表面处理对可加工陶瓷真空沿面闪络特性的影响

于开坤 张冠军 穆海宝 郑 楠 黄学增 马新沛 山纳康 小林信一

（1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 西安 710049 2.河南省电力勘测设计院 郑州 450007 3.西安交通大学材料与工程学院 西安 710049 4.埼玉大学电气电子系统学部 埼日本 玉县樱区下大久保255 338-8570）

1 引言

作为起支撑和绝缘作用的重要电气设备，真空绝缘器件在X 射线管、高功率速调管、中子束二极管、脉冲功率开关、加速器等众多高功率器件和大型设备上得到广泛的应用，其性能直接影响到整个高压电真空设备的整体性能[1,2]。

为解决较为复杂的绝缘结构的制造问题，本文作者成功研制一种低熔点可加工陶瓷，并将该材料引入电真空领域[3,4]。玻璃陶瓷(glass ceramics)又称可加工陶瓷、微晶玻璃，是由适当玻璃原料熔炼后，经过热处理控制结晶而制成的由微小晶体相和玻璃相所组成的一种无孔隙的复合材料，国外也做过一些相关的研究[5,6]，其制备方法、显微结构和性能与有机材料和陶瓷材料都有差别，但又兼具有机材料的易加工特性和陶瓷材料的耐高温特性。微晶玻璃良好的可加工性能在于其具有独特的与天然云母类似的云母相组织结构，其切削性能与金属相似，可形成像延性金属材料一样的连续带状切屑，从而在普通旋转车削中实现了脆性玻璃陶瓷类材料的延展切削[4]。本课题组率先对可加工陶瓷的沿面闪络特性进行了研究[7]，发现其表面耐电性能明显优于传统的氧化铝陶瓷[8]。

本文作者和其他学者研究发现，改变材料的表面微观结构以及材料的加工工艺，会对其真空沿面闪络现象产生影响[9-14]。本文通过使用不同目数的水砂纸对可加工陶瓷表面进行打磨处理，制作几组不同打磨方式的试品，分别为打磨方向与电极连线方向垂直、打磨方向与电极连线方向平行以及不对砂纸打磨方向进行控制的方法，使用超深度表面形态测定激光显微镜（KEYENCE，VK—8510）对试品的表面粗糙度进行测试，并实验研究了不同粗糙度下试品的真空沿面闪络电压，分析不同目数的砂纸对试品表面粗糙度的影响，以及不同粗糙度试品的真空沿面耐电特性。

2 试样准备及实验系统

2.1 试样准备

玻璃陶瓷组成成分中包括 SiO2-B2O3-Al2O3-ZnO-MgO-F 以及碱金属氧化物，其主要成分为SiO2。实验所使用的试样制备过程如下：采用高温加料法，将石英坩埚随炉升温至1 100～1 200℃后加料，并升温至熔炼温度，经1～2h 保温后搅拌，再保温0.5～1h 后浇注在经预热的铸铁模具上进行晶化处理，以确保所有试样具有优良的可加工性能。实验中可加工陶瓷试样均是直径 80mm，厚度为3mm 左右的圆形基片，作者在之前已经对该材料的真空沿面闪络特性做了相应研究，本文取较优的加工工艺，晶化温度取680℃，晶化时间1h[12]。

在使用水砂纸对材料表面进行打磨处理前，所有试样表面均逐次使用氧化铝纱布（100#）、金相抛光砂纸（400#和1 000#）进行抛光处理，砂纸打磨顺序为从粗到细，每一种砂纸打磨20min 以保证试样的表面平整以及粗糙度的一致。处理之后对各试品使用不同目数水砂纸重新进行表面打磨处理，所使用水砂纸分别为：100#、240#、400#、1 000#和1500#。实验前，所有样品都依次使用95%丙酮、酒精、去离子水进行超声波清洗，然后在100℃温度下持续烘干2h 以保证试品表面的清洁度以及表面状况一致。

2.2 实验装置与实验程序

通过使用日本高能粒子加速器研究机构（KEK）的超深度表面形态测定激光显微镜对不同的试品表面形貌进行观测，对试品表面粗糙度进行测试。

真空沿面闪络电压研究中，电极选用圆形不锈钢电极，电极间距为5mm，电极直径为20mm。高压脉冲装置为单级Marx 发生器，输出的冲击电压峰值最大可达到100kV，波形为0.4/2.4μs的双指数脉冲波，使用无感电阻对电流信号进行测量，无感电阻阻值70mΩ。真空度在实验过程中保持在5×10-4Pa 之下，真空试验测量系统示意图如图1 所示。实验条件与作者之前所做工作一致[10,12]。

