源部的加速器W及日本的空间 卫星都曾因真空部件发生沿面闪络现象引起的问题而受到损坏，造成了极大经济损失。由 此可见，沿面闪络现象是制约电气设备电压等级的核屯、因素，也是当前发展高电压、大功 率、小型化设备所面临的一个主要瓶颈。
[0003] 真空沿面闪络研究通常是根据工程实际抽象得来的，国内外研究真空沿面闪络的 主要方法都是通过电气试验的方式研究各种物理因素对闪络特性的影响，如环境气压、电 极结构、施加电压类型、绝缘子的材料及形状、绝缘介质表面状况、溫度、福射等因素。经过 多年的研究，目前学术界普遍认为真空沿面闪络大致可W分为W下Ξ个阶段：①起始阶 段一一产生初始电子;②发展阶段一一形成电子倍增;③闪络阶段一一形成贯穿性气体放 电通道。因此，针对真空沿面闪络发展机理，有效提高绝缘子沿面闪络电压的方法就可W从 W下几个方面着手:①降低阴极附近的界面电场强度，使得引发闪络的关键性因素 Ξ结合 点（电极一一绝缘子表面一一真空Ξ者交界处)附近的局部合成场强减小，导致闪络发展需 要更高的电压才能触发;②抑制电子崩发展过程，减少了电荷迁移过程中的碰撞电离及二 次电子发射;③减少绝缘子表面脱气率。然而，应用于不同环境下的绝缘子主要是上述哪一 种或者几种机制在发挥作用，W及需要通过哪种处理方式可W最有效达到提高绝缘子真空 沿面闪络性能仍是一个亟待解决的问题。
[0004] 在空间福照环境下，高能电子福射将导致电荷在介质材料内部沉积，从而发生内 带电效应，在介质材料内带电过程中，高能粒子会与原子发生碰撞电离，使价带中电子跃迁 到能量较高的导带，同时空穴留在价带中，形成电子一一空穴对(载流子对），从而产生福射 诱导电导率，改变材料原有的介电性能，对介质材料内带电过程产生影响，但内带电产生的 放电脉冲在材料局部会释放大量能量，造成材料的损坏和老化。
[0005] 聚合物材料W其优良的电气绝缘性能、机械性能及耐福射等性能，广泛应用于航 空航天工业、电力系统绝缘、微电子、激光等领域，是电气高压绝缘材料领域中重要的绝缘 结构件。目前，利用低能电子福射技术来提高聚合物绝缘性能的相关报道极少，而将低能电 子福射技术用于改善聚合物绝缘子真空沿面闪络性能的研究尚无人设及。
【发明内容】
[0006] 为解决上述问题，本发明研究发现：固体绝缘子在经过低能电子福射处理后，介质 表面改性主要表现为W下几个方面:1)介质表层电子束注入深度W内形成的福射诱导电导 率会改善绝缘介质表层电导率，使福射表层的电荷泄放能力大幅增加，减少了绝缘子表层 中的电荷积聚，降低了局部电场崎变程度;2)低能电子福射导致绝缘子表层发生交联和微 降解，生成Ξ维网络状聚合分子结构，使介电常数降低，抑制了Ξ结合点处局部电场崎变； 3)电子福射会使陷阱参数发生变化，浅陷阱会发展成深陷阱，介质体内总体陷阱密度也会 增大，抑制了电荷在绝缘子体内碰撞电离及内二次电子发射。运些改变与入射低能电子束 能量W及束流密度有着密切关联。因此，本申请开发了一种提高固体绝缘介质真空沿面闪 络性能的方法，提出一种利用低能电子福射技术对聚合物绝缘子进行表面改性的方法，在 聚合物材料表层形成一定厚度的福射诱导电导率层，改善介质表层电荷泄放能力，并降低 介电常数，增加深陷阱密度，提高绝缘子真空沿面闪络电压。本发明具有应用面广、可靠性 高、工艺简单、可操作性强等优点。
[0007] 本发明设及使低能量电子束福照聚合物用于提高聚合物介质真空沿面闪络性能 的方法，依据本发明，发明将聚合物暴露于电子束源。虽然不受限于任一操作理论，发明认 为使低能量电子束福照聚合物导致聚合物真空沿面闪络性能提升。
[0008] 本发明中所述的"低能量电子束"是指电子束的能量不大于20keV。
[0009] 本发明说明书中提及"优选的"等等，表示所述与本发明相关的一种特定要素（例 如特征、结构和/或特点）被包含在本说明书所述的至少一个实施例中，可能或不可能出现 于其他实施例中。另外，需要理解的是，所述发明要素可W任何适合的方式结合。
[0010] 具体地，本发明设及如下各项：
[0011 ]将绝缘子置于低能电子福射系统真空腔内（气压小于5 X l〇-4Pa，溫度298K)，采用 德国STAIB公司的EFG-H40-20W型电子枪作为低能电子福射源，电子束能量为0~20keV连续 可调，福射时间0.5~化。本发明中电子枪的电子束能量范围为0-40keV，但实验中发现，当 电子束能量大于20keV时，聚合物的沿面闪络性能开始下降。
[0012] W有效改进聚合物介质真空沿面闪络性能的条件，电子束的能量范围为大于0,小 于等于20keV;更优选:5~20keV。优选的福照时间为0.5~比。优选的真空腔内气压小于5X 10-咕 a。
[0013] 本发明还提供了一种提高固体绝缘介质真空沿面闪络性能的方法，使用低能量电 子束福照绝缘子，所述固体绝缘子的材料为聚合物，所述低能量电子束的能量不大于 20keV〇
