等離子體梯度氟化提升非均勻電場下環氧樹脂沿面閃絡性能的研究

謝 珂， 盧森微， 邵 春， 謝子豪， 宋巖澤， 閆紀源， 謝 軍

（1.貴州電網有限責任公司安順供電局，貴州 安順 561000；2.華北電力大學，河北 保定 071000）

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，各行各業對電力的需求與日俱增，亟需高效廉價的電力輸送方案[1-2]。高壓直流輸電適合遠距離大容量輸電，便于實現大范圍資源優化配置，對于架空線路難以架設的區域，多采用氣體絕緣輸電線路（gas insulated transmission line，GIL）實現直流高壓輸電[3]。環氧樹脂具有優良的熱學和力學性能以及良好的絕緣性能，因此常作為GIL絕緣子的原料[4]。

GIL中用于支撐高壓導桿和接地外殼的環氧盆式絕緣子通常被認為處于稍不均勻電場中，這是由于盆式絕緣子表面的微粒和缺陷會使局部電場發生畸變，進而形成非均勻電場[5]。非均勻電場使環氧樹脂表面不同位置承受的電場強度有所區別，但環氧樹脂的常規改性方法強調改性效果的均勻性，使得不同位置的絕緣需求難以匹配，因此對非均勻電場下絕緣材料沿面閃絡性能的提升有限[6]。若能根據非均勻電場的特點設計出表面參數呈梯度分布的絕緣材料，則有望進一步提升絕緣材料在非均勻電場下的沿面閃絡性能[7-8]。

國內外學者在梯度絕緣領域中通過各種方式使絕緣材料的電氣參數在空間上呈梯度變化，從而調控各區域的場強分布。DU B X 等[9]采用磁控濺射方法，控制BaTiO3涂層在絕緣子上不同位置的厚度，使絕緣子表面介電常數呈梯度分布，提升了絕緣子在交流電場下的沿面閃絡性能。LI J 等[10]實現了絕緣材料從高壓電極到地電極5個區域的表面電導梯度分布，有效調控了表面電場分布。張冠軍等[11]通過將高介電常數與低介電常數兩種材料進行混合，成功制備出擁有兩種梯度介電常數的樹脂體系。LI N等[12]采用疊層法制備出介電常數在空間中呈梯度分布的絕緣子，其在交流電壓和雷電沖擊電壓下具有更好的沿面閃絡性能。K KATO 等[13]通過離心法制備了介電常數呈梯度分布的絕緣子，通過仿真發現梯度絕緣子可以有效降低最大場強，并通過試驗證明了梯度絕緣子的擊穿電壓更高。Y MIYAJI 等[14]利用浸漬涂覆法構造出介電常數呈梯度分布的絕緣子，有效降低了交流電場下的最大場強。基于上述研究，結合表面改性技術，有望通過梯度化的表面改性手段，實現材料表面電氣參數的梯度分布。

氟元素在所有元素中具有最強的電負性，含氟基團對游離電子的吸附性極強，等離子體改性技術能夠安全高效地實現氟元素的接枝，因此諸多學者運用該技術將含氟基團引入到絕緣材料的表面上[15-18]。但目前關于等離子體氟化改性的研究大多關注材料表面處理的均勻程度[19]，而均勻改性的材料難以與非均勻電場下的場強分布匹配。綜上，將等離子體氟化改性技術與梯度絕緣理念相結合，可以安全高效地調控環氧樹脂不同位置的電氣參數，使絕緣子表面電氣參數呈梯度分布，從而提升環氧樹脂在非均勻電場下的沿面閃絡性能。

本文針對非均勻電場開展仿真研究，結合電場特點進行針對性的梯度改性方案設計，將等離子體氟化改性技術與梯度絕緣理念相結合，在傳統氟化改性的基礎上進行等離子體階躍型梯度氟化改性。通過實驗測量氟化前后環氧樹脂材料的物理形貌、化學特性及電氣性能。

