等离子体表面梯度硅沉积对环氧树脂电气性能的影响

环氧树脂作为常见的绝缘材料,在高压直流电场作用下易在其表面积累电荷,发生电场畸变,导致材料绝缘性能下降,影响电力系统运行可靠性。为改善气固界面的电荷特性和绝缘性能,在大气压等离子体射流技术的基础上,对环氧树脂表面进行等离子体梯度硅沉积处理。对改性前后环氧树脂表面理化特性、表面电导率、表面电荷消散和沿面耐压特性进行了多参数测量。实验结果表明,梯度改性对材料表面的物理形貌和化学组分均有明显影响,不同区域的电导率实现了梯度分布,加快了表面电荷消散速度,表面陷阱能级变浅;梯度改性后的样品沿面闪络电压提升幅度可达30.16%。通过等离子体表面梯度硅沉积处理能够改善环氧树脂表面电气性能,在高压直流设备的绝缘设计方面具有广阔的应用前景。     

等离子体介质阻挡放电氟化改性环氧树脂的时效性

等离子体对材料的改性效果随放置时间会有所减弱,即表现出一定的时效性,限制了等离子体改性技术的进一步发展。为了探究等离子体介质阻挡放电（DBD）氟化改性环氧树脂的时效性,利用等离子体介质阻挡放电实现了环氧树脂表面氟化改性,并利用扫描电镜（SEM）、表面轮廓仪、X射线光电子能谱分析（XPS）、接触角测试仪、高阻计和闪络电压、表面电位测试系统对改性前和改性后放置在25 ℃老化箱中0～30 d的环氧树脂表面进行了物理形貌和化学组分的表征以及电气性能的测试。测试结果表明,DBD氟化改性实现了氟元素在环氧树脂表面接枝,这使得环氧树脂表面能降低,表面电阻率减小,陷阱能级变浅,从而加快了表面电位衰减速度,进而提升了沿面闪络电压。同时,等离子体DBD氟化改性环氧树脂表现出一定的时效性,放置30 d后,氟元素含量减少,表面能增大,表面电位衰减速度略有减慢,闪络电压也有所下降,但仍高于未处理的试样。     

表面喷砂对有机玻璃沿面闪络性能影响

绝缘子表面粗糙处理是提升其沿面闪络性能的重要途径,表面粗糙化处理方式不当,极易带来表面结构不均匀,难以获得稳定耐压性能的绝缘材料。为提升绝缘子表面粗糙处理的均匀性,本文利用表面喷砂技术对圆柱形有机玻璃（PMMA）绝缘子进行了粗糙化处理研究,以球形二氧化硅（SiO₂）颗粒为工作介质,研究了不同喷砂粒径、氢氟酸后处理等因素对绝缘材料表面形貌和组分的影响,并利用短脉冲高压测试平台对喷砂处理前后有机玻璃绝缘子样品进行了真空沿面闪络性能测试。研究结果表明,喷砂处理在有机玻璃表面形成了较为均匀的凹坑,HF酸能够有效去除表面残留的SiO₂颗粒,具有表面喷砂粗糙结构的绝缘子沿面闪络电压得到了稳定提升,相较于未处理的绝缘子闪络电压提升了约80%。     

固体绝缘子的真空沿面闪络研究

针对在高压设备中因沿面闪络现象而发生绝缘失效的问题,对沿面闪络现象中的基础特性测量手段、影响因素及其发生机制等关键问题进行了归纳总结,介绍了目前关于沿面闪络观测手段及其影响因素研究的主要进展,并对沿面闪络过程的具体机制以及表面电荷在沿面闪络过程中扮演的作用进行讨论。其中,外在因素、电极-介质界面层因素以及真空-介质表面层因素等三大类因素在影响沿面闪络的同时也对表面电荷积聚消散造成影响,其具体机制各不相同。在沿面闪络的主流机制中,SEEA理论较完整地阐述了沿面闪络的起始过程,ETPR理论则对沿面闪络的发展过程有着更好的解释。此外,表面电荷为沿面闪络发生提供了必要电荷,其积累与消散行为对沿面闪络发展起着决定性作用。开发能够实现低二次电子发射系数与高表面电导的绝缘材料及表面改性技术将是该领域未来重点研究方向。     

