一種提高聚合物和氧化鋁陶瓷真空沿面閃絡(luò)特性的方法
【專利摘要】一種提高聚合物和氧化鋁陶瓷真空沿面閃絡(luò)特性的方法。該方法利用電子回旋共振離子源引出的大面積均勻束，注入至聚四氟乙烯或氧化鋁陶瓷絕緣材料表面，對(duì)絕緣材料表面進(jìn)行改性。注入能量為80keV，注入離子為N離子和C離子。本發(fā)明可用于真空高壓絕緣器件領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】一種提高聚合物和氧化鋁陶瓷真空沿面閃絡(luò)特性的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高壓絕緣材料領(lǐng)域，具體涉及一種用于提高聚合物和氧化鋁陶瓷真空 沿面閃絡(luò)特性的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 絕緣子在遠(yuǎn)低于自身以及相同真空間隙的擊穿強(qiáng)度下就會(huì)發(fā)生沿面擊穿，這種沿 面閃絡(luò)現(xiàn)象嚴(yán)重制約著真空電氣系統(tǒng)的絕緣性能。長(zhǎng)期以來(lái)，存在于高壓真空電氣設(shè)備中 沿面閃絡(luò)現(xiàn)象一直是系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)無(wú)法回避的一個(gè)瓶頸問(wèn)題，更是解決設(shè)備小型化的一個(gè) 關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，研宄真空中絕緣子沿面閃絡(luò)現(xiàn)象及其形成機(jī)理，尋找提高其閃絡(luò)電壓的方 法，無(wú)論對(duì)于絕緣擊穿的理論研宄還是實(shí)際絕緣子的工程應(yīng)用都有十分重要的意義。
[0003] 目前研宄者在實(shí)驗(yàn)研宄的基礎(chǔ)上，提出了影響閃絡(luò)特性的幾種重要物理因素。這 些因素包括：施加電壓波形、絕緣體幾何形狀及長(zhǎng)度、絕緣體幾何面積、絕緣體表面處理、絕 緣體材料介電常數(shù)、絕緣體預(yù)放電處理、磁場(chǎng)作用、電極材料及其幾何形狀、多層高梯度絕 緣技術(shù)等。
[0004] 其中在研宄真空中絕緣子沿面閃絡(luò)現(xiàn)象時(shí)，表面處理有效改善絕緣子沿面閃絡(luò)特 性的幾個(gè)可能的機(jī)制有：①絕緣體表面二次電子發(fā)射系數(shù)降低；②消除表面介電性質(zhì)不均 勻狀況；③降低表面電阻率；④減少表面吸附氣體；⑤使表面層的空間電荷退陷阱化等。然 而，不同情況下主要是哪種機(jī)制在發(fā)揮作用以及通過(guò)哪種處理方式能夠有效達(dá)到上述效果 仍然是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
[0005] 離子注入技術(shù)是近30年來(lái)在國(guó)際上蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用的一種材料表面改性高 新技術(shù)。其基本原理是離子束入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系 列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面 成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而優(yōu)化材料表面性能，或獲得某些新的優(yōu)異性能。它的特點(diǎn) 為：①注入元素和添加元素可以任意選??；②注入過(guò)程不受溫度限制；③可精確控制注入 劑量和注入深度，容易實(shí)現(xiàn)大面積均勻摻雜；④適用于各種固體材料和粉末材料的改性要 求；⑤注入過(guò)程不改變工件原有的外廓尺寸精度。和傳統(tǒng)技術(shù)相比，它的機(jī)動(dòng)性，有效性， 以及不污染環(huán)境，特別適合于表面處理。目前在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)有數(shù)百 種成功工業(yè)應(yīng)用實(shí)例。
[0006] 在離子注入過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生輻照損傷、增強(qiáng)擴(kuò)散、化學(xué)鍵變化等效應(yīng)。離子對(duì)聚合 物表面的作用包括：（1)原子核的彈性碰撞及與電子的非彈性碰撞；（2)離子注入聚合物表 面，并失去能量靜止下來(lái)，形成復(fù)合層；（3)輻照引發(fā)聚合物表面分子間發(fā)生交聯(lián)；(4)高能 離子對(duì)聚合物表面分子鏈進(jìn)行剪切，生成揮發(fā)性低分子碎片并發(fā)生濺射；（5)引發(fā)表面形 成新的基團(tuán)或官能團(tuán)；(6)高能離子在聚合物內(nèi)注入后形成軌跡。這些作用使聚合物材料 表面的組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)性及化學(xué)鍵特征等發(fā)生變化，從而使聚合物具有表面敏感的機(jī) 械性能以及其他物理和化學(xué)性能。