1 實 驗

1.1 仿真建模與參數設置

1.1.1 仿真建模

使用針-針電極在外加直流高壓下產生非均勻電場，仿真建模時設置的各項參數盡量與實驗條件相同。利用仿真軟件構建了簡化的幾何模型，如圖1 所示。采用靜電場模型計算電場分布，滿足式（1）～（3）所示關系。

圖1 非均勻電場下的環氧樹脂幾何模型Fig.1 Geometric model of epoxy resin under non-uniform electric field

式（1）～（3）中：ε為絕緣材料的介電常數；E為電場強度；ρ為空間電荷密度；J為傳導電流密度；t為時間；e為元電荷量；n+和n-分別為正、負離子濃度。

根據電流的連續性，氣-固界面電荷密度可表示為式（4）[20]。

式（4）中：ρs為氣-固界面電荷密度；n為氣-固界面單位法向矢量；Jv為固體側電流密度；Jg為氣體側電流密度；γs為絕緣材料的表面電導率；Eτ為氣-固界面電場的切向分量。

式（4）考慮了固體側傳導、氣體側傳導和表面傳導3 種途徑對表面電荷積聚過程的影響[21]。對于固體側傳導，忽略環境溫度對材料的影響，即材料的體積電導率為常數，則固體側電流密度滿足式（5）。

式（5）中：γv為體積電導率。

對于電荷在氣體中的運動特性，本文采用稀物質場傳遞模型模擬電荷的產生、擴散和復合。根據文獻[22]，電荷運動方程滿足式（6）～（7）。

式（6）～（7）中：nIP為正、負離子的產生率；kr為正、負離子的復合系數；b+和b-分別為正、負離子的遷移率；D+和D-分別為正、負離子的擴散系數。

氣體側電流密度Jg滿足式（8）。

1.1.2 參數設置

環氧樹脂的相對介電常數為4.95；nIP為10 cm-3·s-1；kr為2.2×10-6cm3·s-1；n+和n-都為3.5×10-21mol·m-3；b+和b-分別為1.36 cm2·V-1·s-1和1.87 cm2·V-1·s-1；D+和D-分別為0.034 cm2·s-1和0.047cm2·s-1。

1.2 等離子體氟化改性

本文所用的環氧樹脂樣片均為本課題組自制。以雙酚A 型環氧樹脂（E-51）為基體，以甲基四氫鄰苯二甲酸酐（MTHPA）為固化劑，以2,4,6-三（二甲胺基甲基）苯酚（DMP30）為促進劑，以粒徑為100 μm 的氧化鋁為填料，并且基體、固化劑、促進劑、填料的質量比為100∶80∶1∶300。基體、固化劑和促進劑由上海樹脂廠有限公司生產，填料由上海超威納米科技有限公司生產。

通過等離子體介質阻擋放電（dielectric barrier discharge，DBD）改性平臺實現環氧樹脂的等離子體均勻改性和階躍型梯度改性，如圖2所示。

圖2 等離子體介質阻擋放電改性平臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of plasma dielectric barrier discharge modified platform

等離子體均勻氟化方法的改性步驟如下：首先取清洗烘干后的環氧樹脂樣片置于玻璃反應釜中，蓋上石英玻璃片并調節放電電極使兩個平板電極分別緊貼石英玻璃片上側和玻璃反應釜下側，然后設置Ar 氣體的流速為5 L/min，設置CF4的流速為0.5 L/min，并設置電源電壓為5 kV，電源頻率為53 kHz，并記錄處理時間。將氟化1、2、3、4、5 min的環氧樹脂樣片分別命名為F1、F2、F3、F4、F5。

