多層均壓結構可加工陶瓷真空沿面耐電特性的實(shí)驗與仿真研究
真空中沿固體絕緣材料表面的閃絡(luò )電壓通常遠低于絕緣材料自身及相同長(cháng)度真空間隙的擊穿電壓，這一現象極大地限制了高壓真空設備的發(fā)展。將一種具有優(yōu)良可加工性能和良好耐電性能的可加工陶瓷引入真空絕緣領(lǐng)域，結合工程實(shí)際中的絕緣堆結構，加工制作了多層均壓結構；在納秒脈沖電壓下對不同多層均壓結構的樣品進(jìn)行了真空沿面耐電性能的測試，并分析了不同均壓結構對樣品沿面電場(chǎng)和電子運動(dòng)軌跡的影響。結果表明：多層均壓結構樣品的耐壓強度要高于圓柱形樣品，且其閃絡(luò )場(chǎng)強隨著(zhù)絕緣層與金屬層比例的增大有增大的趨勢，徑向電場(chǎng)隨該比例的增大而減��；使用圓臺形絕緣子組成多層均壓絕緣結構時(shí)，電子難以與樣品表面發(fā)生碰撞，閃絡(luò )的穩定性得到了一定程度的提高。
引言
絕緣子作為起支撐和絕緣作用的重要電氣設備，在X 射線(xiàn)管、高功率速調管、中子束二極管、脈沖功率開(kāi)關(guān)及加速器等眾多高功率器件和大型設備上得到廣泛的應用，而真空中絕緣子表面的沿面閃絡(luò )現象極大地限制了高壓電真空設備的發(fā)展進(jìn)程，其機制尚未完全被揭示，這極大地限制了脈沖功率裝置的發(fā)展。因此研究絕緣材料的沿面閃絡(luò )性能與機制，探索提高真空絕緣子閃絡(luò )電壓的方法和途徑，對脈沖功率裝置向小型化、緊湊化、高功率等方向的發(fā)展具有重要意義。
目前國際上采用的提高沿面閃絡(luò )電壓的方法有在絕緣表面進(jìn)行鍍膜加工、磁場(chǎng)閃絡(luò )抑制、不同的絕緣子角度、表面改性、電極處設置屏蔽及新型絕緣結構設計等。高梯度絕緣子(high gradient insulator，HGI)技術(shù)是美國Sandia 國家實(shí)驗室的Eoin Gray 于20 世紀80 年代基于均壓電極使表面電場(chǎng)分布更均勻的原理提出的，HGI 是由周期性的絕緣層和金屬層排列而成的。目前HGI 的研究已經(jīng)歷了原理性試驗，正從概念研究走向工程應用研究。HGI 具有較高的沿面耐電強度，現正被逐漸應用于大電流脈沖功率裝置、光觸發(fā)高壓開(kāi)關(guān)和介質(zhì)壁加速器中。
美國Livermore 國家實(shí)驗室開(kāi)展了大量的實(shí)驗研究和理論分析，以交聯(lián)聚苯乙烯(Rexolite)膜或聚酰亞胺(Cirlex)膜為絕緣層、不銹鋼膜為金屬層制作了薄膜型HGI，其沿面閃絡(luò )電壓可達到傳統絕緣子的4 倍，窄脈沖下可達到1000kV/cm 的耐壓強度。以色列Leopold 等人[13]對這種結構進(jìn)行了電場(chǎng)及電荷仿真，并采用鐵鎳鈷合金(Kovar)片(厚度為M)和氧化鋁片(厚度為I)多層疊片焊接制作了HGI，保證I/M 4mm 不變，而I 和M 可變，實(shí)驗發(fā)現，當I/M3 時(shí)，HGI 的耐電強度高于同樣高度的圓柱形絕緣子，而當I/M3 時(shí)，HGI 耐電強度要低。
國內一些機構也對HGI 進(jìn)行了理論和實(shí)驗研究。中科院的任成燕、嚴萍等人進(jìn)行了電場(chǎng)分析，并以聚酰亞胺膜為介質(zhì)層、黃銅為金屬層及聚全氟乙丙烯膜為介質(zhì)層、不銹鋼膜為金屬層制作了兩種方案的微堆層絕緣子試樣，老練后其閃絡(luò )場(chǎng)強可達190kV/cm；國防科技大學(xué)屈立輝等對高梯度絕緣結構進(jìn)行了初步的理論研究。
本文針對課題組研制的一種可加工陶瓷(machinable ceramic，MC)進(jìn)行了多層均壓結構的實(shí)驗研究。MC 在一定程度上兼顧了傳統氧化鋁陶瓷和聚合物材料的優(yōu)點(diǎn)并克服了其缺點(diǎn)，表面耐電性能明顯優(yōu)于傳統的氧化鋁陶瓷，適合用于真空絕緣。在納秒脈沖電壓下對不同均壓結構、絕緣層與金屬層不同比例(I/M)、不同絕緣子角度的多層均壓MC 樣品進(jìn)行了真空沿面耐電特性的研究，并進(jìn)行了上述不同結構下的電場(chǎng)和電子運動(dòng)軌跡的仿真，進(jìn)而分析其對沿面閃絡(luò )電壓的影響。
1、實(shí)驗設計
1.1、可加工陶瓷試樣制備及可加工性能
試驗所使用的試樣制備過(guò)程如下：采用高溫加料法，將石英坩堝隨爐升溫至1100~1200℃后加料，并升溫至熔煉溫度(1250~1300℃)，經(jīng)1~2h保溫后攪拌，再保溫0.5~1h 后澆注在經(jīng)預熱的鑄鐵模具上澆注成型，成型后迅速放入另一500℃的爐中進(jìn)行退火處理，最后對基礎玻璃進(jìn)行晶化處理，晶化溫度為700℃，晶化時(shí)間為1h，得到圓柱形陶瓷試樣。在晶化過(guò)程中要控制升溫速度，防止試品在晶化過(guò)程中開(kāi)裂，并確保所有試樣具有優(yōu)良的可加工性能。