图1 真空闪络试验测量系统Fig.1 Flashover voltage measurement equipment sketch

采用逐步提高施加电压的方法，对沿面闪络现象进行研究。随着施加电压的逐渐提高，在某个电压水平时出现偶然性闪络，将此时实际施加在试样上的电压记为Ufb（首次闪络电压）；随着电压水平继续提高，在某个电压时每次冲击都会发生沿面闪络现象，将施加在该试样上的前一个电压水平的平均值记为试样的完全闪络电压Uco，超过Uco的冲击激励必然会引起闪络；达到完全闪络后，开始逐步降低施加电压，在电压下降过程中，依然会发生沿面闪络现象，通常会在降低到Uco之下的某一电压时不再发生闪络，将此时的电压定义为试样的残余耐受电压Uho。

本文中的每个测试点至少使用3 片试样进行沿面闪络实验以减小实验数据结果的分散性，计算出3 片试样的闪络电压平均值以确保结果的可信性。实验结果的置信区间在文章的图中直观给出。

3 实验结果

3.1 表面粗糙度测试结果

通过使用超深度表面形态测定激光显微镜对不同砂纸打磨处理的试品表面粗糙度进行观测，如图2 所示。

图2 不同处理试品表面图像观测及表面三维图像Fig.2 3D images of the samples surface with different treatment

表1 以及图3 为实验测试的不同处理模式下试 品表面平均表面粗糙度Ra值，图3 中显示试品的表面粗糙度随处理方式的不同变化规律明显。

表1 不同处理试品平均粗糙度表征Tab.1 Average roughness of the samples with different treatment

图3 试品表面粗糙度随砂纸型号不同而变化Fig.3 The roughness change of the sample surface

图2 形象地描述了在使用不同目数砂纸进行表面处理之后，材料表面形貌的变化，从图中看出随着砂纸目数的提高，材料的表面起伏逐渐平缓，表面粗糙度逐渐降低，并且试品的表面平整程度随着砂纸目数的提高趋于饱和，对比表1 以及图3 能够看出，1 200#砂纸处理之后试品表面的粗糙度已经与1 500#砂纸处理的结果相近。可以想象，如再进一步增大砂纸的目数时试品的平均表面粗糙度Ra不会再有较大变化。而使用120#和240#砂纸处理试品表面时试品的表面粗糙度差距较大。

3.2 不同粗糙度试品沿面闪络电压测量

为全面了解试品表面粗糙度对其沿面闪络特性的影响，本文使用三种打磨方式对试品表面进行粗糙处理，分别为砂纸打磨方向与电极连线方向垂直、打磨方向与电极连线方向平行以及不对砂纸打磨方向进行控制的方法。图4 绘出了前两种较为规则的砂纸打磨方法处理后试品表面状况示意图。

图4 砂纸打磨方向与电极中心连线位置示意图Fig.4 The sketch of sandpaper treatment direction

本文中研究粗糙度对试品真空沿面闪络电压影响时，电极直径仍取20mm，电极间距取5mm。表2 给出了上述两种不同处理方式下，不同表面粗糙度试品对应的真空沿面闪络电压数值。

表2 不同粗糙度试样的沿面闪络电压值Tab.2 The flashover voltage of the samples with different surface roughness

表3 为上述两种不同处理方法以及不对打磨处理方向控制时试品的真空沿面闪络电压在使用同一种砂纸打磨时，试品沿面闪络特征电压取平均值，并比较不同处理情况下试品的真空沿面特性。

从表2 和表3 可以看出，试品的沿面闪络电压值随着试品表面的粗糙度的改变而变化。几种不同处理方式下的试品虽然所测结果有所不同，但其沿面闪络电压均具有随着表面粗糙度的增大而提高的趋势，图5 为通过几种实验方法获得的数据点绘制的闪络电压分布曲线。

表3 几种不同处理方式下闪络电压平均值Tab.3 The average flashover voltage of the samples with different treatment

图5 不同粗糙度试样的沿面闪络电压值Fig.5 The flashover voltage of the samples with different surface roughness