采用等離子體階躍型梯度氟化方法改性時，先對樣片表面進行區域劃分，如圖3 所示。等離子體階躍型梯度氟化改性步驟如下：首先將清潔干燥的環氧樹脂樣片放入遮擋裝置中，遮住高場強區并露出中間低場強區，然后打開Ar 和CF4氣壓閥，用質量流量計設置Ar 的流速為5 L/min，CF4的流速為0.5 L/min，調節電源電壓為5 kV，頻率為53 kHz，對低場強區進行等離子體氟化并計時。處理完成后冷卻一段時間，調整遮擋裝置遮住中間低場強區并露出兩側高場強區，進行等離子體氟化處理并計時。將等離子體階躍型梯度氟化的樣片命名為Fxy-x，其中x為高場強區氟化時間，y為低場強氟化時間，如高場強區等離子體氟化3 min、低場強區等離子體氟化5 min，則樣片命名為F3-5-3。

1.3 樣片表面特性測試方法

通過掃描電子顯微鏡（sigma300 型，Zeiss公司）觀察樣片表面微觀形貌；用表面輪廓儀（ContourGTK C1100 型，Bruker 公司）測量表面粗糙度；通過X射線光電子能譜分析儀（Escalab250Xi型，賽默飛世爾科技公司）獲得樣片的表面元素成分和相對含量；通過高阻計（SM7110型，Hioki公司）測量樣片的表面電導率。

環氧樹脂沿面閃絡測試平臺和界面電荷聚散測試平臺由課題組自主搭建，如圖4 和圖5 所示。控制實驗環境溫度為25℃，相對濕度為30%。以0.1 kV/s 的速率勻速升壓，樣片發生沿面閃絡時立即斷電，通過示波器和高壓探頭捕捉并記錄閃絡電壓的波形和幅值。每種樣片進行10次閃絡實驗，取平均值作為該樣片的閃絡電壓值。

圖4 環氧樹脂沿面閃絡測試平臺示意圖Fig.4 Epoxy resin surface flashover test platform

圖5 環氧樹脂界面電荷聚散測試平臺示意圖Fig.5 Shematic diagram of epoxy resin interface charge dispersion test platform

界面電荷聚散測試平臺可測試樣片的表面電位衰減速率和表面電位分布。對于表面電位衰減速率測試，首先將樣片放置在可升降的接地平臺上，上表面與電暈充電針間距為7 mm，然后將電暈充電針尖調整到待測點位正上方，并設置充電電壓為-7 kV，持續時間為1 min。充電完成后通過二維運動裝置將靜電探頭移至充電點位上方2 mm 處，使用靜電計與采集卡記錄30 min 的表面電位衰減數據。對于表面電位分布測試，首先采用針-針電極進行加壓充電，充電電壓為-7 kV，持續3 min，然后通過二維運動控制裝置使靜電探頭進行折返式運動，掃描范圍覆蓋全部樣片，最后通過數據處理得到樣片的表面電位分布情況。

2 仿真與實驗結果

2.1 不同電導率分布仿真結果

首先研究環氧樹脂表面電導率呈均勻分布時的場強分布情況，分別設置環氧樹脂表面電導率為10-18、10-17、10-16、10-15、10-14S/m，得到的場強分布如圖6 所示，相對位置是指當前位置與左側針尖處的距離。

圖6 不同表面電導率時的環氧樹脂電場分布Fig.6 Electric field distribution of epoxy resin with different surface conductivity

從圖6可以看出，針-針電極產生的非均勻電場場強為對稱分布，近似呈現出階躍型梯度分布。以環氧樹脂表面電導率為10-18S/m 的場強分布為例，場強最大值出現在兩個針電極的針尖處，該位置為氣體、固體、電極的三結合點，最大值為36.11 MV/m。然而，在距離三結合點稍遠處的場強會發生驟降，在距離三結合點1 mm處的場強僅為1.31 MV/m，與最大場強相差27 倍，而場強最小值出現在3.5 mm處，為0.95 MV/m，相比1 mm 處的場強僅相差1.4倍。因此非均勻電場的場強可近似看成階躍型梯度分布。

