等離子噴涂Al2O3涂層的電擊穿機理

郭 瑞， 梁 波， 趙曉兵， 楊英春， 季 珩， 鄭學斌

(1. 燕山大學 亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，河北 秦皇島066001;2. 常州大學 材料科學與工程學院，江蘇 常州213164;3. 中國科學院上海硅酸鹽所，上海200050)

電介質的介電擊穿作為絕緣材料的主要失效形式一直是人們研究的焦點。通過對絕緣陶瓷的探究已明確了諸如材料成分(相組成)、顯微結構(孔隙、結晶相缺陷、晶格變形、雜質、晶界或第二相界面)和環境(溫度和吸潮)等影響材料擊穿性能的因素［1～4］，提出了擊穿過程中介質內電荷運動的“電荷誘阱”理論［5］和基于“斷裂”模型的能量釋放理論［6］，并已能深入研究雜質含量對誘阱數量的影響［7］。熱噴涂Al2O3陶瓷涂層具有厚度可控、復合性能好、基體影響小、化學性能穩定、絕緣性能高、耐高溫等特點，適合制造電氣元件的絕緣涂層。在銅基體上噴涂Al2O3涂層，實現了導電與絕緣的綜合性能。但由于噴涂工藝和Al2O3材料自身特點，等離子噴涂的涂層具有高孔隙率和高含量的γ-Al2O3相［8～10］。一般而言，Al2O3材料孔隙率低于5%時，擊穿強度為常量，誤差為0.5 kV/mm;孔隙率從5%變化到15%時，擊穿強度由13 kV/mm 降低到6 kV/mm［4］。而γ-Al2O3為面心立方結構，容易吸附空氣中水分加速涂層絕緣衰退［8］。孔隙和吸潮對涂層絕緣性能有顯著影響，需要深入研究。

本研究利用大氣等離子噴涂工藝在銅基體上沉積了Ni 底Al2O3涂層。研究了涂層微觀結構和相組成與涂層擊穿過程的關系，分析了涂層的電擊穿機理，探討了孔隙和吸潮對Al2O3涂層擊穿性能的影響。

1 實 驗

1.1 涂層制備

噴涂設備為Sulzer Metco 公司生產的9M 大氣等離子噴涂系統，設備由ABB 機械手，9MB 等離子噴槍，5MPE 送粉裝置，9MC 控制柜，10MR電源柜組成。……