[0014] 优选的，所述聚合物为聚酷亚胺、聚四氣乙締或环氧树脂。
[0015] 优选的，所述福照处理在真空条件下进行。电子在高真空下平均自由程高，能有效 避免电子能量的大幅衰减。
[0016] 优选的，所述真空条件为:气压小于5Xl(T4Pa。电子的质量很小，它和空气分子冲 撞后就要减速或发生偏转，通常情况下，真空度越高，电子束的能量衰减越小，综合考虑设 备气密性和成本因素，本发明认为低能量电子束在真空系统内气压小于5Χ10- 4化时，即可 获得较优的处理效率。
[0017] 优选的，所述福照时间为ο. 5~化。
[0018] 优选的，所述绝缘子表面深度<10μπι。本方法仅对绝缘子表面(通常深度<10wii) 进行改性，在显著提高绝缘子真空沿面闪络电压情况下不影响绝缘子材料固有耐电击穿性 能，不改变绝缘结构件固有的外廓尺寸与精度。
[0019] 优选的，所述绝缘子为线性均匀介质。依据Weber射程经验公式R = 0.55E[ Ι ο. 9481/( 1+3E) ]， 式中： R --表示射程/g. cm-2 ;E--入射电子的能量/MeV。对于线性均匀 介质，实际入射深度X与射程R之间的关系为:R=Px，式中：P--材料的密度/g.cm 3。
[0020] 本发明还提供了一种提高固体绝缘介质真空沿面闪络性能的装置，所述装置能够 发射能量为0~20keV的电子束。
[0021] 上述的电子束在提高固体绝缘介质真空沿面闪络性能中应用，所述电子束的能量 范围为0~20keV。
[0022] 本发明采用低能电子源对聚合物绝缘介质试样进行表面福射改性处理后，改性后 试样表面电导率、介电常数、陷阱深度均发生明显变化。低能电子注入深度W内形成的福射 诱导电导率会改善介质表层电荷泄放能力，减少绝缘子表层中的电荷积聚，降低表面局部 电场崎变，抑制二次电子发射，提高沿面闪络电压。电子福射导致绝缘子表层发生的交联和 微降解反应，使介电常数降低，削弱Ξ结合点处局部电场崎变，抑制沿面闪络发展。电子福 射使得浅陷阱会逐步发展成深陷阱，介质体内总体陷阱密度也会增大，介质表层内载流子 难W从深陷阱中脱陷形成自由电子迁移，降低载流子的迁移率与动能，减少迁移过程中的 碰撞电离及二次电子发射，限制电荷在介质体内与交界面的输运，抑制闪络发展，提高闪络 电压。
[0023] 本发明的技术方案具有W下有益效果：
[0024] 1、本发明采用电子枪发射电子束，该方法仅对绝缘子表面(通常深度<10μπ〇进行 改性，在显著提高绝缘子真空沿面闪络电压情况下不影响绝缘子材料固有耐电击穿性能， 不改变绝缘结构件固有的外廓尺寸与精度，不污染环境，可应用于聚酷亚胺、聚四氣乙締、 环氧树脂等多种聚合物绝缘子材料的表面处理。因此具有应用面广、可靠性高、工艺简单、 可操作性强等优点；
[0025] 2、本发明提出的低能电子福射技术可W直接用于对绝缘件进行处理，处理过程不 受外部环境溫、湿度等因素限制；
[0026] 3、本发明可通过调整电子束能量精确控制电子注入深度，较易实现对绝缘件大面 积均匀处理；
[0027] 本发明可应用于真空高压绝缘器件领域。
【附图说明】
[0028] 图1为实施例1聚酷亚胺(ΡΙ)电子福射前后的电导率变化图；
[0029] 图2为实施例1聚酷亚胺(ΡΙ)电子福射前后的介电常数变化图；
[0030] 图3为实施例1聚酷亚胺(ΡΙ)电子福射前后的陷阱参数变化图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合具体优选实施例对本发明做出进一步说明，此处所描述的优选实施例仅 用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0032] 本发明实施例1采用德国STAIB公司的EFG-H40-20W型电子枪作为低能电子福射 源，电子束能量为0~20keV连续可调，所采用的聚合物绝缘子为耐福射材料聚酷亚胺。
[0033] 实施例1:
[0034] 1)制备聚酷亚胺绝缘子试样，试样由聚酷亚胺粉体材料通过模压方法制备而成， 试样尺寸大小为Φ 100mm，厚度为1mm;
[0035] 2)对试样进行清洁处理:首先用无水乙醇将表面擦拭干净，然后用去离子水超声 振荡清洗30min，再将其置于真空干燥箱中（气压小于10化、溫度393K)、加热干燥处理2地， 取出试样室溫下置于干燥皿中静置12h;
[0036] 3)将绝缘子置于低能电子福射系统真空腔内，试样表面与电子束方向垂直，开启 真空系统，待真空度达到5Xl(T 4Pa后，开启低能电子福射源，对绝缘子试样表面进行福射改 性，电子束能量为1 OkeV，福射时间0.5~化；
[0037] 4)关闭低能电子福射源，关闭真空系统，打开真空腔，取出低能电子福射改