CN105489326A - 一种提高固体绝缘介质真空沿面闪络性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高固体绝缘介质真空沿面闪络性能的方法，使用低能量电子束辐照绝缘子，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。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＜10μm)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，可应用于聚酰亚胺、聚四氟乙烯、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；本发明提出的低能电子辐射技术可以直接用于对绝缘件进行处理，处理过程不受外部环境温、湿度等因素限制。

Description

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

本发明属于电气高压绝缘材料领域，特别涉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

真空作为一种优良的绝缘介质，以其良好的介电性能、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以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心因素，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。

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、温度、辐射等因素。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以分为以下三个阶段：①起始阶段——产生初始电子；②发展阶段——形成电子倍增；③闪络阶段——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以从以下几个方面着手：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三结合点(电极——绝缘子表面——真空三者交界处)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，以及需要通过哪种处理方式可以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。

在空间辐照环境下，高能电子辐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——空穴对(载流子对)，从而产生辐射诱导电导率，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。

聚合物材料以其优良的电气绝缘性能、机械性能及耐辐射等性能，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，利用低能电子辐射技术来提高聚合物绝缘性能的相关报道极少，而将低能电子辐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涉及。

发明内容

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辐射处理后，介质表面改性主要表现为以下几个方面：1)介质表层电子束注入深度以内形成的辐射诱导电导率会改善绝缘介质表层电导率，使辐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，降低了局部电场畸变程度；2)低能电子辐射导致绝缘子表层发生交联和微降解，生成三维网络状聚合分子结构，使介电常数降低，抑制了三结合点处局部电场畸变；3)电子辐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。这些改变与入射低能电子束能量以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辐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辐射诱导电导率层，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。

本发明涉及使低能量电子束辐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辐照聚合物导致聚合物真空沿面闪络性能提升。

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。

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，所述发明要素可以任何适合的方式结合。

具体地，本发明涉及如下各项：

将绝缘子置于低能电子辐射系统真空腔内(气压小于5×10^-4Pa，温度298K)，采用德国STAIB公司的EFG-H40-20W型电子枪作为低能电子辐射源，电子束能量为0～20keV连续可调，辐射时间0.5～1h。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。

以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。优选的辐照时间为0.5～1h。优选的真空腔内气压小于5×10^-4Pa。

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，使用低能量电子束辐照绝缘子，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。

优选的，所述聚合物为聚酰亚胺、聚四氟乙烯或环氧树脂。

优选的，所述辐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。

优选的，所述真空条件为：气压小于5×10^-4Pa。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5×10^-4Pa时，即可获得较优的处理效率。

优选的，所述辐照时间为0.5～1h。

优选的，所述绝缘子表面深度＜10μm。本方法仅对绝缘子表面(通常深度＜10μm)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。

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[1-0.9481/(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＝ρx，式中：ρ——材料的密度/g.cm^-3。

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。

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。

本发明采用低能电子源对聚合物绝缘介质试样进行表面辐射改性处理后，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。低能电子注入深度以内形成的辐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，降低表面局部电场畸变，抑制二次电子发射，提高沿面闪络电压。电子辐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，削弱三结合点处局部电场畸变，抑制沿面闪络发展。电子辐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以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。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

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＜10μm)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，可应用于聚酰亚胺、聚四氟乙烯、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；

2、本发明提出的低能电子辐射技术可以直接用于对绝缘件进行处理，处理过程不受外部环境温、湿度等因素限制；

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；

本发明可应用于真空高压绝缘器件领域。

附图说明

图1为实施例1聚酰亚胺(PI)电子辐射前后的电导率变化图；

图2为实施例1聚酰亚胺(PI)电子辐射前后的介电常数变化图；

图3为实施例1聚酰亚胺(PI)电子辐射前后的陷阱参数变化图。

具体实施方式

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。

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辐射源，电子束能量为0～20keV连续可调，所采用的聚合物绝缘子为耐辐射材料聚酰亚胺。

实施例1：

1)制备聚酰亚胺绝缘子试样，试样由聚酰亚胺粉体材料通过模压方法制备而成，试样尺寸大小为Φ100mm，厚度为1mm；

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10Pa、温度393K)、加热干燥处理24h，取出试样室温下置于干燥皿中静置12h；