MC 良好的可加工性能在于它獨特的晶體相結構，MC 表面經(jīng)掃描電子顯微鏡放大5000 倍后的形貌，如圖1 所示。MC 內部存在很多微小的氟金云母晶體，這些氟金云母晶體之間相互連接，而不同的云母晶體層面之間的結合力十分薄弱，在外應力作用時(shí)，裂紋很容易通過(guò)脆弱面進(jìn)行發(fā)展，而云母晶體可以控制裂紋的發(fā)展方向，阻止裂紋的自由擴展。因此，MC 內部氟金云母晶體的搭接結構是其可加工性能的本質(zhì)所在。
圖1 可加工陶瓷微觀(guān)結構圖
HGI 的制作工藝要求很高，在制作時(shí)要求用硅酸鋁以及鎳鉻合金電阻絲材料制作的圓柱形加熱器對絕緣子進(jìn)行加熱處理，同時(shí)施加一定的壓力，使絕緣子與金屬緊密結合，并且對絕緣材料表面進(jìn)行拋光處理，盡量避免瑕疵的存在。由于在制作過(guò)程中需要進(jìn)行加熱處理，所以一些不耐熱的高分子材料不適宜用來(lái)制作多層均壓絕緣材料。本文多層均壓MC 樣品的制作和Leopold 基本相同，采用較厚的MC 絕緣層和不銹鋼金屬層。通過(guò)數控機床加工制備了直徑10mm，厚度不等的MC 試品圓片和直徑為10mm，厚度不等的不銹鋼圓片，并直接依次疊放成多層均壓結構。樣品示意圖如圖2 所示。
圖2 多層均壓可加工陶瓷實(shí)驗樣品
1.2、實(shí)驗裝置與實(shí)驗程序
本文在納秒脈沖電壓下進(jìn)行多層均壓MC的真空沿面耐電特性測試的實(shí)驗系統示意圖如圖3 所示，整個(gè)系統由高壓納秒脈沖源、真空系統、試樣與電極系統和測量系統組成。
圖3 真空沿面閃絡(luò )試驗系統示意圖
本文兩電極之間施加的電壓為納秒脈沖電壓(45/450ns)，沿面閃絡(luò )實(shí)驗電極結構為平板結構，如圖5 所示。不銹鋼電極固定在聚四氟乙烯支架上，直徑為100mm，電極間距為試品的厚度，通過(guò)聚四氟乙烯支架將試品緊壓在兩電極之間，以保證盡可能減小試品與電極表面之間的氣隙。圖4 所示的平板電極裝置放置于氣壓小于0.5mPa 的真空腔內進(jìn)行實(shí)驗。施加在試品上的電壓和電流信號分別由電阻分壓器(分壓比為11001)和羅氏線(xiàn)圈獲得，在實(shí)際測試中，低壓臂的電壓信號通過(guò)了一個(gè)100 倍的衰減器后進(jìn)入示波器。
圖4 電極–試品結構圖
實(shí)驗前對樣品依次使用95%丙酮、酒精、去離子水進(jìn)行超聲波清洗，然后在100℃溫度下持續烘干2h，以保證試品表面的清潔。試品的沿面閃絡(luò )實(shí)驗采用逐級加壓的方法，以Marx 發(fā)生器的充電電壓為標準，從4kV 開(kāi)始，以0.5kV 為升壓?jiǎn)挝�，逐步提高輸出電壓，每個(gè)電壓等級下連續觸發(fā)3 次，在某個(gè)電壓下發(fā)生第一次沿面閃絡(luò )，稱(chēng)為首次閃絡(luò )電壓Ufb，如果在第一次閃絡(luò )后沒(méi)有發(fā)生閃絡(luò )，則繼續提高電壓，直到試品在3 次觸發(fā)下全部擊穿，此時(shí)稱(chēng)為完全閃絡(luò )電壓Uco，然后逐步降低輸出電壓，直到試品3 次觸發(fā)下都不發(fā)生閃絡(luò )現象，此時(shí)的電壓為試樣的殘余耐受電壓Uho。本文中每種樣品都至少進(jìn)行3 次沿面閃絡(luò )實(shí)驗以減小實(shí)驗數據的分散性，以3 次閃絡(luò )電壓的平均值作為每一個(gè)樣品的耐電特性。
4、結論
可加工陶瓷具有優(yōu)良的可加工性能，本文制備了多層均壓可加工陶瓷樣品結構，在納秒脈沖電壓下進(jìn)行了真空沿面耐電特性的測試，同時(shí)對多層均壓結構的電場(chǎng)分布和電子運動(dòng)軌跡進(jìn)行了初步的仿真，發(fā)現實(shí)驗結果與仿真具有較好的一致性。
1)多層均壓結構可加工陶瓷樣品的耐壓強度要高于圓柱形樣品的耐壓強度。
2)多層均壓結構可加工陶瓷樣品的閃絡(luò )場(chǎng)強隨著(zhù)絕緣層與金屬層比例(I/M)的增大有增大的趨勢，徑向電場(chǎng)變化規律相反。
3)使用圓臺形絕緣子組成多層均壓絕緣結構時(shí)，電子難以與樣品表面發(fā)生碰撞，實(shí)驗發(fā)現首次閃絡(luò )場(chǎng)強和殘余耐受場(chǎng)強均有大幅度提高，三個(gè)閃絡(luò )場(chǎng)強參數更為接近，閃絡(luò )的穩定性得到了一定程度的提高。
