环氧树脂的等离子体表面梯度刻蚀及沿面闪络性能研究

结合等离子体表面刻蚀方法与梯度改性方法,实现了氧化铝/环氧树脂表面的等离子体梯度刻蚀。利用扫描电子显微镜(SEM)、表面轮廓仪、X射线光电子能谱分析(XPS)、高阻计、闪络电压和表面电位测试系统,对比了未处理、等离子体均匀刻蚀、等离子体梯度刻蚀三种情况的样片表面形貌、化学元素和电气参数,研究了等离子体梯度刻蚀对沿面闪络性能的提升机理。结果表明,等离子体表面刻蚀可提升环氧树脂表面粗糙度、提高样片表面电导率、浅化陷阱能级以及提升沿面闪络电压。等离子体梯度刻蚀对闪络电压的提升效果要优于等离子体均匀刻蚀,相比于未处理样片最大可提升26.5%。分析认为针-针电极的电场分布可划分为三结合点处附近的高场强区和电极之间的低场强区,加快高场强区的表面电荷消散速率并适当控制低场强区表面电荷迁移速率,可以最大程度地提升样片整体的沿面闪络性能。     

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。     

氢氧化铝/环氧树脂复合材料的电荷衰减特性北大核心CSCD

环氧树脂电气绝缘性能优良,但是其在脉冲功率设备中充当绝缘子时,表面容易带电且不易衰减,当表面电荷集聚到一定的程度会造成局部放电甚至发展为沿面闪络。为了提高环氧树脂的沿面闪络性能,用中心粒径为1μm的氢氧化铝(ATH)无机填料来改善环氧树脂复合材料的表面性能。分别制备了ATH填料质量分数为0%(纯环氧),20%,40%,60%,80%和100%的ATH/环氧树脂复合材料试样。用电声脉冲法研究了ATH填料对环氧树脂复合材料电荷衰减性能的影响,对比了试样直流极化场强为10kV/mm和30kV/mm的试验结果。结果表明:ATH/环氧树脂复合材料电荷的衰减常数不仅与填料的质量分数有关,而且与试样的带电量有关。     

氮离子注入对聚四氟乙烯表面电荷积聚和消散特性的影响北大核心CSCD

为了抑制聚四氟乙烯材料表面电荷积聚,采用射频产生氮等离子体对其表面进行等离子体浸没离子注入以改善其表面性能。对注入前后的聚四氟乙烯材料样品进行了X射线光电子能谱分析(XPS)、傅里叶红外光谱测试(FTIR)、水接触角测量、表面电阻率测量以及表面电位衰减测量,并基于等温表面电位衰减理论对其表面陷阱能级和密度分布进行了计算,以分析聚四氟乙烯样品经离子注入处理后其表面成分和物理性能的变化,并研究了这些变化对聚四氟乙烯样品表面电荷积聚和消散特性的影响。结果表明:氮离子注入后,聚四氟乙烯材料表面化学成分的主要变化是自身分子结构的破坏和转化,部分CF2结构转变为CF和CF3结构,导致样品表面陷阱能级变浅;水接触角升至140°左右,比未处理样品上升了约27°,表面电阻率降至3×10^15Ω,比未处理样品下降了两个数量级;表面电晕放电1 min后,经氮离子注入处理的聚四氟乙烯材料表面积聚电荷量减少,消散速度加快,这是因为表面陷阱能级变浅有利于表面电荷脱陷,同时表面电阻率降低也促进了表面电荷沿面传导的消散过程,聚四氟乙烯样品表面陷阱能级分布曲线也证实了这一论点。     

环氧树脂基真空绝缘材料的制备和性能测试

 介绍了一种用于脉冲功率装置真空绝缘子的环氧树脂基复合材料的研制机理、制备过程和典型性能。初步测试结果表明，添加一定量的水合氧化铝颗粒可以使环氧树脂材料的表面电阻率由5×10¹⁶ Ω降低为6×10¹¹ Ω，这一特性有利于释放由于沿面闪络等原因沉积在真空绝缘子表面的电荷，从而使材料在脉冲电压下的沿面闪络电压有所提高，实验得到在上升沿400 ns的脉冲电压作用下， 沿面闪络电压可从17 kV 提高到 28 kV。     

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。     

脉冲电压上升沿对He大气压等离子体射流管内放电发展演化特性的影响

通过仿真和实验相结合的手段,以直流脉冲电压驱动的双环电极结构He大气压等离子体射流为例,研究了电压上升沿时间对管内放电等离子体发展演化特性的影响.随着电压上升沿的改变,管内介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)区出现空心和实心两种放电模式.上升沿为纳秒和亚微秒量级时,以空心模式发展,上升沿持续增加后转变为实心模式.放电模式本质上受鞘层厚度、管内电场和表面电荷密度分布的影响,鞘层厚度小于1.8 mm时等离子体通常以空心模式传播,等于1.8 mm时等离子体的径向传播范围有限而转变为实心传播.管内DBD区,电场以轴向分量为主时,等离子体以放电起始时的模式传播;而在地电极内部,由于外施电场方向发生径向偏转,同时管壁沉积的正电荷形成径向自建电场,两者叠加形成的强径向电场致使放电以空心模式传播.     

风沙流对高压绝缘子电位和电场分布的影响

研究风沙流对高压绝缘子电位和电场分布的影响,基于有限体积法建立绝缘子风沙气固两相流模型和风沙天气下绝缘子的风-沙-电耦合场模型,计算不同风沙天气下绝缘子表面沙尘的空间分布和沉积及其对绝缘子沿面电位和电场的影响,结果表明：风沙天气下绝缘子沿面电位和电场畸变受风速和粒径影响显著,电位的畸变幅度随风速和粒径的增加而升高,电场的畸变幅度随风速和粒径的增大而减少;风沙天气下绝缘子表面不同的沙尘空间分布和沉积导致绝缘子不同位置沿面电位和电场畸变不同.     