3)将绝缘子置于低能电子辐射系统真空腔内，试样表面与电子束方向垂直，开启真空系统，待真空度达到5×10^-4Pa后，开启低能电子辐射源，对绝缘子试样表面进行辐射改性，电子束能量为10keV，辐射时间0.5～1h；

4)关闭低能电子辐射源，关闭真空系统，打开真空腔，取出低能电子辐射改性后的试样；

5)重复上述步骤3和4，得到5片低能电子辐射改性的聚酰亚胺试样；

将改性前后的聚酰亚胺试样各取5片，在温度298K、气压小于10^-4Pa真空腔内连续直流闪络20次以上，加压方式采取阶梯升压，梯度为100V/s，相邻两次闪络时间的间隔为60s，电极采用Φ20mm的圆形镀金膜电极，厚度为1μm，间距1mm。

采用本发明中的方法，经10keV低能电子辐射改性后的聚酰亚胺绝缘子试样真空直流沿面闪络电压均值较未辐射前可提高30％以上，具体结果见表1。表1为实施例1中低能电子辐射前后聚合物绝缘子在直流电压下的真空沿面闪络性能比较结果。

表110keV低能电子辐射改性前后聚酰亚胺的真空直流沿面闪络实验结果

实施例2：

1)制备聚四氯乙烯绝缘子试样，试样由聚四氯乙烯粉体材料通过模压方法制备而成，试样尺寸大小为Φ100mm，厚度为1mm；

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10Pa、温度393K)、加热干燥处理24h，取出试样室温下置于干燥皿中静置12h；

3)将绝缘子置于低能电子辐射系统真空腔内，试样表面与电子束方向垂直，开启真空系统，待真空度达到5×10^-4Pa后，开启低能电子辐射源，对绝缘子试样表面进行辐射改性，电子束能量为10keV，辐射时间0.5～1h；

4)关闭低能电子辐射源，关闭真空系统，打开真空腔，取出低能电子辐射改性后的试样；

5)重复上述步骤3和4，得到5片低能电子辐射改性的聚四氯乙烯试样；

将改性前后的聚四氯乙烯试样各取5片，在温度298K、气压小于10^-4Pa真空腔内连续直流闪络20次以上，加压方式采取阶梯升压，梯度为100V/s，相邻两次闪络时间的间隔为60s，电极采用Φ20mm的圆形镀金膜电极，厚度为1μm，间距1mm。

采用本发明中的方法，经10keV低能电子辐射改性后的聚四氯乙烯绝缘子试样真空直流沿面闪络电压均值较未辐射前可提高30％以上。

实施例3：

1)制备环氧树脂绝缘子试样，试样由环氧树脂加热固化而成，试样尺寸大小为Φ100mm，厚度为1mm；

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10Pa、温度393K)、加热干燥处理24h，取出试样室温下置于干燥皿中静置12h；

3)将绝缘子置于低能电子辐射系统真空腔内，试样表面与电子束方向垂直，开启真空系统，待真空度达到5×10^-4Pa后，开启低能电子辐射源，对绝缘子试样表面进行辐射改性，电子束能量为10keV，辐射时间0.5～1h；

4)关闭低能电子辐射源，关闭真空系统，打开真空腔，取出低能电子辐射改性后的试样；

5)重复上述步骤3和4，得到5片低能电子辐射改性的环氧树脂试样；

将改性前后的环氧树脂试样各取5片，在温度298K、气压小于10^-4Pa真空腔内连续直流闪络20次以上，加压方式采取阶梯升压，梯度为100V/s，相邻两次闪络时间的间隔为60s，电极采用Φ20mm的圆形镀金膜电极，厚度为1μm，间距1mm。

采用本发明中的方法，经10keV低能电子辐射改性后的环氧树脂绝缘子试样真空直流沿面闪络电压均值较未辐射前可提高30％以上。

实施例4：

1)制备聚酰亚胺绝缘子试样，试样由聚酰亚胺粉体材料通过模压方法制备而成，试样尺寸大小为Φ100mm，厚度为1mm；

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10Pa、温度393K)、加热干燥处理24h，取出试样室温下置于干燥皿中静置12h；

