CN104446650A - 一种提高聚合物和氧化铝陶瓷真空沿面闪络特性的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高聚合物和氧化铝陶瓷真空沿面闪络特性的方法。该方法利用电子回旋共振离子源引出的大面积均匀束，注入至聚四氟乙烯或氧化铝陶瓷绝缘材料表面，对绝缘材料表面进行改性。注入能量为80keV，注入离子为N离子和C离子。本发明可用于真空高压绝缘器件领域。

Description

一种提高聚合物和氧化铝陶瓷真空沿面闪络特性的方法

技术领域

本发明属于高压绝缘材料领域，具体涉及一种用于提高聚合物和氧化铝陶瓷真空沿面闪络特性的方法。

背景技术

绝缘子在远低于自身以及相同真空间隙的击穿强度下就会发生沿面击穿，这种沿面闪络现象严重制约着真空电气系统的绝缘性能。长期以来，存在于高压真空电气设备中沿面闪络现象一直是系统优化设计无法回避的一个瓶颈问题，更是解决设备小型化的一个关键环节。因此，研究真空中绝缘子沿面闪络现象及其形成机理，寻找提高其闪络电压的方法，无论对于绝缘击穿的理论研究还是实际绝缘子的工程应用都有十分重要的意义。

目前研究者在实验研究的基础上，提出了影响闪络特性的几种重要物理因素。这些因素包括：施加电压波形、绝缘体几何形状及长度、绝缘体几何面积、绝缘体表面处理、绝缘体材料介电常数、绝缘体预放电处理、磁场作用、电极材料及其几何形状、多层高梯度绝缘技术等。

其中在研究真空中绝缘子沿面闪络现象时，表面处理有效改善绝缘子沿面闪络特性的几个可能的机制有：①绝缘体表面二次电子发射系数降低；②消除表面介电性质不均匀状况；③降低表面电阻率；④减少表面吸附气体；⑤使表面层的空间电荷退陷阱化等。然而，不同情况下主要是哪种机制在发挥作用以及通过哪种处理方式能够有效达到上述效果仍然是一个亟待解决的问题。

离子注入技术是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。其基本原理是离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。它的特点为：①注入元素和添加元素可以任意选取；②注入过程不受温度限制；③可精确控制注入剂量和注入深度，容易实现大面积均匀掺杂；④适用于各种固体材料和粉末材料的改性要求；⑤注入过程不改变工件原有的外廓尺寸精度。和传统技术相比,它的机动性,有效性,以及不污染环境，特别适合于表面处理。目前在工业领域已经取得了广泛应用，已经有数百种成功工业应用实例。

在离子注入过程中，会产生辐照损伤、增强扩散、化学键变化等效应。离子对聚合物表面的作用包括：(1)原子核的弹性碰撞及与电子的非弹性碰撞；(2)离子注入聚合物表面，并失去能量静止下来，形成复合层；(3)辐照引发聚合物表面分子间发生交联；(4)高能离子对聚合物表面分子链进行剪切，生成挥发性低分子碎片并发生溅射；(5)引发表面形成新的基团或官能团；(6)高能离子在聚合物内注入后形成轨迹。这些作用使聚合物材料表面的组成、化学结构、反应性及化学键特征等发生变化，从而使聚合物具有表面敏感的机械性能以及其他物理和化学性能。

离子注入聚合物改性与聚合物表面耐压性能相关的表现主要为：1)改变聚合物表面形状，提高粗糙度；2)改变聚合物表面的亲水性；3)注入离子损失的能量可促使聚合物材料的表面分子发生交联，形成三维网状结构；4)提高非极性材料的表面电特性等。这些改变与离子的种类、能量和剂量以及聚合物结构相关。所以只要选来用作离子源的离子种类合适，就可以在材料中加入合适的成分，使材料的性质向我们所需要的方向改变。另外，打到材料中去的荷能荷电离子还可以通过电离作用，或通过与材料物质原子核的弹性和非弹性碰撞，在材料中引起电离、激发、位错和其他缺陷，从而通过材料成分和微观结构的变化得到我们所需要的新材料或新物质。

目前常用的真空绝缘子材料有聚四氟乙烯、尼龙、塑料等聚合物材料，以及氧化铝陶瓷等无机材料，如何提高真空中聚合物、氧化铝陶瓷绝缘材料的沿面闪络电压是目前广泛研究的问题，而利用离子注入技术来提高聚合物和氧化铝陶瓷绝缘性能的报道极少，将离子注入技术用于改善聚合物和氧化铝陶瓷的真空沿面闪络特性的研究领域尚无人涉及。

