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聚四氟乙烯具有优异的绝缘性能和机械性能,是脉冲功率设备中的一种重要绝缘材料,但其在高电场和复杂环境下,表面容易积聚大量电荷,容易引发沿面闪络并可能造成绝缘失效,使设备的运行产生故障,造成安全问题和经济损失。无论是紧凑型、小型化的设备尺寸发展方向,还是高功率、高电压的设备性能发展方向,要求固体绝缘介质沿面耐压性能不断提高。因此,研究固体绝缘材料的表面电荷积聚和消散特性,并以此为理论依据寻找提高材料沿面耐压性能的方法,对脉冲功率技术的进一步发展有着十分重要意义。为了抑制聚四氟乙烯材料的表面电荷积聚现象,本文采用射频产生氮等离子体对其表面进行等离子体浸没离子注入以改善其表面性能,并通过对其表面成分和性能的各项测试分析,探究材料各表面因素与表面电荷积聚消散特性的关系。本文主要有以下创新点:(1)研制搭建了一套等离子体浸没离子注入系统,对聚四氟乙烯样品进行了全方位的氮离子均匀注入处理;(2)通过多种测试手段,从多个角度分析了等离子体浸没离子注入对聚四氟乙烯样品表面化学成分、物理性能的改变;(3)研制搭建了一套表面电位测量系统,其测量结果直观地反映出了聚四氟乙烯样品经离子注入处理后表面电荷积聚和消散特性的变化情况,并以此为基础计算了聚四氟乙烯样品表面陷阱能级参数,从机理上对表面电荷积聚消散特性进行分析。对氮离子注入前后的聚四氟乙烯材料样品进行了 X射线光电子能谱分析(XPS)、傅立叶红外光谱测试(FTIR)、水接触角测量、表面电阻率测量以及表面电位衰减测量,并基于等温表面电位衰减理论对其表面陷阱能级和密度分布进行了计算,以分析聚四氟乙烯样品经氮离子注入处理后其表面成分和物理性能的变化,并研究了这些变化对聚四氟乙烯样品表面电荷积聚和消散特性的影响。结果表明:氮离子注入处理后,聚四氟乙烯材料表面化学成分的主要变化是自身分子结构的破坏和转化,部分CF2结构转变为CF和CF3结构,导致样品表面陷阱能级变浅;水接触角升至140°左右,比未处理样品上升了约27°,表面电阻率降至3×1015Ω/□,比未处理样品下降了两个数量级;表面电晕放电1 min后,经氮离子注入处理的聚四氟乙烯材料表面积聚电荷量减少,消散速度加快,这是因为表面陷阱能级变浅有利于表面电荷脱陷,同时表面电阻率降低也对表面电荷沿面传导的消散过程起到了促进的作用。聚四氟乙烯样品表面陷阱能级分布曲线直观地反映出了其表面陷阱能级变浅,密度降低,也证实了这一论点。