[0007] 離子注入聚合物改性與聚合物表面耐壓性能相關(guān)的表現(xiàn)主要為：1)改變聚合物 表面形狀，提高粗糙度；2)改變聚合物表面的親水性；3)注入離子損失的能量可促使聚合 物材料的表面分子發(fā)生交聯(lián)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；4)提高非極性材料的表面電特性等。這 些改變與離子的種類、能量和劑量以及聚合物結(jié)構(gòu)相關(guān)。所以只要選來(lái)用作離子源的離子 種類合適，就可以在材料中加入合適的成分，使材料的性質(zhì)向我們所需要的方向改變。另 夕卜，打到材料中去的荷能荷電離子還可以通過(guò)電離作用，或通過(guò)與材料物質(zhì)原子核的彈性 和非彈性碰撞，在材料中引起電離、激發(fā)、位錯(cuò)和其他缺陷，從而通過(guò)材料成分和微觀結(jié)構(gòu) 的變化得到我們所需要的新材料或新物質(zhì)。
[0008] 目前常用的真空絕緣子材料有聚四氟乙烯、尼龍、塑料等聚合物材料，以及氧化鋁 陶瓷等無(wú)機(jī)材料，如何提高真空中聚合物、氧化鋁陶瓷絕緣材料的沿面閃絡(luò)電壓是目前廣 泛研宄的問(wèn)題，而利用離子注入技術(shù)來(lái)提高聚合物和氧化鋁陶瓷絕緣性能的報(bào)道極少，將 離子注入技術(shù)用于改善聚合物和氧化鋁陶瓷的真空沿面閃絡(luò)特性的研宄領(lǐng)域尚無(wú)人涉及。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是為了提高聚合物和氧化鋁陶瓷真空沿面閃絡(luò)特性，提出一種利用 離子注入技術(shù)對(duì)絕緣材料表面進(jìn)行改性的方法。本發(fā)明可引起聚合物和氧化鋁陶瓷表面性 能發(fā)生變化，改善其真空沿面閃絡(luò)特性，提高表面擊穿電壓。本發(fā)明具有應(yīng)用面廣、可靠性 高、工藝難度低、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0010] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0011] 一種提高聚合物和氧化鋁陶瓷真空沿面閃絡(luò)特性的方法，其特征在于，所述的方 法以電子回旋共振離子源（ECR源）作為離子源的離子注入系統(tǒng)，對(duì)絕緣材料試樣表面進(jìn)行 離子注入，注入能量為80keV。
[0012] 所述的絕緣材料試樣為聚四氟乙烯或氧化鋁陶瓷。
[0013] 對(duì)絕緣材料試樣表面注入的離子為N離子和C離子。利用SR頂離子注入軟件對(duì) SOkeV能量下的離子注入深度進(jìn)行了仿真計(jì)算，對(duì)聚四氟乙烯的絕緣材料，N離子注入深度 為2301埃，C離子注入深度為2725埃。對(duì)氧化鋁陶瓷的絕緣材料，N離子注入深度為1202 埃，C離子注入深度為1408埃。
[0014] 本發(fā)明采用離子源對(duì)絕緣材料試樣表面進(jìn)行離子注入改性，改性后的試樣表面粗 糙度、疏水性、電導(dǎo)率和表面結(jié)構(gòu)均發(fā)生變化。離子注入轟擊會(huì)產(chǎn)生輻照損傷和濺射效應(yīng)， 使材料表面粗糙度加大，表面越粗糙，形成的疏水性物質(zhì)越多，接觸角越大。較高的表面粗 糙度能夠阻止試樣表面充電，使得表面電荷形成電場(chǎng)減弱，電子撞擊材料表面的幾率減小， 產(chǎn)生的二次電子減少，沿面閃絡(luò)電壓也升高。聚合物經(jīng)過(guò)離子注入改性后，通過(guò)注入離子與 聚合物分子中原子和電子的相互作用，可以使聚合物表面發(fā)生分子鏈斷鏈、分子鏈交聯(lián)和 石墨化，斷裂的化學(xué)鍵會(huì)發(fā)生交聯(lián)在材料表面形成交聯(lián)層，交聯(lián)層的增加使材料表面變得 致密，相應(yīng)表面處的材料密度也會(huì)增加，它的作用是可以阻礙電荷的注入，提高擊穿場(chǎng)強(qiáng)； 離子注入還能夠填充材料中的勢(shì)能陷阱，降低材料中的陷阱電荷量?；谝陨蠙C(jī)理，本發(fā)明 采用離子注入表面改性，綜合影響絕緣材料的沿面閃絡(luò)特性，可以顯著提高其真空沿面閃 絡(luò)電壓，對(duì)聚四氟乙烯材料，真空沿面閃絡(luò)電壓可提高50%。
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果：
[0016] 1、離子注入元素可選擇性廣，包括C和N等元素均可作為提高沿面閃絡(luò)特性的注 入元素；
[0017] 2、注入過(guò)程不受溫度限制；
[0018] 3、本發(fā)明可精確控制注入劑量和注入深度，容易實(shí)現(xiàn)大面積均勻摻雜；
[0019] 4、本發(fā)明適用于各種固體材料和粉末材料的改性要求；
