PEI绝缘材料表面织构化及其对真空沿面闪络性能的影响

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真空沿面闪络是一种真空环境下沿绝缘子表面发生的贯穿性放电现象,闪络电压一般远低于真空击穿电压和绝缘材料的体击穿电压,已经成为限制脉冲功率技术发展的瓶颈问题。绝缘子表面微形貌是影响其真空沿面闪络电压的重要因素,通过在绝缘子表面进行表面织构化(特定微结构阵列构筑)方法研究,获得数十微米至数百微米的规整微结构阵列,探索微结构参数对沿面闪络性能的影响规律,对于优化绝缘材料表面微结构设计、理解沿面闪络抑制机理、推动绝缘材料表面织构化的实际应用具有重要意义。本论文以提升聚醚酰亚胺(PEI)绝缘材料真空沿面闪络性能为目标,采用激光微加工的方式在PEI绝缘材料表面进行了微槽和蜂窝微孔两种微结构阵列的精细化构筑,探索了表面织构化对PEI绝缘材料沿面闪络耐压性能的影响。同时采用大气压等离子体对PEI绝缘材料进行了表面改性处理,研究了等离子体作用后PEI表面形貌和表面成分的变化及对其真空闪络性能的影响规律。研究成果为PEI高性能绝缘子的研制提供了新的思路和方法。主要结论如下:(1)采用激光微加工的方法在PEI绝缘材料表面实现了三角形微槽织构化。研究了在波长355nm的紫外激光作用下,激光扫描速度、功率、离焦量以及作用次数等工艺条件对微槽宽度、深度及周期等结构参数的影响,在PEI绝缘材料表面实现了宽度从50微米到300微米周期性三角形微槽阵列的精细化构筑;采用脉冲高压测试平台研究了表面微槽结构对其真空沿面闪络性能的影响规律。绝缘子的耐压性能随着微槽深度与密度的增加而增加,随着微槽宽度的增加而减小。当微槽宽度约为50微米、深度约为40微米、周期约为70微米的条件下,PEI绝缘材料的闪络电压提高约160%。(2)采用激光微加工的方法在PEI绝缘材料表面首次实现了蜂窝微孔织构化。通过改变355nm紫外激光加工工艺参数在PEI绝缘材料表面构筑了不同深度、边长尺寸以及周期的蜂窝微孔,实现了边长尺寸为100~200μm正六边形蜂窝微孔阵列的可控构筑;研究了PEI绝缘材料表面构筑不同参数蜂窝结构阵列对其二次电子发射系数和真空沿面闪络电压的影响规律。结果表明,正六边形蜂窝结构构筑显著降低了材料表面的二次电子发射系数,实现了PEI绝缘材料真空沿面闪络电压的显著提升。随蜂窝尺寸的减小,深度的增加,周期的缩短,绝缘子的真空沿面闪络电压值呈上升趋势,最终使绝缘子的闪络电压提高了150%左右。(3)采用电离空气产生等离子体的方式对PEI绝缘材料进行了表面改性研究。研究了处理时间对PEI材料表面成分、形貌及真空沿面耐压性能的影响。结果表明,大气等离子体处理能够增加PEI绝缘子表面C-O、C=O等极性基团数量,并在PEI表面形成起伏微结构,造成粗糙度增加;成分与结构的改变引起绝缘子表面二次电子发射系数降低、表面电导率上升,并显著提升了PEI绝缘子的闪络电压,等离子体处理10秒使PEI绝缘子真空沿面闪络电压提升了60%以上。
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