表面改性对绝缘子真空沿面闪络特性的影响

在不同温度下对交联聚苯乙烯绝缘子进行了表面氟化处理,在脉宽0.5μs的脉冲电压下对绝缘子的真空沿面闪络性能进行测试。结果表明:在50~60℃下对交联聚苯乙烯进行表面氟化能将绝缘子沿面闪络电压提高40%~60%。通过在绝缘子表面层规律地嵌入多个薄膜导电层,制备了新型结构的高梯度绝缘子,新型高梯度绝缘子沿面闪络电压较相同材料的普通绝缘子提高40%~50%,并保持了较好的力学及加工性能。     

表面改性对绝缘子真空沿面闪络特性的影响

在不同温度下对交联聚苯乙烯绝缘子进行了表面氟化处理,在脉宽0.5 s的脉冲电压下对绝缘子的真空沿面闪络性能进行测试。结果表明：在50~60 ℃下对交联聚苯乙烯进行表面氟化能将绝缘子沿面闪络电压提高40%~60%。通过在绝缘子表面层规律地嵌入多个薄膜导电层,制备了新型结构的高梯度绝缘子,新型高梯度绝缘子沿面闪络电压较相同材料的普通绝缘子提高40%~50%,并保持了较好的力学及加工性能。     

聚四氟乙烯沿面闪络电压规律

由于聚四氟乙烯(PTFE)具有优良的绝缘性、化学稳定性,因此常被用于航天器线缆制作。为了研究聚四氟乙烯材料沿面闪络特性,实验在正常大气压下对聚四氟乙烯材料两端施加直流高压,得到放电电压值以及电压、电流波形。通过整理、对比发现：随着闪络次数的增加,材料放电电压呈先增大后稳定的规律,闪络平均场强呈降低趋势。对实验结果进行分析,认为介质表面粗糙程度的改变、材料表面化学变化是影响聚四氟乙烯沿面闪络电压的重要原因。根据闪络次数对电压的影响提出了较为准确描述PTFE闪络电压的方法。     

聚四氟乙烯沿面闪络电压规律

由于聚四氟乙烯(PTFE)具有优良的绝缘性、化学稳定性,因此常被用于航天器线缆制作。为了研究聚四氟乙烯材料沿面闪络特性,实验在正常大气压下对聚四氟乙烯材料两端施加直流高压,得到放电电压值以及电压、电流波形。通过整理、对比发现:随着闪络次数的增加,材料放电电压呈先增大后稳定的规律,闪络平均场强呈降低趋势。对实验结果进行分析,认为介质表面粗糙程度的改变、材料表面化学变化是影响聚四氟乙烯沿面闪络电压的重要原因。根据闪络次数对电压的影响提出了较为准确描述PTFE闪络电压的方法。     

亚微秒脉冲下高梯度绝缘子的沿面闪络特性

介绍了一种由聚酰亚胺和不锈钢叠加而成的高梯度绝缘子的实验研究工作。该绝缘子样品的直径60 mm,厚度8 mm,在脉冲宽度120 ns(FWHM)的电压脉冲加载下最高获得了接近13 MV/m的绝缘强度。研究了测试方法以及绝缘层厚度与金属层厚度的比例对高梯度绝缘子绝缘强度的影响,并与相同尺寸的普通材料绝缘子的绝缘强度进行了对比。结果表明,高梯度绝缘子的绝缘强度明显高于仅由聚酰亚胺构成的普通绝缘子。

     

亚微秒脉冲下高梯度绝缘子的沿面闪络特性

介绍了一种由聚酰亚胺和不锈钢叠加而成的高梯度绝缘子的实验研究工作。该绝缘子样品的直径60 mm,厚度8 mm,在脉冲宽度120 ns(FWHM)的电压脉冲加载下最高获得了接近13 MV/m的绝缘强度。研究了测试方法以及绝缘层厚度与金属层厚度的比例对高梯度绝缘子绝缘强度的影响,并与相同尺寸的普通材料绝缘子的绝缘强度进行了对比。结果表明,高梯度绝缘子的绝缘强度明显高于仅由聚酰亚胺构成的普通绝缘子。     

