表面處理對可加工陶瓷真空沿面閃絡特性的影響

于開坤 張冠軍 穆海寶 鄭 楠 黃學增 馬新沛 山納康 小林信一

（1.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室 西安 710049 2.河南省電力勘測設計院 鄭州 450007 3.西安交通大學材料與工程學院 西安 710049 4.埼玉大學電氣電子系統學部 埼日本 玉縣櫻區下大久保255 338-8570）

1 引言

作為起支撐和絕緣作用的重要電氣設備，真空絕緣器件在X 射線管、高功率速調管、中子束二極管、脈沖功率開關、加速器等眾多高功率器件和大型設備上得到廣泛的應用，其性能直接影響到整個高壓電真空設備的整體性能[1,2]。

為解決較為復雜的絕緣結構的制造問題，本文作者成功研制一種低熔點可加工陶瓷，并將該材料引入電真空領域[3,4]。玻璃陶瓷(glass ceramics)又稱可加工陶瓷、微晶玻璃，是由適當玻璃原料熔煉后，經過熱處理控制結晶而制成的由微小晶體相和玻璃相所組成的一種無孔隙的復合材料，國外也做過一些相關的研究[5,6]，其制備方法、顯微結構和性能與有機材料和陶瓷材料都有差別，但又兼具有機材料的易加工特性和陶瓷材料的耐高溫特性。微晶玻璃良好的可加工性能在于其具有獨特的與天然云母類似的云母相組織結構，其切削性能與金屬相似，可形成像延性金屬材料一樣的連續帶狀切屑，從而在普通旋轉車削中實現了脆性玻璃陶瓷類材料的延展切削[4]。本課題組率先對可加工陶瓷的沿面閃絡特性進行了研究[7]，發現其表面耐電性能明顯優于傳統的氧化鋁陶瓷[8]。

本文作者和其他學者研究發現，改變材料的表面微觀結構以及材料的加工工藝，會對其真空沿面閃絡現象產生影響[9-14]。本文通過使用不同目數的水砂紙對可加工陶瓷表面進行打磨處理，制作幾組不同打磨方式的試品，分別為打磨方向與電極連線方向垂直、打磨方向與電極連線方向平行以及不對砂紙打磨方向進行控制的方法，使用超深度表面形態測定激光顯微鏡（KEYENCE，VK—8510）對試品的表面粗糙度進行測試，并實驗研究了不同粗糙度下試品的真空沿面閃絡電壓，分析不同目數的砂紙對試品表面粗糙度的影響，以及不同粗糙度試品的真空沿面耐電特性。

2 試樣準備及實驗系統

2.1 試樣準備

玻璃陶瓷組成成分中包括 SiO2-B2O3-Al2O3-ZnO-MgO-F 以及堿金屬氧化物，其主要成分為SiO2。實驗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1 100～1 200℃后加料，并升溫至熔煉溫度，經1～2h 保溫后攪拌，再保溫0.5～1h 后澆注在經預熱的鑄鐵模具上進行晶化處理，以確保所有試樣具有優良的可加工性能。實驗中可加工陶瓷試樣均是直徑 80mm，厚度為3mm 左右的圓形基片，作者在之前已經對該材料的真空沿面閃絡特性做了相應研究，本文取較優的加工工藝，晶化溫度取680℃，晶化時間1h[12]。

在使用水砂紙對材料表面進行打磨處理前，所有試樣表面均逐次使用氧化鋁紗布（100#）、金相拋光砂紙（400#和1 000#）進行拋光處理，砂紙打磨順序為從粗到細，每一種砂紙打磨20min 以保證試樣的表面平整以及粗糙度的一致。處理之后對各試品使用不同目數水砂紙重新進行表面打磨處理，所使用水砂紙分別為：100#、240#、400#、1 000#和1500#。實驗前，所有樣品都依次使用95%丙酮、酒精、去離子水進行超聲波清洗，然后在100℃溫度下持續烘干2h 以保證試品表面的清潔度以及表面狀況一致。

2.2 實驗裝置與實驗程序

通過使用日本高能粒子加速器研究機構（KEK）的超深度表面形態測定激光顯微鏡對不同的試品表面形貌進行觀測，對試品表面粗糙度進行測試。

真空沿面閃絡電壓研究中，電極選用圓形不銹鋼電極，電極間距為5mm，電極直徑為20mm。高壓脈沖裝置為單級Marx 發生器，輸出的沖擊電壓峰值最大可達到100kV，波形為0.4/2.4μs的雙指數脈沖波，使用無感電阻對電流信號進行測量，無感電阻阻值70mΩ。真空度在實驗過程中保持在5×10-4Pa 之下，真空試驗測量系統示意圖如圖1 所示。實驗條件與作者之前所做工作一致[10,12]。