將表面電導率設置成與非均勻電場相似的階躍型梯度分布，有望優化場強分布。由于場強為對稱分布，將兩個高場強區設置成同一表面電導率，低場強區設置為另一個表面電導率，使環氧樹脂的整體表面電導率呈現出階躍型的梯度分布。考慮到仿真對后續實驗的指導作用以及等離子體改性的精度，設置低場強區寬度為4 mm，每個高場強區寬度為1.5 mm。kh表示高場強區的表面電導率，kl為低場強區的表面電導率，高場強區的表面電導率和低場強區的表面電導率分別設置為10-18、10-17、10-16、10-15、10-14S/m，選取3 種電場分布如圖7 所示。從圖7 可以看出，當表面電導率呈階躍型梯度分布時，與均勻表面電導率分布不同，在高低場強交界處出現了電場畸變，畸變程度與高低場強的表面電導率差值有關，且最大場強也有一定程度的變化。

環氧樹脂的沿面閃絡性能與最大場強密切相關[23]，因此本文提取所有電場的最大場強并統一比較，結果如圖8 所示。從圖8 可以看出，最大場強隨高場強區表面電導率的增大而逐漸減小。當高場強區表面電導率一定時，低場強區的表面電導率越大，對應的最大場強越小，但降幅極小。如kh=1×10-17S/m、kl=1×10-18S/m 時對應的最大場強為25.12 MV/m，kh=1×10-17S/m、kl=1×10-14S/m 時對應的最大場強為24.90 MV/m，與前者相比僅下降了0.9%。而同樣令kl=1×10-18S/m，調整kh=1×10-14S/m 時，最大場強驟降至4.01 MV/m，下降了84%。綜上可知，提高環氧樹脂高場強區的表面電導率是降低環氧樹脂在非均勻電場下最大場強、優化場強分布的有效方法，這可以有效抑制場強畸變造成的絕緣失效，而低場強區的表面電導率對最大場強影響不大。

圖8 不同表面電導率分布下的最大場強對比Fig.8 Comparison of maximum field intensity under different surface conductivity distribution

2.2 表面微觀形貌測試結果

未處理樣片、等離子體均勻氟化樣片（F3）以及等離子體階躍型梯度氟化樣片（F3-5-3）的SEM 圖如圖9所示。

圖9 等離子體氟化前后環氧樹脂表面SEM圖Fig.9 SEM images of epoxy resin surface before and after plasma fluorination

從圖9 可以看出，未處理的環氧樹脂樣片表面有少量顆粒分布，但樣片整體較為平坦。經等離子體均勻氟化處理后表面存在大量的凸起和凹陷，樣片整體非常粗糙，說明等離子體氟化可以刻蝕環氧樹脂表面。等離子體階躍型梯度氟化后（F3-5-3）樣片高場強區的表面粗糙程度要低于低場強區，表面形貌呈現出了階躍型的梯度分布，這是由于高場強區等離子體氟化時間更短，刻蝕程度較低。而在高、低場強區之間存在著較窄的過渡區，寬度較小，本文認為該區域不會對環氧樹脂的電氣性能造成影響。

對于等離子體均勻氟化，不同處理時間樣片的表面粗糙度（Ra）如圖10所示。從圖10可以看出，未處理環氧樹脂的Ra為426 nm，而等離子體均勻氟化后表面粗糙度隨氟化時間呈單調遞增的趨勢，最高為F5 的1 055 nm。說明等離子體氟化可以刻蝕環氧樹脂的表面使其更加粗糙。對于等離子體階躍型梯度氟化，由于處理方法一致，只要對不同區域采用不同氟化時間，就會使樣片表面粗糙度值呈現出階躍型的梯度分布。

圖10 不同氟化時間下環氧樹脂表面粗糙度變化Fig.10 Variation of surface roughness of epoxy resin under different fluorination time

2.3 表面化學組分測試結果

等離子體均勻氟化前后環氧樹脂表面的XPS譜圖如圖11所示。從圖11可以看出，相比于未處理的環氧樹脂樣片，等離子體氟化后樣片的C1s 峰、O1s 峰和F1s 峰發生明顯變化，尤其是F1s 峰值明顯升高。計算出主要元素的相對含量如表1所示。從表1 可以看出，未處理的環氧樹脂樣片以C 元素為主，含有部分O 元素，這是因為環氧樹脂樣片為碳鏈交聯形成的三維網絡結構，并且填充了大量的微米氧化鋁。氟化后的環氧樹脂樣片表面F元素含量明顯上升，并且F 元素含量隨處理時間的增加不斷提高，最高可達到24.31%，說明等離子體氟化可以提高環氧樹脂表面F 元素的含量，并且處理效果隨處理時間呈單調遞增。

