如何提升氧化鋁陶瓷絕緣子在高場(chǎng)強(qiáng)電真空環(huán)境中的耐壓能力？

發(fā)布時(shí)間 | 2025-09-30 13:55 分類 | 粉體加工技術(shù) 點(diǎn)擊量 | 88

氧化鋁

導(dǎo)讀：找具備相關(guān)技術(shù)服務(wù)能力的朋友。

在粉體工業(yè)萬(wàn)里行走訪中，我們收到一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)需求：“尋找在氧化鋁（Al?O?）陶瓷表面制備氧化鉻（Cr?O?）涂層的工藝方案，以提升氧化鋁陶瓷在高場(chǎng)強(qiáng)、電真空環(huán)境中的耐壓能力”。在此，小編先拋磚引玉聊一聊相關(guān)話題，歡迎具備相關(guān)技術(shù)服務(wù)能力的朋友與我們聯(lián)系對(duì)接。

高壓真空滅弧室氧化鋁陶瓷真空管(來(lái)源網(wǎng)絡(luò))

一、絕緣子耐壓劣化的“罪魁禍?zhǔn)住保貉孛骈W絡(luò)現(xiàn)象

氧化鋁絕緣子在高功率設(shè)備與高真空/電真空器件中同時(shí)承擔(dān)電絕緣與機(jī)械支撐作用，已成為裝置不可或缺的關(guān)鍵部件。然而在高真空及高場(chǎng)強(qiáng)條件下，其耐壓瓶頸往往不在材料本體，而在表面過(guò)程——最典型的就是沿面放電擊穿（即沿面閃絡(luò)）。

所謂沿面閃絡(luò)現(xiàn)象是指在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，固體絕緣子表面及其鄰域介質(zhì)（氣體/液體，真空中則伴隨表面脫附氣體與電子發(fā)射）被電離或?qū)щ娀烹娡ǖ姥毓腆w表面發(fā)展并跨越電極間隙，最終導(dǎo)致貫穿性擊穿與絕緣失效。該現(xiàn)象不僅顯著削弱高壓介質(zhì)設(shè)備的耐壓與運(yùn)行可靠性，造成潛在經(jīng)濟(jì)損失，也成為固體絕緣子向緊湊化、小型化發(fā)展的核心瓶頸。

從閾值對(duì)比看，沿面閃絡(luò)的起始電壓/場(chǎng)強(qiáng)通常遠(yuǎn)低于體擊穿或純介質(zhì)間隙的擊穿水平。例如：以真空作為絕緣介質(zhì)時(shí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)的臨界值大約在35kV/mm，氧化鋁陶瓷作為絕緣介質(zhì)時(shí)，體積穿場(chǎng)強(qiáng)的臨界值一般在30-40kV/mm，而在氧化鋁-真空絕緣體系中，外加場(chǎng)強(qiáng)往往僅達(dá)到上述臨界場(chǎng)強(qiáng)的十分之一到數(shù)分之一，就可能在絕緣子表面觸發(fā)沿面閃絡(luò)，甚至造成對(duì)Al?O?表面的局部破壞。

二、影響沿面閃絡(luò)電壓的因素

研究表明，影響沿面閃絡(luò)的因素主要包括：施加電場(chǎng)的波形與幅值、真空度及殘余氣體組成、電極的結(jié)構(gòu)與材料、絕緣子的幾何形狀與尺寸、絕緣子材料與表面特性（粗糙度、清潔度、吸附/污染、涂層）、預(yù)放電/烘烤等前處理，以及表面帶電狀態(tài)與表面氣體吸附等。

從材料研究視角，重點(diǎn)關(guān)注真空電子用陶瓷的材質(zhì)、形狀與表面特性。影響沿面閃絡(luò)的關(guān)鍵電學(xué)參數(shù)包括介電常數(shù)ε、電導(dǎo)率σ和二次電子發(fā)射系數(shù)δ（SEE）。一般而言：①介電常數(shù)較高會(huì)在電極–絕緣體–真空三相點(diǎn)處增強(qiáng)電場(chǎng)畸變，傾向于降低沿面閃絡(luò)閾值；②在適當(dāng)范圍內(nèi)，表面電導(dǎo)率升高可加速表面電荷消散、抑制起始，但過(guò)高則會(huì)增大泄漏電流并可能引發(fā)熱不穩(wěn)定，不利于耐壓；③依據(jù)SEEA模型，降低表面二次電子發(fā)射系數(shù)可削弱電子倍增，從而提高沿面閃絡(luò)電壓。

關(guān)于SEEA（基于SEE的放電機(jī)理模型）：二次電子發(fā)射雪崩模型由美國(guó)學(xué)者 Anderson 和Brainard等人最早提出，該模型認(rèn)為，在外加高壓電場(chǎng)作用下，從電極-絕緣子-真空三相結(jié)合點(diǎn)發(fā)射的初始電子獲得能量被加速并轟擊絕緣子表面，碰撞過(guò)程初始電子的能量到達(dá)一定閾值時(shí)，會(huì)形成二次電子發(fā)射，同時(shí)在絕緣子表面形成正電荷。二次電子在電場(chǎng)的作用下，再次轟擊絕緣子表面產(chǎn)生更多的次級(jí)電子，該過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，最終導(dǎo)致二次電子雪崩。

二次電子發(fā)射模型物理過(guò)程示意圖

三、氧化鋁陶瓷表面閃絡(luò)抑制技術(shù)

提高固體絕緣材料絕緣性能的關(guān)鍵在于保持基體絕緣性能的前提下，努力提高其沿面閃絡(luò)電壓。基于現(xiàn)有機(jī)理，提升路徑主要有兩類：①降低表面二次電子發(fā)射系數(shù)δ削弱電子倍增；②將表面電阻率設(shè)計(jì)在合適窗口，加快表面電荷消散，避免局部場(chǎng)過(guò)度集中與熱不穩(wěn)定。

與上述兩類“材料電學(xué)參數(shù)”并行，工程上常配套一類幾何/場(chǎng)分布控制的手段，用于降低三相點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)并延緩?fù)ǖ莱尚危纾涸谘趸X陶瓷絕緣子表面加工周期性波紋（或刻槽），可在不增大外形尺寸的情況下延長(zhǎng)爬電距離、平滑等勢(shì)線并降低三相點(diǎn)處的切向場(chǎng)強(qiáng)，同時(shí)打斷電子回返路徑、降低SEE的有效增益，從而延緩?fù)ǖ佬纬刹⑻孛骈W絡(luò)電壓。波紋棱頂需圓角化，避免新尖邊引入局部場(chǎng)增強(qiáng)。

來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

圍繞以上思路，表面改性已成為熱點(diǎn)：以制備功能涂層為主，輔以金屬離子轟擊、電子束輻照、表面氟化、等離子體處理、激光處理等。涂層可分單相/復(fù)相兩類，其中Cr?O?、Cu?O等單相功能層研究較多，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)低δ與可控表面電阻；這也回到開(kāi)篇話題——在Al?O?基體上構(gòu)建Cr?O?功能涂層，疊加上述“幾何/場(chǎng)分布控制”（如波紋/刻槽），可協(xié)同抬升沿面閃絡(luò)電壓與整體耐壓可靠性。相關(guān)涂層技術(shù)合作者，歡迎聯(lián)系交流。