3)将绝缘子置于低能电子辐射系统真空腔内，试样表面与电子束方向垂直，开启真空系统，待真空度达到5×10^-4Pa后，开启低能电子辐射源，对绝缘子试样表面进行辐射改性，电子束能量为0.5keV，辐射时间0.5～1h；

4)关闭低能电子辐射源，关闭真空系统，打开真空腔，取出低能电子辐射改性后的试样；

5)重复上述步骤3和4，得到5片低能电子辐射改性的聚酰亚胺试样；

将改性前后的聚酰亚胺试样各取5片，在温度298K、气压小于10^-4Pa真空腔内连续直流闪络20次以上，加压方式采取阶梯升压，梯度为100V/s，相邻两次闪络时间的间隔为60s，电极采用Φ20mm的圆形镀金膜电极，厚度为1μm，间距1mm。

采用本发明中的方法，经20keV低能电子辐射改性后的聚酰亚胺绝缘子试样真空直流沿面闪络电压均值较未辐射前可提高1％以上。

实施例5：

1)制备聚酰亚胺绝缘子试样，试样由聚酰亚胺粉体材料通过模压方法制备而成，试样尺寸大小为Φ100mm，厚度为1mm；

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10Pa、温度393K)、加热干燥处理24h，取出试样室温下置于干燥皿中静置12h；

3)将绝缘子置于低能电子辐射系统真空腔内，试样表面与电子束方向垂直，开启真空系统，待真空度达到5×10^-4Pa后，开启低能电子辐射源，对绝缘子试样表面进行辐射改性，电子束能量为5keV，辐射时间0.5～1h；

4)关闭低能电子辐射源，关闭真空系统，打开真空腔，取出低能电子辐射改性后的试样；

5)重复上述步骤3和4，得到5片低能电子辐射改性的聚酰亚胺试样；

将改性前后的聚酰亚胺试样各取5片，在温度298K、气压小于10^-4Pa真空腔内连续直流闪络20次以上，加压方式采取阶梯升压，梯度为100V/s，相邻两次闪络时间的间隔为60s，电极采用Φ20mm的圆形镀金膜电极，厚度为1μm，间距1mm。

采用本发明中的方法，经5keV低能电子辐射改性后的聚酰亚胺绝缘子试样真空直流沿面闪络电压均值较未辐射前可提高10％以上。

实施例6：

1)制备聚酰亚胺绝缘子试样，试样由聚酰亚胺粉体材料通过模压方法制备而成，试样尺寸大小为Φ100mm，厚度为1mm；

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10Pa、温度393K)、加热干燥处理24h，取出试样室温下置于干燥皿中静置12h；

3)将绝缘子置于低能电子辐射系统真空腔内，试样表面与电子束方向垂直，开启真空系统，待真空度达到5×10^-4Pa后，开启低能电子辐射源，对绝缘子试样表面进行辐射改性，电子束能量为20keV，辐射时间1h；

4)关闭低能电子辐射源，关闭真空系统，打开真空腔，取出低能电子辐射改性后的试样；

5)重复上述步骤3和4，得到5片低能电子辐射改性的聚酰亚胺试样；

将改性前后的聚酰亚胺试样各取5片，在温度298K、气压小于10^-4Pa真空腔内连续直流闪络20次以上，加压方式采取阶梯升压，梯度为100V/s，相邻两次闪络时间的间隔为60s，电极采用Φ20mm的圆形镀金膜电极，厚度为1μm，间距1mm。

采用本发明中的方法，经20keV低能电子辐射改性后的聚酰亚胺绝缘子试样真空直流沿面闪络电压均值较未辐射前可提高30％以上。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.低能量电子束在提高聚合物介质真空沿面闪络性能中的应用。

2.如权利要求1所述的应用，其特征在于，采用低能量电子束辐照聚合物，

所述低能量电子束的能量不大于20keV。

3.一种提高固体绝缘介质真空沿面闪络性能的方法，其特征在于，使用低能量电子束辐照绝缘子，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。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述聚合物为聚酰亚胺、聚四氟乙烯或环氧树脂中一种或多种的组合。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述辐照处理在真空条件下进行。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述真空条件为：气压小于5×10^-4Pa。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述辐照时间为0.5～1h。

8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述绝缘子表面深度＜10μm。

9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述绝缘子为线性均匀介质。