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試，并分析了不同均壓結(jié)構(gòu)對樣品沿面電場和電子運(yùn)動軌跡的影響。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)場強(qiáng)隨著絕緣層與金屬層比例的增大有增大的趨勢，徑向電場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(jié)構(gòu)時，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Sandia 國家實(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)高壓開關(guān)和介質(zhì)壁加速器中。

　　美國Livermore 國家實(shí)驗(yàn)室開展了大量的實(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]對這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電場及電荷仿真，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，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，HGI 耐電強(qiáng)度要低。

　　國內(nèi)一些機(jī)構(gòu)也對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)場強(qiáng)可達(dá)190kV/cm；國防科技大學(xué)屈立輝等對高梯度絕緣結(jié)構(gòu)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(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)下的電場和電子運(yùn)動軌跡的仿真，進(jìn)而分析其對沿面閃絡(luò)電壓的影響。

　　1、實(shí)驗(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，最后對基礎(chǔ)玻璃進(jìn)行晶化處理，晶化溫度為700℃，晶化時間為1h，得到圓柱形陶瓷試樣。在晶化過程中要控制升溫速度，防止試品在晶化過程中開裂，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，裂紋很容易通過脆弱面進(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，同時施加一定的壓力，使絕緣子與金屬緊密結(jié)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試的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖3 所示，整個系統(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)際測試中，低壓臂的電壓信號通過了一個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)采用逐級加壓的方法，以Marx 發(fā)生器的充電電壓為標(biāo)準(zhǔn)，從4kV 開始，以0.5kV 為升壓單位，逐步提高輸出電壓，每個電壓等級下連續(xù)觸發(fā)3 次，在某個電壓下發(fā)生第一次沿面閃絡(luò)，稱為首次閃絡(luò)電壓Ufb，如果在第一次閃絡(luò)后沒有發(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，此時稱為完全閃絡(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試，同時對多層均壓結(jié)構(gòu)的電場分布和電子運(yùn)動軌跡進(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)場強(qiáng)隨著絕緣層與金屬層比例(I/M)的增大有增大的趨勢，徑向電場變化規(guī)律相反。

　　3)使用圓臺形絕緣子組成多層均壓絕緣結(jié)構(gòu)時，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)場強(qiáng)和殘余耐受場強(qiáng)均有大幅度提高，三個閃絡(luò)場強(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。