发明内容

本发明的目的是为了提高聚合物和氧化铝陶瓷真空沿面闪络特性，提出一种利用离子注入技术对绝缘材料表面进行改性的方法。本发明可引起聚合物和氧化铝陶瓷表面性能发生变化，改善其真空沿面闪络特性，提高表面击穿电压。本发明具有应用面广、可靠性高、工艺难度低、可操作性强等优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种提高聚合物和氧化铝陶瓷真空沿面闪络特性的方法，其特征在于，所述的方法以电子回旋共振离子源(ECR源)作为离子源的离子注入系统，对绝缘材料试样表面进行离子注入，注入能量为80keV。

所述的绝缘材料试样为聚四氟乙烯或氧化铝陶瓷。

对绝缘材料试样表面注入的离子为N离子和C离子。利用SRIM离子注入软件对80keV能量下的离子注入深度进行了仿真计算，对聚四氟乙烯的绝缘材料，N离子注入深度为2301埃，C离子注入深度为2725埃。对氧化铝陶瓷的绝缘材料，N离子注入深度为1202埃，C离子注入深度为1408埃。

本发明采用离子源对绝缘材料试样表面进行离子注入改性，改性后的试样表面粗糙度、疏水性、电导率和表面结构均发生变化。离子注入轰击会产生辐照损伤和溅射效应，使材料表面粗糙度加大，表面越粗糙，形成的疏水性物质越多，接触角越大。较高的表面粗糙度能够阻止试样表面充电，使得表面电荷形成电场减弱，电子撞击材料表面的几率减小，产生的二次电子减少，沿面闪络电压也升高。聚合物经过离子注入改性后，通过注入离子与聚合物分子中原子和电子的相互作用，可以使聚合物表面发生分子链断链、分子链交联和石墨化，断裂的化学键会发生交联在材料表面形成交联层，交联层的增加使材料表面变得致密，相应表面处的材料密度也会增加，它的作用是可以阻碍电荷的注入，提高击穿场强；离子注入还能够填充材料中的势能陷阱，降低材料中的陷阱电荷量。基于以上机理，本发明采用离子注入表面改性，综合影响绝缘材料的沿面闪络特性，可以显著提高其真空沿面闪络电压，对聚四氟乙烯材料，真空沿面闪络电压可提高50％。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、离子注入元素可选择性广，包括C和N等元素均可作为提高沿面闪络特性的注入元素；

2、注入过程不受温度限制；

3、本发明可精确控制注入剂量和注入深度，容易实现大面积均匀掺杂；

4、本发明适用于各种固体材料和粉末材料的改性要求；

5、注入过程不改变工件原有的外廓尺寸精度；

6、和传统技术相比，它的机动性，有效性，以及不污染环境，特别适宜表面处理。

本发明可用于真空高压绝缘器件领域。

附图说明

图1为离子注入表面改性前后的表面图片，其中图1a为改性前的氧化铝陶瓷试样，图1b～1d块为改性后的试样；

图2是利用水接触角测量仪对改性前后的试品水接触角的测量结果，图2a为改性前的水接触角，图2b～2d为改性后的水接触角。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明实施例1和实施例2使用博锐恒电子科技有限公司生产的电子回旋共振离子源作为离子源的离子注入系统，对聚四氟乙烯或氧化铝陶瓷材料进行表面改性处理。所述的方法包括下述步骤：

