多層均壓結(jié)構(gòu)可加工陶瓷真空沿面耐電特性的實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)低于絕緣材料自身及相同長(zhǎng)度真空間隙的擊穿電壓，這一現(xiàn)象極大地限制了高壓真空設(shè)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(jié)合工程實(shí)際中的絕緣堆結(jié)構(gòu)，加工制作了多層均壓結(jié)構(gòu)；在納秒脈沖電壓下對(duì)不同多層均壓結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行了真空沿面耐電性能的測(cè)試，并分析了不同均壓結(jié)構(gòu)對(duì)樣品沿面電場(chǎng)和電子運(yùn)動(dòng)軌跡的影響。結(jié)果表明：多層均壓結(jié)構(gòu)樣品的耐壓強(qiáng)度要高于圓柱形樣品，且其閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)隨著絕緣層與金屬層比例的增大有增大的趨勢(shì)，徑向電場(chǎng)隨該比例的增大而減��；使用圓臺(tái)形絕緣子組成多層均壓絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，電子難以與樣品表面發(fā)生碰撞，閃絡(luò)的穩(wěn)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(shè)備，在X 射線管、高功率速調(diào)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(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用，而真空中絕緣子表面的沿面閃絡(luò)現(xiàn)象極大地限制了高壓電真空設(shè)備的發(fā)展進(jìn)程，其機(jī)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(jī)制，探索提高真空絕緣子閃絡(luò)電壓的方法和途徑，對(duì)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(guó)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(shè)置屏蔽及新型絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。高梯度絕緣子(high gradient insulator，HGI)技術(shù)是美國(guó)Sandia 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Eoin Gray 于20 世紀(jì)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(yàn)，正從概念研究走向工程應(yīng)用研究。HGI 具有較高的沿面耐電強(qiáng)度，現(xiàn)正被逐漸應(yīng)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(guó)Livermore 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)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(dá)到傳統(tǒng)絕緣子的4 倍，窄脈沖下可達(dá)到1000kV/cm 的耐壓強(qiáng)度。以色列Leopold 等人[13]對(duì)這種結(jié)構(gòu)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(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)I/M3 時(shí)，HGI 的耐電強(qiáng)度高于同樣高度的圓柱形絕緣子，而當(dāng)I/M3 時(shí)，HGI 耐電強(qiáng)度要低。

　　國(guó)內(nèi)一些機(jī)構(gòu)也對(duì)HGI 進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。中科院的任成燕、嚴(yán)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(qiáng)可達(dá)190kV/cm；國(guó)防科技大學(xué)屈立輝等對(duì)高梯度絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的理論研究。

　　本文針對(duì)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(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究。MC 在一定程度上兼顧了傳統(tǒng)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(tǒng)的氧化鋁陶瓷，適合用于真空絕緣。在納秒脈沖電壓下對(duì)不同均壓結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)下的電場(chǎng)和電子運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真，進(jìn)而分析其對(duì)沿面閃絡(luò)電壓的影響。

　　1、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　1.1、可加工陶瓷試樣制備及可加工性能

　　試驗(yàn)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(yù)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(duì)基礎(chǔ)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(dú)特的晶體相結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(jié)合力十分薄弱，在外應(yīng)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(kuò)展。因此，MC 內(nèi)部氟金云母晶體的搭接結(jié)構(gòu)是其可加工性能的本質(zhì)所在。

圖1 可加工陶瓷微觀結(jié)構(gòu)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(duì)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(jié)合，并且對(duì)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(shù)控機(jī)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(jié)構(gòu)。樣品示意圖如圖2 所示。

圖2 多層均壓可加工陶瓷實(shí)驗(yàn)樣品

　　1.2、實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)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(cè)試的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖3 所示，整個(gè)系統(tǒng)由高壓納秒脈沖源、真空系統(tǒng)、試樣與電極系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成。

圖3 真空沿面閃絡(luò)試驗(yàn)系統(tǒng)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(yàn)電極結(jié)構(gòu)為平板結(jié)構(gòu)，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(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。施加在試品上的電壓和電流信號(hào)分別由電阻分壓器(分壓比為11001)和羅氏線圈獲得，在實(shí)際測(cè)試中，低壓臂的電壓信號(hào)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(jié)構(gòu)圖

　　實(shí)驗(yàn)前對(duì)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(xù)烘干2h，以保證試品表面的清潔。試品的沿面閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)采用逐級(jí)加壓的方法，以Marx 發(fā)生器的充電電壓為標(biāo)準(zhǔn)，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(jí)下連續(xù)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(xù)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(xiàn)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(yàn)以減小實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jié)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(jié)構(gòu)，在納秒脈沖電壓下進(jìn)行了真空沿面耐電特性的測(cè)試，同時(shí)對(duì)多層均壓結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布和電子運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了初步的仿真，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真具有較好的一致性。

　　1)多層均壓結(jié)構(gòu)可加工陶瓷樣品的耐壓強(qiáng)度要高于圓柱形樣品的耐壓強(qiáng)度。

　　2)多層均壓結(jié)構(gòu)可加工陶瓷樣品的閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)隨著絕緣層與金屬層比例(I/M)的增大有增大的趨勢(shì)，徑向電場(chǎng)變化規(guī)律相反。

　　3)使用圓臺(tái)形絕緣子組成多層均壓絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，電子難以與樣品表面發(fā)生碰撞，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)首次閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)和殘余耐受場(chǎng)強(qiáng)均有大幅度提高，三個(gè)閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)參數(shù)更為接近，閃絡(luò)的穩(wěn)定性得到了一定程度的提高。