学术简报︱表面粗糙度对聚合物材料真空沿面闪络特性的影响

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摘要

中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室、中国科学院大学的研究人员胡多、任成燕、孔飞、严萍、邵涛，在2019年第16期《电工技术学报》上撰文指出，表面粗糙度作为反映材料表面状态的重要参数，与材料的真空沿面闪络特性有着密切的联系。为研究表面粗糙度对聚合物材料真空闪络特性的影响规律及影响机制，采用不同目数的砂纸制备了不同表面粗糙度的聚四氟乙烯、有机玻璃和聚酰胺样品，测量不同粗糙度样品的表面绝缘关键参数，如表面形貌、表面电位、陷阱参数及二次电子发射系数；开展不同粗糙度样品的真空沿面闪络实验。

对打磨前后样品表面参数的分析结果表明：表面粗糙度对样品表面电位及陷阱参数的影响与粗糙度范围及材料种类有关，同时，表面粗糙度对材料的二次电子发射系数也有一定的影响。在一定范围内提高材料表面粗糙度能够提高材料的真空沿面耐压，真空耐压的提高和材料表面的电荷衰减、陷阱能级及二次电子发射特性均直接相关。实验结果可为分析材料表面状态对沿面绝缘的影响及材料的改性提供一定的参考。

真空中固体绝缘材料与真空交界面上的沿面放电发展成贯穿性击穿，即沿面闪络。沿面闪络现象的存在使真空和聚合物材料的介电强度不能得到充分利用，并对设备的稳定运行产生威胁。

表面粗糙度对绝缘材料真空闪络特性的影响已引起国内外研究者长期且广泛的关注。

  • J. D. Smith等对不同材料的闪络实验结果表明：通过无序打磨增加表面粗糙度能提高有机玻璃的真空闪络电压，但CelconTM制备的绝缘子却与之相反。

  • O. Yamamoto等试验了多种材料，最终发现增加表面粗糙度有利于提高闪络电压；但同期丁立健等的研究结果表明，较低表面粗糙度的氧化铝绝缘子具有较高的真空沿面耐压。

  • T. Hosono等研究了不同电场分布时表面粗糙度对氧化铝绝缘子表面带电的影响，提出了增加表面粗糙度和优化电场可减弱表面带电的观点。

  • 张冠军等研究了表面粗糙度及打磨方式对绝缘材料真空闪络特性的影响，先后得到了可加工陶瓷真空沿面耐压随表面粗糙度提高而提高、不同粗糙度范围时打磨方式对闪络影响不同,以及氧化铝填充环氧树脂表面粗糙处理可抑制表面电荷积聚并提高沿面耐压的结论。

自1951年至今，关于真空闪络的理论和实验已有大量的研究。真空闪络特性与材料表面众多方面（如表面二次电子发射系数、陷阱参数、表面形貌、表面介电常数等）联系密切，基于这些方面也发展了许多提高真空沿面耐压的方法，如绝缘材料表面氟化、表面等离子体处理、体掺杂、离子交换、表面刻蚀/刻槽等。但是，由于上述众多方面对闪络的影响可能存在一定的耦合关系，这样使实验结果分析复杂化，导致材料表面特性究竟如何影响闪络过程仍未有确切的结论。

目前研究者关于表面粗糙度对材料真空闪络特性影响的观点不尽相同，同时表面粗糙度影响真空闪络的机制也很少涉及；另一方面，对于现有的提高真空沿面耐压的方法而言，在改变材料表面参数或结构的同时，表面粗糙度也难免不被改变，由此有必要针对表面粗糙度对材料真空沿面绝缘的影响开展进一步的研究。

聚合物电介质因其优良的绝缘特性和力学性能在电气设备中得以广泛应用，聚合物材料的真空闪络性能和其本征特性及表面状态直接相关。考虑到表面粗糙度对真空闪络的影响可能与材料种类有关，本文选用聚四氟乙烯（PTFE）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚酰胺（PA6）三种材料开展研究，这三种材料代表了非极性（PTFE）、极性（PMMA/PA6）及具有不同表面能和介电常数（PA6＞PMMA＞PTFE）的电介质。

本文采用砂纸打磨的方式改变了PTFE、PMMA、PA6的表面粗糙度，测量了打磨前后绝缘试样的表面陷阱参数及二次电子发射系数等参数，同时对打磨前后的样品开展了真空沿面闪络实验，最后从二次电子发射、表面电位衰减、陷阱参数变化等方面分析了表面粗糙度对闪络的影响。

图1  指型电极结构

图7  表面粗糙度对真空闪络过程的影响

总结

本文采用砂纸打磨的方式对几种聚合物材料进行表面粗糙度处理，测试了不同粗糙度样品的表面电位衰减特性、二次电子发射系数及表面形貌等参数，进行了不同粗糙度样品的真空沿面闪络实验。主要结论如下。

  • 1）打磨材料表面引起的粗糙度变化会影响材料表面的电位衰减特性和陷阱参数；对于PTFE和PMMA，随着表面粗糙度增加，表面电位衰减速度先增加后减小，表面陷阱能级先变浅后略微变深；对于PA6，处理后材料表面的电位衰减速度减慢，陷阱能级略变深。

  • 2）打磨材料表面引起的粗糙度变化会影响材料表面的二次电子发射特性；在1μm范围内，随着表面粗糙度增加，PTFE的二次电子发射系数出现先增加后降低的趋势，分界点在0.7μm附近；表面粗糙度从影响电子实际入射角度和阻碍二次电子运动方面改变材料的二次电子发射系数。

  • 3）对于PTFE，表面粗糙度增加至0.8μm以上时能提高其真空沿面耐压；对于PMMA和PA6，粗糙度增加至0.4μm附近时能提高其沿面耐压。1μm粗糙度范围内，聚合物材料的真空沿面耐压性能受其表面电荷衰减特性、陷阱能级分布和二次电子发射特性等因素共同影响；粗糙度大于0.7μm时，二次电子发射特性影响占主导作用。

致谢：本文中二次电子发射系数的测量工作是在西安交通大学翁明老师大力支持下完成的，在此表示衷心的感谢。

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