圖1 真空閃絡試驗測量系統Fig.1 Flashover voltage measurement equipment sketch

采用逐步提高施加電壓的方法，對沿面閃絡現象進行研究。隨著施加電壓的逐漸提高，在某個電壓水平時出現偶然性閃絡，將此時實際施加在試樣上的電壓記為Ufb（首次閃絡電壓）；隨著電壓水平繼續提高，在某個電壓時每次沖擊都會發生沿面閃絡現象，將施加在該試樣上的前一個電壓水平的平均值記為試樣的完全閃絡電壓Uco，超過Uco的沖擊激勵必然會引起閃絡；達到完全閃絡后，開始逐步降低施加電壓，在電壓下降過程中，依然會發生沿面閃絡現象，通常會在降低到Uco之下的某一電壓時不再發生閃絡，將此時的電壓定義為試樣的殘余耐受電壓Uho。

本文中的每個測試點至少使用3 片試樣進行沿面閃絡實驗以減小實驗數據結果的分散性，計算出3 片試樣的閃絡電壓平均值以確保結果的可信性。實驗結果的置信區間在文章的圖中直觀給出。

3 實驗結果

3.1 表面粗糙度測試結果

通過使用超深度表面形態測定激光顯微鏡對不同砂紙打磨處理的試品表面粗糙度進行觀測，如圖2 所示。

圖2 不同處理試品表面圖像觀測及表面三維圖像Fig.2 3D images of the samples surface with different treatment

表1 以及圖3 為實驗測試的不同處理模式下試 品表面平均表面粗糙度Ra值，圖3 中顯示試品的表面粗糙度隨處理方式的不同變化規律明顯。

表1 不同處理試品平均粗糙度表征Tab.1 Average roughness of the samples with different treatment

圖3 試品表面粗糙度隨砂紙型號不同而變化Fig.3 The roughness change of the sample surface

圖2 形象地描述了在使用不同目數砂紙進行表面處理之后，材料表面形貌的變化，從圖中看出隨著砂紙目數的提高，材料的表面起伏逐漸平緩，表面粗糙度逐漸降低，并且試品的表面平整程度隨著砂紙目數的提高趨于飽和，對比表1 以及圖3 能夠看出，1 200#砂紙處理之后試品表面的粗糙度已經與1 500#砂紙處理的結果相近。可以想象，如再進一步增大砂紙的目數時試品的平均表面粗糙度Ra不會再有較大變化。而使用120#和240#砂紙處理試品表面時試品的表面粗糙度差距較大。

3.2 不同粗糙度試品沿面閃絡電壓測量

為全面了解試品表面粗糙度對其沿面閃絡特性的影響，本文使用三種打磨方式對試品表面進行粗糙處理，分別為砂紙打磨方向與電極連線方向垂直、打磨方向與電極連線方向平行以及不對砂紙打磨方向進行控制的方法。圖4 繪出了前兩種較為規則的砂紙打磨方法處理后試品表面狀況示意圖。

圖4 砂紙打磨方向與電極中心連線位置示意圖Fig.4 The sketch of sandpaper treatment direction

本文中研究粗糙度對試品真空沿面閃絡電壓影響時，電極直徑仍取20mm，電極間距取5mm。表2 給出了上述兩種不同處理方式下，不同表面粗糙度試品對應的真空沿面閃絡電壓數值。

表2 不同粗糙度試樣的沿面閃絡電壓值Tab.2 The flashover voltage of the samples with different surface roughness

表3 為上述兩種不同處理方法以及不對打磨處理方向控制時試品的真空沿面閃絡電壓在使用同一種砂紙打磨時，試品沿面閃絡特征電壓取平均值，并比較不同處理情況下試品的真空沿面特性。

從表2 和表3 可以看出，試品的沿面閃絡電壓值隨著試品表面的粗糙度的改變而變化。幾種不同處理方式下的試品雖然所測結果有所不同，但其沿面閃絡電壓均具有隨著表面粗糙度的增大而提高的趨勢，圖5 為通過幾種實驗方法獲得的數據點繪制的閃絡電壓分布曲線。

表3 幾種不同處理方式下閃絡電壓平均值Tab.3 The average flashover voltage of the samples with different treatment

圖5 不同粗糙度試樣的沿面閃絡電壓值Fig.5 The flashover voltage of the samples with different surface roughness

