真空、直流电压的电子辐射环境中聚酰亚胺材料的沿面闪络特性

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 作者:张振军

  为了提高聚酰亚胺材料(PI)在复杂工程环境下的可靠性,实验研究了真空电子辐射下PI 的直流沿面闪络特性,并采用热刺激电流(TSC)法测试辐射前后试样的陷阱参数。结果表明,当辐射电子能量在0.5~20 keV 范围内时,试样表面的闪络电压高于无辐射情况下的闪络电压;电子能量越高,介质表面正电荷密度和相对介电常数越小,陷阱深度增大,表面电场均衡性有所提高,因此闪络电压越高;在辐射电子能量不变情况下,束流密度越大,初始电子数越多,泄漏电流越大,则闪络电压越低。

  引言

  聚酰亚胺(polyimide, PI)是一种具有良好耐辐射、耐高低温、抗电晕腐蚀性能的优良电气绝缘材料,在航空航天工业、电力系统绝缘、航海电气设备结构、微电子及其他精密机械方面均得到了广泛应用。应用于航天器的PI 材料不仅受到原子氧腐蚀、强紫外线辐射、高低温转换等复杂条件的考验,在空间各种带电粒子的辐射下还会产生表面和深层带电现象,最终引发介质材料静电放电现象。在空间复杂辐射环境中,绝缘介质表面在极低直流电场下发生沿面闪络现象,这是当前发展高电压、大功率航天器所面临的一个瓶颈。

  近几年,学术界提出了多种真空中固体介质沿面闪络放电机理模型,国际上较认可的是二次电子发射雪崩(secondary electron emission avalanche, SEEA)模型。SEEA 模型认为,外加电场下由三结合点处(阴极末端、真空、介质表面三者结合处)场致发射初始电子并轰击介质表面引起二次电子发射;产生的二次电子在向阳极运动的过程中碰撞介质表面引起电子增殖过程,进而产生电子崩;电子刺激引起表面吸附气体解吸附并发生电离,进而引发闪络。另一著名模型为电子触发极化松弛(electron triggered polarization relaxation,ETPR)模型。该模型认为,介质中的陷阱电荷在电场作用下极化后积聚能量,由于介质材料不均匀且存在缺陷,使得空间电荷在外界扰动情况下发生电荷脱陷和介质去极化现象,进而引发闪络。国内学者也进行了大量研究,西安交通大学的张冠军等人提出闪络过程由材料体内和体外2 个过程共同作用,并阐述了表面状态对闪络具有重大影响。华北电力大学的丁立健等人提出了基于微放电的绝缘子沿面闪络发展模型。

  然而,由于空间环境的复杂性,介质材料在辐射环境下的表面放电特性远比大气环境下和纯粹真空下的复杂,上述理论也只介绍了空间环境下影响介质材料表面闪络电压的诸多因素中的1种或2种,对于其他因素,国外学者已经进行了一些相关方面的研究。但由于技术竞争和保密等因素,近年来国际上与此相关的公开文献极少,且公开文献与本文所得研究结果有些不同;而国内目前尚未检索到相关方面的研究成果。

  本文采用电子枪模拟空间环境中的低能电子辐射,研究电子能量、束流密度、试样表面陷阱能级、陷阱密度以及聚合物表面交联和脱气对真空直流沿面闪络电压的影响规律,获得了一些有价值的实验规律和数据。目前尚未检索到与本文研究相似的国内外文献。

  1、实验

  1.1、试样制备

  本研究采用中值粒径为50 μm 的SKPI-MS30型PI 模塑粉;先将模塑粉在200 ℃鼓风干燥箱里面干燥2 h 后,取适量粉末放入内径为100 mm 的模具中冷压成型,成型压力范围为10~15 MPa,成型时间范围为15~20 s;脱模取出试样后采用高温高压成型工艺得到厚度为1 mm 的纯PI 试样。

  将制作好的试样先用无水乙醇清洗后,再放入超声振荡器中用去离子水清洗30 min,然后将其放入真空温箱中(真空度10 Pa、温度约120 ℃)进行脱气处理24 h,最后在干燥皿中静置12 h。将处理完毕的试样用离子溅射仪冷溅射2 个间隔1 mm、直径20 mm、厚度约0.1 μm 的金膜薄电极。

  1.2、实验装置

  本实验在高真空(极限真空度10-5 Pa)高压(DC,0~−40 kV)电子辐射介质放电实验系统中进行。试样直径为100 mm,厚度为1 mm;电极直径为20 mm,厚度为1 μm。采用德国STAIB 公司的EFGH40EFGH40-20W 型电子枪(能量范围0~40 keV、束流在1~500 μA 范围内连续可调)。测量装置采用1 000:1 电阻分压器和示波器,阳极通过1 个50 Ω 的无感电阻接地,闪络电流通过示波器采集到的无感电阻上的电压信号换算得出,该实验系统示意图见图1。

实验系统示意图

图1 实验系统示意图

  1.3、实验方案

  1)真空DC 击穿实验

  在真空度优于5×10-4 Pa 的真空腔内连续闪络直到稳定,加压梯度为100 V/s,相邻2 次闪络时间间隔设定为30 s。

  2)电子辐射环境下的表面DC 击穿实验

  电子束能量分别取0.5、1、5、10、20 keV,每个电子能量下取5 组不同束流密度,分别为0.175、0.35、1.05、1.75、3.5 μA/cm2(因设备实际功能所限,在0.5 keV 和1 keV电子束能量时只取0.175 μA/cm2和0.35 μA/cm2 2 组束流密度)。每次辐射300 s 后开始负极性直流沿面击穿实验,实验过程中电子束能量从低到高调节,负极性直流电源升压梯度方式与无辐射时相同。

  3)测量辐射前、后在干燥皿中(20 ℃)静置12h 后试样的介电常数

  4)测量介质表面泄漏电流

  为避免流经试样内部体电流的干扰,采用GB/T1410—2006/IEC 60093:1980 中推荐的3 电极系统,电压采用1 kV 直流电压,测量电极与高压电极间隙为2 mm,如图2 所示。

表面泄漏电流测量原理图

图2 表面泄漏电流测量原理图

  4、结论

  1)有电子辐射时的真空直流沿面闪络电压高于无辐射情况下的闪络电压(当辐射能量为10 keV时,其闪络电压比无辐射时提高了87%);辐射电子能量越高,PI 材料沿面闪络电压越大;电子束流密度越大,PI 材料沿面闪络电压越小(当辐射能量为10 keV时,1.75 μA/cm2 束流密度下的闪络电压值比0.35μA/cm2 束流密度下的闪络电压值降低了18%)。

  2)随着电子束辐射能量的增加,介质表面正电荷密度和相对介电常数减小,陷阱深度增大,表面电场均衡性有所提高,这是沿面闪络电压增大的主要原因。

  3)随着电子辐射束流密度的增大,电场发生畸变,初始电子数和气体解吸附量增加,进而促进了闪络发展,降低了沿面放电电压。

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