从图5的数据及表2、表3 能够看出，当打磨方向与电极连线方向垂直时，试品的沿面闪络电压总体上提高最大，但此时所测量的试品的真空沿面闪络电压数值随粗糙度的改变有反常的结果，如使用最粗的100#砂纸进行处理时，其完全闪络电压Uco均值为 37.91kV，比 240#砂纸处理之后的40.93kV 低。对于砂纸处理方向与电极连线平行的试品，在砂纸较细的情况下，沿面闪络电压变化不大，只有到砂纸较粗时，即大于240#之后才有明显的提高。在不对砂纸处理方向进行控制的情况下，所测的真空沿面闪络电压的数值在趋势上与前两种方法一致。这主要是由于，使用砂纸的方法对表面进行处理时表面粗糙度控制起来较为困难，而真空沿面闪络电压的分散性本就较大，这样导致所测量的结果会有些出入，只有经过大量的实验作出统计才能够获得一个较为合理的趋势。如对这几种方法的实验结果进行综合统计，这样每个粗糙度点会有9 个数据进行平均，从而能够获得较为接近实际的结果。对几组结果进行平均后获得的数据，从表3中的结果能够看出，随着试品表面粗糙度的提高，试品真空沿面闪络电压逐步提高。

4 实验结果分析

通过改变试品表面粗糙度的方法能够对试品的真空沿面闪络电压产生影响，从实验结果来看，试品的沿面闪络电压随着其表面粗糙度的增大而提高。从两方面可以对此进行解释：

首先，提高试品表面的粗糙度能够增大从阴极发射的电子在电场中的运动路径，并相应增大电子的爬电距离，从而提高了试品的真空沿面闪络电压，这与空气中绝缘子通常使用伞群的办法来提高绝缘子的爬电距离，进而提高其沿面闪络电压的方法类似。比较垂直和平行于电极连线两种打磨方式，垂直打磨时获得的沿面闪络电压最高，这可以认为是由于使用这种方法处理试品表面，在相同型号砂纸下造成电子通过试品表面时的爬电距离最大，并且不易在电极连线方向产生贯通性的导电通道。

其次，通过改变试品表面的粗糙度，根据二次电子发射雪崩（SEEA）模型[2]，电子在从阴极向阳极运动的过程中其运动轨迹发生变化，由于表面的凹凸不平造成电子在碰撞试品表面时有可能产生漫反射现象，出现弹性散射电子与非弹性散射电子混入次级电子之中的情况，如图6 所示，此时真二次电子在整个次级电子中所占的比例会有所减少，并且由于二次电子再次碰撞材料表面的行进距离减小，从外电场获得的能量减小，碰撞时的平均能量降低，减少此时材料的二次电子的发射，从而达到降低材料表面电荷积聚、提高试品沿面闪络电压的目的。并且由于粗糙度增大后表面的一些微孔等因素的存在，能够吸附少量次级电子，达到降低二次电子发射系数的作用[15]。

图6 不同粗糙度试品表面的二次电子发射示意图Fig.6 The secondary electric emission of the samples with different surface roughness

Rodney Vaughan[16]给出了不同电子入射角度θ情况下二次电子发射率表达式为

式中，ks表示材料表面的光滑因子，取值范围0～2（其中0 为纹理碳，1.5～2 表示抛光的或晶体表面，一般材料取值为1），从上式中能够看出，在其他因素不变的情况下，对于粗糙度较大的材料其ks较小，此时电子在非垂直入射情况下δmax(θ）变化较小。可以认为，对同一种材料，当入射角度随机变化时材料表面越粗糙，其表面的平均二次电子发射系数减小，该结论与上述分析相对应。

从改变绝缘材料的表面状况方面出发，作者曾通过使用激光处理的方法对氧化铝陶瓷表面进行处理，并获得了较好的实验结果[10]，实验发现，使用CO2准分子激光对氧化铝陶瓷表面进行扫描能够有效提高试品的真空沿面闪络电压，作者发现当对材料表面施加的激光能量合适、扫描密度调节得当时，通过偏光显微镜观察到的材料的表面粗糙度增大，氧化铝陶瓷的真空沿面闪络电压能够得到较大幅度的提高。

5 结论

本文主要从改变试品表面状况的方法出发，探索提高可加工陶瓷材料真空沿面闪络电压的方法。

实验结果显示：使用不同目数的砂纸对可加工陶瓷试品表面进行打磨处理，能够改变试品的表面粗糙度，随着使用的水砂纸的目数的提高，试品表面的起伏，试品的表面粗糙度降低，且随砂纸目数的增高，试品表面的平均粗糙度Ra逐渐趋于饱和，通过测量不同粗糙度下试品的真空沿面闪络电压，能够看出随着可加工陶瓷试品表面粗糙度的提高，试品的真空沿面耐电特性逐渐提高。其主要原因是由于表面的凹凸不平造成电子在碰撞试品表面时有可能产生漫反射现象，出现弹性散射电子与非弹性散射电子混入次级电子之中的情况，并最终导致材料表面的二次电子发射系数降低。

致谢：本文中试品的表面粗糙度的测量在日本高能加速器研究机构（KEK）完成的，得到了Yoshio Saito 教授和Shinichiro Michizono 博士的帮助，作者对此表示感谢。

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