表1 等離子體氟化前后主要元素的相對含量Tab.1 Relative content of major elements before and after plasma fluorination%

圖11 不同氟化時間下環氧樹脂的XPS譜圖Fig.11 XPS spectra of epoxy resin under different fluorination time

對等離子體階躍型梯度氟化樣片（以F3-5-3 為例）高低場強區域分別進行了化學組分的測試，其XPS譜圖如圖12所示。

圖12 等離子體階躍型梯度氟化后環氧樹脂的XPS譜圖Fig.12 XPS spectra of epoxy resin after plasma step gradient fluorination

從圖12 可以看出，在樣片的高場強區、低場強區和未處理區域均發現了C1s、O1s 和Si2p 特征峰，經氟化后的高低場強區出現了F1s峰，說明高、低場強區域成功實現了氟化處理。而高、低場強區F1s峰面積又有所區別，這是因為等離子體氟化時間不同，氟化5 min 的低場強區含氟量要高于氟化3 min的高場強區，這與等離子體均勻氟化的結果大體相同，同時說明該樣片的化學組分已經呈現出了階躍型的梯度分布。

2.4 表面電氣性能測試結果

2.4.1 表面電導率

等離子體均勻氟化前后環氧樹脂的表面電導率測試結果如圖13 所示。從圖13 可以看出，未處理的環氧樹脂樣片表面電導率為3.11×10-18S/m，而經等離子體氟化后的樣片表面電導率顯著提升，并且提升效果與處理時間呈正相關，F5 樣片最高的表面電導率為6.89×10-16S/m，即等離子體氟化可使環氧樹脂的表面電導率在10-18～10-16S/m 進行調控，這一范圍在前文仿真設定的表面電導率變化范圍之內。

圖13 等離子體氟化前后環氧樹脂的表面電導率Fig.13 Surface conductivity of epoxy resin before and after plasma fluorination

2.4.2 沿面閃絡電壓

所有樣片的沿面閃絡電壓測試結果如圖14 所示。從圖14 可以看出，經等離子體氟化處理后，樣片的沿面閃絡電壓均高于未處理的環氧樹脂沿面閃絡電壓（9.45 kV）。

圖14 所有環氧樹脂的沿面閃絡電壓Fig.14 Flashover voltage of all epoxy resins

當高場強區處理時間相同時，隨著低場強區處理時間的增加，氟化后環氧樹脂的沿面閃絡電壓先升高后降低，且低場強區處理時間越接近3 min，樣片的沿面閃絡電壓越高，在處理時間為3 min 時，沿面閃絡電壓達到最高。當低場強區處理時間相同時，隨著高場強區處理時間的增加，樣片的沿面閃絡升高，且在高場強區處理時間為5 min 時沿面閃絡電壓達到最高。

綜合以上分析可知，高場強區處理時間越接近5 min、低場強區處理時間越接近3 min 的等離子體階躍型梯度氟化樣片，其沿面閃絡電壓提升得越多，因此在所有樣片中，F5-3-5樣片的沿面閃絡電壓最高，達到了12.01 kV，與未處理樣片的閃絡電壓相比提高了27.1%。

2.4.3 表面電位衰減及分布測試結果

本文運用等溫表面電位衰減法（isothermal surface potential decay，ISPD）測量電荷隨著時間的變化探究材料內部的電荷輸運特性及陷阱分布。陷阱能級ET與陷阱能級密度Qs的表達式如式（9）～（10）所示[24]。