從圖5的數據及表2、表3 能夠看出，當打磨方向與電極連線方向垂直時，試品的沿面閃絡電壓總體上提高最大，但此時所測量的試品的真空沿面閃絡電壓數值隨粗糙度的改變有反常的結果，如使用最粗的100#砂紙進行處理時，其完全閃絡電壓Uco均值為 37.91kV，比 240#砂紙處理之后的40.93kV 低。對于砂紙處理方向與電極連線平行的試品，在砂紙較細的情況下，沿面閃絡電壓變化不大，只有到砂紙較粗時，即大于240#之后才有明顯的提高。在不對砂紙處理方向進行控制的情況下，所測的真空沿面閃絡電壓的數值在趨勢上與前兩種方法一致。這主要是由于，使用砂紙的方法對表面進行處理時表面粗糙度控制起來較為困難，而真空沿面閃絡電壓的分散性本就較大，這樣導致所測量的結果會有些出入，只有經過大量的實驗作出統計才能夠獲得一個較為合理的趨勢。如對這幾種方法的實驗結果進行綜合統計，這樣每個粗糙度點會有9 個數據進行平均，從而能夠獲得較為接近實際的結果。對幾組結果進行平均后獲得的數據，從表3中的結果能夠看出，隨著試品表面粗糙度的提高，試品真空沿面閃絡電壓逐步提高。

4 實驗結果分析

通過改變試品表面粗糙度的方法能夠對試品的真空沿面閃絡電壓產生影響，從實驗結果來看，試品的沿面閃絡電壓隨著其表面粗糙度的增大而提高。從兩方面可以對此進行解釋：

首先，提高試品表面的粗糙度能夠增大從陰極發射的電子在電場中的運動路徑，并相應增大電子的爬電距離，從而提高了試品的真空沿面閃絡電壓，這與空氣中絕緣子通常使用傘群的辦法來提高絕緣子的爬電距離，進而提高其沿面閃絡電壓的方法類似。比較垂直和平行于電極連線兩種打磨方式，垂直打磨時獲得的沿面閃絡電壓最高，這可以認為是由于使用這種方法處理試品表面，在相同型號砂紙下造成電子通過試品表面時的爬電距離最大，并且不易在電極連線方向產生貫通性的導電通道。

其次，通過改變試品表面的粗糙度，根據二次電子發射雪崩（SEEA）模型[2]，電子在從陰極向陽極運動的過程中其運動軌跡發生變化，由于表面的凹凸不平造成電子在碰撞試品表面時有可能產生漫反射現象，出現彈性散射電子與非彈性散射電子混入次級電子之中的情況，如圖6 所示，此時真二次電子在整個次級電子中所占的比例會有所減少，并且由于二次電子再次碰撞材料表面的行進距離減小，從外電場獲得的能量減小，碰撞時的平均能量降低，減少此時材料的二次電子的發射，從而達到降低材料表面電荷積聚、提高試品沿面閃絡電壓的目的。并且由于粗糙度增大后表面的一些微孔等因素的存在，能夠吸附少量次級電子，達到降低二次電子發射系數的作用[15]。

圖6 不同粗糙度試品表面的二次電子發射示意圖Fig.6 The secondary electric emission of the samples with different surface roughness

Rodney Vaughan[16]給出了不同電子入射角度θ情況下二次電子發射率表達式為

式中，ks表示材料表面的光滑因子，取值范圍0～2（其中0 為紋理碳，1.5～2 表示拋光的或晶體表面，一般材料取值為1），從上式中能夠看出，在其他因素不變的情況下，對于粗糙度較大的材料其ks較小，此時電子在非垂直入射情況下δmax(θ）變化較小。可以認為，對同一種材料，當入射角度隨機變化時材料表面越粗糙，其表面的平均二次電子發射系數減小，該結論與上述分析相對應。

從改變絕緣材料的表面狀況方面出發，作者曾通過使用激光處理的方法對氧化鋁陶瓷表面進行處理，并獲得了較好的實驗結果[10]，實驗發現，使用CO2準分子激光對氧化鋁陶瓷表面進行掃描能夠有效提高試品的真空沿面閃絡電壓，作者發現當對材料表面施加的激光能量合適、掃描密度調節得當時，通過偏光顯微鏡觀察到的材料的表面粗糙度增大，氧化鋁陶瓷的真空沿面閃絡電壓能夠得到較大幅度的提高。

5 結論

本文主要從改變試品表面狀況的方法出發，探索提高可加工陶瓷材料真空沿面閃絡電壓的方法。

實驗結果顯示：使用不同目數的砂紙對可加工陶瓷試品表面進行打磨處理，能夠改變試品的表面粗糙度，隨著使用的水砂紙的目數的提高，試品表面的起伏，試品的表面粗糙度降低，且隨砂紙目數的增高，試品表面的平均粗糙度Ra逐漸趨于飽和，通過測量不同粗糙度下試品的真空沿面閃絡電壓，能夠看出隨著可加工陶瓷試品表面粗糙度的提高，試品的真空沿面耐電特性逐漸提高。其主要原因是由于表面的凹凸不平造成電子在碰撞試品表面時有可能產生漫反射現象，出現彈性散射電子與非彈性散射電子混入次級電子之中的情況，并最終導致材料表面的二次電子發射系數降低。

致謝：本文中試品的表面粗糙度的測量在日本高能加速器研究機構（KEK）完成的，得到了Yoshio Saito 教授和Shinichiro Michizono 博士的幫助，作者對此表示感謝。

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