[0020] 5、注入過(guò)程不改變工件原有的外廓尺寸精度；
[0021] 6、和傳統(tǒng)技術(shù)相比，它的機(jī)動(dòng)性，有效性，以及不污染環(huán)境，特別適宜表面處理。
[0022] 本發(fā)明可用于真空高壓絕緣器件領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為離子注入表面改性前后的表面圖片，其中圖Ia為改性前的氧化鋁陶瓷試 樣，圖Ib?Id塊為改性后的試樣；
[0024] 圖2是利用水接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)改性前后的試品水接觸角的測(cè)量結(jié)果，圖2a為改性 前的水接觸角，圖2b?2d為改性后的水接觸角。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0026] 本發(fā)明實(shí)施例1和實(shí)施例2使用博銳恒電子科技有限公司生產(chǎn)的電子回旋共振離 子源作為離子源的離子注入系統(tǒng)，對(duì)聚四氟乙烯或氧化鋁陶瓷材料進(jìn)行表面改性處理。所 述的方法包括下述步驟：
[0027] (1)制備聚四氟乙烯或氧化鋁陶瓷絕緣材料試樣，該絕緣材料試樣的面積小于直 徑20cm的圓面積；
[0028] (2)對(duì)絕緣材料試樣清潔處理：首先用乙醇清洗，然后置于去離子水中超聲清洗， 再放入烘箱烘干；
[0029] (3)使用電子回旋共振離子源作為離子源的離子注入系統(tǒng)，對(duì)絕緣材料試樣表面 進(jìn)行離子注入，注入能量為80keV。
[0030] 實(shí)施例1
[0031] 1)準(zhǔn)備4片尺寸為55mmX25mmX5mm的聚四氟乙稀試樣，對(duì)該試樣表面進(jìn)行清潔： 首先用乙醇清洗，然后置于去離子水中超聲清洗，再放入烘箱烘干；
[0032] 2)將其中2片聚四氟乙烯試樣放置在離子注入系統(tǒng)的真空腔內(nèi)，試樣表面與離子 束方向垂直；
[0033] 3)開(kāi)啟尚子注入系統(tǒng)，用N尚子束轟擊試樣表面，尚子注入成星為80keV ;
[0034] 4)關(guān)閉離子注入系統(tǒng)，打開(kāi)真空腔，取出注入了 N離子的試樣；
[0035] 5)在離子注入真空腔中，放置其余2片聚四氟乙烯試樣，該試樣表面與離子束方 向垂直；
[0036] 6)開(kāi)啟離子注入系統(tǒng)，用C離子轟擊聚四氟乙烯試樣表面，離子注入能量為 80keV ；
[0037] 7)關(guān)閉離子注入系統(tǒng)，打開(kāi)真空腔，取出注入了 C離子的試樣。
[0038] 將經(jīng)離子注入的4片聚四氟乙烯試樣進(jìn)行真空沿面閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)，氣壓為 I. 5 X KT4Pa,電極間距為4mm，電極形狀為圓柱形，電極材料為黃銅。
[0039] 沿面閃絡(luò)電壓判斷：1)在同一個(gè)電壓等級(jí)下連續(xù)進(jìn)行十次放電實(shí)驗(yàn)，利用示波器 測(cè)量10次電壓波形，根據(jù)示波器上顯示的波形，以及肉眼觀察到的放電現(xiàn)象，判斷該試樣 發(fā)生沿面閃絡(luò)的次數(shù)并記錄；2)記錄發(fā)生沿面閃絡(luò)5次以上的最小脈沖電壓幅值，作為該 試樣在納秒脈沖條件下的閃絡(luò)電壓測(cè)試結(jié)果；3)繼續(xù)增加電壓，記錄10次均發(fā)生沿面閃絡(luò) 的最小脈沖電壓幅值，作為該試樣在納秒脈沖條件下的連續(xù)閃絡(luò)電壓測(cè)試結(jié)果。所測(cè)得的 結(jié)果如表2所示。
[0040] 表1聚四氟乙烯改性前后水接觸角變化

【權(quán)利要求】
1. 一種提高聚合物和氧化鋁陶瓷真空沿面閃絡(luò)特性的方法，其特征在于，所述的方法 以電子回旋共振離子源作為離子源的離子注入系統(tǒng)，對(duì)絕緣材料試樣表面進(jìn)行離子注入， 注入能量為80keV ; 所述的絕緣材料為聚四氟乙烯或氧化鋁陶瓷； 所述的注入離子為N離子和C離子。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高聚合物和氧化鋁陶瓷真空沿面閃絡(luò)特性的方法，其特征 在于，對(duì)聚四氟乙稀絕緣材料，N離子注入深度為2301埃，C離子注入深度為2725埃。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高聚合物和氧化鋁陶瓷真空沿面閃絡(luò)特性的方法，其特征 在于，對(duì)氧化鋁陶瓷絕緣材料，N離子注入深度為1202埃，C離子注入深度為1408埃。
【文檔編號(hào)】C04B41/80GK104446650SQ201410645878
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】徐蓉, 夏天威, 王濤, 王玨 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所