(1)制备聚四氟乙烯或氧化铝陶瓷绝缘材料试样，该绝缘材料试样的面积小于直径20cm的圆面积；

(2)对绝缘材料试样清洁处理：首先用乙醇清洗，然后置于去离子水中超声清洗，再放入烘箱烘干；

(3)使用电子回旋共振离子源作为离子源的离子注入系统，对绝缘材料试样表面进行离子注入，注入能量为80keV。

实施例1

1)准备4片尺寸为55mm×25mm×5mm的聚四氟乙烯试样，对该试样表面进行清洁：首先用乙醇清洗，然后置于去离子水中超声清洗，再放入烘箱烘干；

2)将其中2片聚四氟乙烯试样放置在离子注入系统的真空腔内，试样表面与离子束方向垂直；

3)开启离子注入系统，用N离子束轰击试样表面，离子注入能量为80keV；

4)关闭离子注入系统，打开真空腔，取出注入了N离子的试样；

5)在离子注入真空腔中，放置其余2片聚四氟乙烯试样，该试样表面与离子束方向垂直；

6)开启离子注入系统，用C离子轰击聚四氟乙烯试样表面，离子注入能量为80keV；

7)关闭离子注入系统，打开真空腔，取出注入了C离子的试样。

将经离子注入的4片聚四氟乙烯试样进行真空沿面闪络实验，气压为1.5×10^-4Pa，电极间距为4mm，电极形状为圆柱形，电极材料为黄铜。

沿面闪络电压判断：1)在同一个电压等级下连续进行十次放电实验，利用示波器测量10次电压波形，根据示波器上显示的波形，以及肉眼观察到的放电现象，判断该试样发生沿面闪络的次数并记录；2)记录发生沿面闪络5次以上的最小脉冲电压幅值，作为该试样在纳秒脉冲条件下的闪络电压测试结果；3)继续增加电压，记录10次均发生沿面闪络的最小脉冲电压幅值，作为该试样在纳秒脉冲条件下的连续闪络电压测试结果。所测得的结果如表2所示。

表1聚四氟乙烯改性前后水接触角变化

如图2和表1所示，在离子注入后，聚四氟乙烯材料表面水接触角增大，表面憎水性增强，有利于沿面闪络电压的提高。

表24mm N离子注入聚四氟乙烯实验结果

表3聚四氟乙烯改性前后闪络电压变化

如表2和表3所示，N离子注入聚四氟乙烯，在电极间距为4mm的情况下，沿面闪络电压可以提高约35％；C离子注入聚四氟乙烯，在电极间距为4mm的情况下，沿面闪络电压可以提高约20％。

实施例2

本实施例绝缘材料试样尺寸为55mm×25mm×5mm。

1)准备4片氧化铝陶瓷试样，并对表面进行清洁：首先用乙醇清洗，然后置于去离子水中超声清洗，再放入烘箱烘干；

2)将其中2片氧化铝陶瓷试样放置在离子注入系统的真空腔内，试样表面与离子束方向垂直；

3)开启离子注入系统，用N离子束轰击试样表面，离子注入能量为80keV；

4)关闭离子注入系统，打开真空腔，取出注入N离子的试样；

5)在离子注入系统的真空腔中，放置其余2片试样，试样表面与离子束方向垂直；

6)开启离子注入系统，用C离子轰击试样表面，离子注入能量为80keV；

7)关闭离子注入系统，打开真空腔，取出注入C离子的试样。

将经离子注入的氧化铝陶瓷试样进行真空沿面闪络实验，气压为1.5×10^-4Pa，电极间距为5mm，电极形状为圆柱形，电极材料为黄铜。

沿面闪络电压判断：1)在同一个电压等级下连续进行十次放电实验，利用示波器测量10次电压波形，根据示波器上显示的波形，以及肉眼观察到的放电现象，判断该试样发生沿面闪络的次数并记录；2)记录发生沿面闪络5次以上的最小脉冲电压幅值，作为该试样在纳秒脉冲条件下的闪络电压测试结果；3).继续增加电压，记录10次均发生沿面闪络的最小脉冲电压幅值，作为该试样在纳秒脉冲条件下的连续闪络电压测试结果。所测得的实验结果如表5所示。

表4氧化铝陶瓷改性前后水接触角的变化

如图2和表4所示，用N离子和C离子注入氧化铝陶瓷，均极大增强了氧化铝陶瓷表面的憎水性。如图2a所示，改性前的氧化铝陶瓷水接触角为26度，经离子注入改性后，水接触角明显提高，约为110度左右，如图2b～图2d所示，有利于沿面闪络电压的提高。

表5氧化铝陶瓷改性前后沿面闪络电压的变化

如表5所示，N离子注入氧化铝氧化铝陶瓷，在电极间距为5mm的情况下，沿面闪络电压可以提高约50％。

Claims (3)

1.一种提高聚合物和氧化铝陶瓷真空沿面闪络特性的方法，其特征在于，所述的方法以电子回旋共振离子源作为离子源的离子注入系统，对绝缘材料试样表面进行离子注入，注入能量为80keV；

所述的绝缘材料为聚四氟乙烯或氧化铝陶瓷；

所述的注入离子为N离子和C离子。

2.根据权利要求1所述的提高聚合物和氧化铝陶瓷真空沿面闪络特性的方法，其特征在于，对聚四氟乙烯绝缘材料，N离子注入深度为2301埃，C离子注入深度为2725埃。

3.根据权利要求1所述的提高聚合物和氧化铝陶瓷真空沿面闪络特性的方法，其特征在于，对氧化铝陶瓷绝缘材料，N离子注入深度为1202埃，C离子注入深度为1408埃。