“神龙二号”气体火花开关中绝缘结构的电场分析与优化

气体火花开关作为重要部件被大量地应用于直线感应加速器和Z箍缩等大型脉冲功率装置中。绝缘结构设计不合理会使得气体火花开关中出现局部电场畸变和电荷积聚等现象。在高电压脉冲下长时间或高频次运行时,火花开关中的绝缘子会发生沿面闪络现象,直接影响到脉冲功率装置的正常运行。鉴于此,对气体火花开关中的绝缘结构进行了有限元电场分析,用表面电荷的积聚定性解释了沿面闪络发生的原因。通过对绝缘子的几何结构和电极尺寸的优化设计,有效降低了绝缘子表面和电极表面的电场强度,其中阳极三结合点场强从9.4 kV/mm降至1.5 kV/mm,阴极三结合点场强从2.95 kV/mm降至0.98 kV/mm,绝缘子表面最高场强从10.8 kV/mm降至4.95 kV/mm。优化后的绝缘结构电场分布较为合理,降低了由于表面电荷的积聚而引发沿面闪络的概率。     

介质壁加速器高梯度绝缘子研制

与普通绝缘子相比,高梯度绝缘子(HGI)的金属层与绝缘介质层交替排列结构可以抑制真空沿面闪络过程,从而提高沿面闪络场强。使用不同绝缘介质材料和金属材料采用不同加工制备工艺制备的HGI样品其沿面闪络场强差别较大。对所制备的绝缘介质层分别为聚酰亚胺、交联聚苯乙烯和尼龙,金属层为不锈钢箔,形状分别为圆柱与圆环型的HGI样品进行了真空沿面耐压测试,并对相同尺寸的纯绝缘介质样品进行了对照实验,得到了不同材料不同制备工艺HGI样品的耐压性能差异。结合样品表面显微照片观察得到的样品表面状况,分析了影响样品沿面闪络场强的因素。     

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.     

Effect of structure variation on thermal conductivity of hydrogenated silicon film

Hydrogenated silicon film was fabricated by using plasma enhanced chemical vapor deposition method. The influence of crystalline volume fraction variation on the thermal conductivity was investigated. The relation between crystalline volume and film thickness was characterized by using spectroscopic ellipsometry with Bruggeman effective medium (BEMA) model. The thermal conductivity of silicon film was measured based on Fourier thermal transmitting law using sputtering platinum as electrode. The results demonstrate that the thermal conductivity of silicon film is proportional to the volume fraction of crystalline silicon, and there is crystalline and thermal conductive gradient between surface and bottom in the microcrystalline film.     

Effect of substrate temperature and pressure on properties of microcrystalline silicon films

In this paper intrinsic microcrystalline silicon films have been prepared by very high frequency plasma enhanced chemical vapour deposition (VHF-PECVD) with different substrate temperature and pressure. The film properties were investigated by using Raman spectra, x-ray diffraction, scanning electron microscope (SEM), and optical transmittance measurements, as well as dark conductivity. Raman results indicate that increase of substrate temperature improves the microcrystallinity of the film. The crystallinity is improved when the pressure increases from 50Pa to 80Pa and the structure transits from microcrystalline to amorphous silicon for pressure higher than 80Pa. SEM reveals the effect of substrate temperature and pressure on surface morphology.     

环氧树脂高温分子链松弛与玻璃化转变特性

环氧树脂是电力设备中广泛应用的一种绝缘材料, 其介电性能受到分子链运动特性的影响. 本文制备了直径为50 mm、厚度为1 mm的环氧树脂试样, 采用差示扫描量热仪和宽频介电谱仪测试了环氧树脂的玻璃化转变温度和介电特性. 实验结果表明, 环氧树脂的玻璃化转变温度为105 ℃, 在玻璃化转变温度以上, 高频段出现了由分子链段运动造成的松弛过程, 低频段出现了由载流子在材料中迁移造成的直流电导过程. 发现环氧树脂不同尺寸分子链段的松弛时间不同, 其松弛时间分布较宽, 计算得到了分子链段在不同温度下的松弛时间分布特性. 分子链松弛峰频率和直流电导随温度的变化关系服从Vogel-Tammann-Fulcher公式. 拟合实验结果得到分子链松弛峰频率和直流电导的Vogel温度和强度系数. 由Vogel温度计算得到了与差示扫描量热测试结果一致的玻璃化转变温度, 约为102 ℃. 结果表明玻璃化转变温度以上环氧树脂的自由体积增大, 分子链段有足够的空间来响应外电场从而产生分子链松弛极化, 载流子有足够的能量在材料中迁移形成电导.     

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.     

Influence of electron saturation of Tamm levels on the field-emission properties of silicon crystals

It has been shown that the plasma-chemical modification of the morphology and composition of the surface phase influences the emissivity of silicon crystals. It has been found that the saturation of Tamm states with electrons during the preparation of atomically clean silicon surfaces, along with stabilizing passivation of surface atoms in a highly ionized microwave plasma using Halon 14, decreases a threshold electric field at which field emission begins more than twofold and increases the maximal density of the field emission current by more than an order of magnitude compared with wafers covered by native oxide or subjected to ion physical etching in argon. Physicochemical mechanisms responsible for the modification of the silicon surface and the field-emission properties of silicon have been considered.