式（9）～（10）中：kB為玻爾茲曼常數；T為絕對溫度，為299 K；v為電子嘗試逃逸頻率，其值為4.17×1013s-1；e為元電荷量；L為樣片厚度；ε0為真空介電常數；εr為樣片的相對介電常數。

表面電位衰減曲線滿足雙指數函數分布，可表示為式（11）。

式（11）中：φs(t)為表面電位；A、B、m、n均為擬合系數。

本文測量了等離子體均勻氟化樣片在0～30 min 的歸一化表面電位衰減情況，以及根據ISPD 理論得到的陷阱分布情況，分別如圖15 和圖16所示。

圖15 等離子體氟化前后環氧樹脂的表面電位衰減曲線Fig.15 Surface potential decay curves of epoxy resin before and after plasma fluorination

圖16 等離子體氟化前后環氧樹脂的陷阱能級分布曲線Fig.16 Trap energy level distribution curves of epoxy resin before and after plasma fluorination

從圖15可以看出，采用等離子體氟化可以加速環氧樹脂表面電位的衰減，衰減速率與氟化時間正相關。從圖16 可以看出，F1～F5 的陷阱能級密度峰值對應的陷阱能級深度分別為1.105 25、1.086 24、1.079 94、1.071 62、1.058 01、1.055 10 eV。隨著氟化時間的增加，等離子體氟化后樣片的陷阱能級深度逐漸減小，說明等離子體氟化可以一定程度淺化環氧樹脂表面陷阱能級深度。因此，等離子體階躍型梯度氟化可使環氧樹脂的表面電位衰減速率呈現出階躍型梯度分布。

未處理和等離子體階躍型梯度氟化樣片的表面電位分布情況如圖17 所示。從圖17(a)的x-y平面圖可以看出，未處理的環氧樹脂樣片經針-針電極充電后，掃描區域中出現了兩處明顯不同，分別是掃描區域中心偏左的低谷區和掃描區域中心偏右的高峰區，這兩處區域的中心恰好為針-針電極的針尖處。從圖17(b)的x-z平面圖可以發現，低谷區的表面電位要明顯低于樣片平均表面電位值，并且表面電位最低值出現在負極性針電極的針尖處，達到了-960 V。同樣高峰區的表面電位要高于樣片平均表面電位值，表面電位最高值同樣出現在接地針電極的針尖處，約為525 V。此外，其他掃描區域的表面電位值整體較低，其絕對值一般小于200 V，即未處理的環氧樹脂樣片表面在針-針電極的充電下出現了兩處界面電荷積聚點位，分別出現在兩個電極的針尖附近。

圖17 等離子體階躍型梯度氟化前后環氧樹脂的表面電位分布Fig.17 Surface potential distribution of epoxy resin before and after plasma step gradient fluorination

觀察等離子體階躍型梯度氟化后環氧樹脂表面電位分布情況，發現圖17(c)的x-y平面中表面電位的整體分布與未處理的環氧樹脂大體相同，同樣在兩個針尖附近出現了表面電位的高峰區和低谷區，但高峰低谷區的面積要稍大于未處理樣片，從圖17(d)的x-z平面圖中發現低谷區的表面電位值要小于未處理樣片，僅為-530 V，并且谷底附近相對平坦，而高峰區表面電位最大值雖然與未處理環氧樹脂相近，但峰頂附近同樣比未處理樣片平坦，說明等離子體階躍型梯度氟化后環氧樹脂的表面電荷積聚量減少，并且界面電荷的分布相比未處理樣片更加分散。

3 分析與討論

本文將未處理、等離子體均勻氟化和等離子體階躍型梯度氟化的環氧樹脂電氣性能進行綜合比較，找出改性前后電氣性能的變化規律，總結并進一步完善環氧樹脂沿面閃絡性能的提升機理。