氟化时间对环氧树脂绝缘表面电荷积累的影响

为抑制环氧树脂绝缘的表面电荷积累、研究处理时间对表面电荷积累的影响, 使用氟/氮混合气在实验室反应釜中对环氧试样进行了不同时间(10 min, 30 min和60 min)的表面氟化处理. 衰减全反射红外分析与SEM断面和表面观察表明随氟化时间的增加, 氟化层的氟化度和厚度增大, 表面微观粗糙度降低、表面组织变得致密. 与开路热刺激放电电流测量所表明的、未氟化(原)试样有深的表面电荷陷阱和稳定的表面电荷相比, 这些氟化试样的表面不能存储电荷. 沉积在它们表面上的电晕电荷于室温下分别约在2 min, 10 min和15 min内快速衰减为零, 展现随氟化时间的延长而减慢的电荷释放速率. 表面电导率和接触角测量及表面能计算表明氟化引起表面电导率和表面润湿性与极性的显著增加, 但它们随氟化时间的延长而减小. 氟化试样表面电导率的显著增大归因于表面电荷陷阱的非常可能的实质变浅和表面吸附的水分. 表面充电电流测量进一步地表明, 与原试样几乎为零的稳态表面电流相比, 这些氟化试样在连续充电期间显现大的稳态表面电流. 这意味着这些氟化试样在充电期间比原试样有少得多的表面电荷积累.     

直流电晕充电下环氧树脂表面电位衰减特性的研究

介质材料表面电荷的积累和衰减行为是制约众多高压直流电力设备研制的关键因素. 薄片状介质试样的表面电荷密度与表面电位近似呈线性关系, 因此常通过表面电位衰减行为研究表面电荷的衰减特性. 基于电晕充电、表面电荷沉积和脱陷、介质体内单极性电荷输运等3个物理过程, 建立表面电位动态响应的物理模型. 通过计算环氧树脂的表面电位衰减行为, 得到栅极电压、相对介电常数和体电导率等对其表面电位衰减特性的影响. 栅极电压越高, 表面电位的衰减速度越快; 环氧树脂材料参数典型值(相对介电常数3.93, 体电导率10^-14 S· m^-1)下, 归一化表面电位的衰减速率随时间变化的曲线可拟合为分段幂函数, 其中, 分段幂函数的特征时间、指数系数与栅极电压分别呈幂函数和线性变化关系. 相对介电常数越大, 表面电位的衰减速度越慢; 环氧树脂相对介电常数典型范围(3–4)内, 表面电位衰减时间常数由1720 s增大到2540 s, 两者呈线性关系. 体电导率越大, 表面电位的衰减速度越快; 环氧树脂体电导率典型范围(10^-15–10^-13 S· m^-1)内, 表面电位衰减时间常数由24760 s 减小到260 s, 两者呈幂函数变化关系.     

Effects of plasma surface modification on the mechanical properties of carbon fiber and carbon fiber/epoxy composite

_The effect of surface treatment on mechanical properties of carbon fibers has been investigated by application of plasma polymerization of selected monomers in the vapor phase. The role of the fiber-matrix interface on carbon fiber-reinforced epoxy resin composites has also been studied. Composites have been prepared separately by the use of plasma-modified and unmodified carbon fibers in the epoxy resin matrix. The mechanical properties of carbon fibers (Hercules and Grafil) as well as of fiber/epoxy composites were examined by using single filament and three-point bending tests, respectively. It was observed that plasma polymerization treatment at selected plasma conditions led to significant improvement of interlaminar shear and flexural strength values of composites.     

基于磁场闪络抑制技术的真空沿面闪络实验研究

为解决脉冲功率系统中击穿电压最低的部分,即真空固体绝缘界面,采用磁场闪络抑制技术提高闪络电压,为研究磁场和沿面闪络电压的关系,针对不同介电常数的样品开展了一系列相关实验。实验结果表明:采用电容器对通电螺线管充电产生的脉冲强磁场稳定可靠,并且当施加在绝缘子表面磁场强度为1.1 T时,PMMA材料的闪络电压可以提高至1.8倍。     

基于磁场闪络抑制技术的真空沿面闪络实验研究

为解决脉冲功率系统中击穿电压最低的部分,即真空固体绝缘界面,采用磁场闪络抑制技术提高闪络电压,为研究磁场和沿面闪络电压的关系,针对不同介电常数的样品开展了一系列相关实验。实验结果表明：采用电容器对通电螺线管充电产生的脉冲强磁场稳定可靠,并且当施加在绝缘子表面磁场强度为1.1 T时,PMMA材料的闪络电压可以提高至1.8倍。