首先，等離子體氟化可以提高環氧樹脂的表面電導率。通過仿真結果可知，提升環氧樹脂整體的表面電導率可有效降低非均勻電場的最大場強，而最大場強一定程度上決定了環氧樹脂表面發生放電的概率，最大場強越大越容易引發沿面閃絡[25]，因此提升環氧樹脂整體表面電導率可有效提高沿面閃絡電壓。從圖6～7可以看出，表面電導率呈階躍型梯度分布時同樣可以降低最大場強，降幅低于均勻處理的效果。但實驗表明，沿面閃絡電壓最高的樣片為等離子體階躍型梯度氟化后的環氧樹脂，這一結果說明，提升環氧樹脂表面電導率，進而降低最大場強只是提升環氧樹脂沿面閃絡性能的原因之一。

其次，等離子體氟化可以提高環氧樹脂的界面電荷消散速率，并且提升效果隨處理時間的延長而逐漸變強。界面電荷的大量積聚會嚴重畸變外部場強，促使環氧樹脂表面發生放電進而引發沿面閃絡，因此提升環氧樹脂界面電荷消散速率可有效提高沿面閃絡電壓。但實驗表明，等離子體氟化5 min的環氧樹脂界面電荷消散速率最快，但其沿面閃絡電壓卻小于等離子體氟化4 min 的樣片，并且所有樣片中沿面閃絡電壓最高的是高場強區等離子體氟化5 min、低場強區氟化3 min 的樣片，說明提高高場強區的界面電荷消散速率可以提高電氣性能，但低場強區的界面電荷消散過快反而會使沿面閃絡性能下降，即不同區域對界面電荷消散速率的需求不同，只有同時滿足各區域的需求才能提高環氧樹脂在非均勻電場下的沿面閃絡性能。

最后，通過環氧樹脂界面電荷分布情況可知，界面電荷往往大量積聚在高場強區附近，這些電荷會進一步提升該區域的場強，使環氧樹脂在非均勻電場下的沿面閃絡性能進一步下降。而等離子體階躍型梯度氟化可以通過提高高場強區的界面電荷消散速率來抑制該區域界面電荷的大量積聚，進而提升環氧樹脂的沿面閃絡性能。

總結以上內容，發現提升非均勻電場下環氧樹脂的沿面閃絡性能需要滿足3 點條件：一是通過提升表面電導率來降低最大場強；二是通過提升高場強區界面電荷消散速率來降低最大電荷積聚量；三是通過適當加快低場強區界面電荷消散速率來調控電極間電荷的遷移。采用等離子體均勻氟化方法雖然可以降低最大場強和提升界面電荷消散速率，卻忽視了界面電荷在不同區域的消散需求，因此對沿面閃絡性能的提升有限。而等離子體階躍型梯度氟化既可以通過構造階躍型梯度分布的表面電導率來有效降低最大場強，又可以通過改變處理時間調控界面電荷消散速率，使高場強區的界面電荷積聚情況得到有效抑制的同時，防止電荷在電極間快速遷移，使非均勻電場下環氧樹脂的沿面閃絡性能得到最大程度地提升。

4 結 論

本文通過仿真方法研究了針-針電極產生的非均勻電場的場強特性，制定出了等離子體的階躍型梯度氟化策略。通過等離子體介質阻擋放電平臺實現了環氧樹脂的均勻氟化和階躍型梯度氟化，并對改性前后的性能進行綜合對比，最后分析了等離子體階躍型梯度氟化能大幅提升環氧樹脂沿面閃絡性能的機理。主要結論如下：

（1）均勻提升環氧樹脂的表面電導率可有效降低非均勻電場的最大場強，但會影響環氧樹脂的其他電氣性能，導致沿面閃絡性能下降。

（2）等離子體階躍型梯度氟化可以調控表面電導率和界面電荷消散速率的空間分布，降低非均勻電場的最大場強，且能抑制高場強區的電荷積聚，提升沿面閃絡性能，效果優于均勻氟化。

（3）提升非均勻電場下環氧樹脂沿面閃絡性能需要滿足3 個條件：一是通過調控表面電導率的空間分布來降低最大場強，二是通過加快高場強區的界面電荷消散速率來疏散三結合點處的電荷，三是控制低場強區的界面電荷消散速率來限制貫穿性導電通道的形成。