静电电磁脉冲诱发航天器绝缘材料闪络特性

2022-08-27张岩赵鑫刘尚合钱禹行张路盖祥虎

兵工学报 2022年8期

张岩，赵鑫，刘尚合，钱禹行，张路，盖祥虎

(1.河北科技大学电气工程学院, 河北石家庄 050018;2.陆军工程大学石家庄校区电磁环境效应国家级重点实验室, 河北石家庄 050003)

0 引言

沿面闪络现象是电子器件沿面耐电性能失效的重要表现形式之一。航天器在发射和返回过程中与大气摩擦、累积大量的静电荷，导致相互绝缘的部件间容易发生静电放电(ESD)，ESD产生的电磁辐射作为近距离干扰源，干扰航天器导航和通讯系统，导致航天器姿态失控，造成不可弥补的损失。航天器外壳、分离连接装置、太阳电池阵低充电电位敏感区域的电场较弱，电子能量低于分子、原子电离能，碰撞电离概率较低，在ESD电磁脉冲场影响下使低压气体产生大量带电粒子，从而降低放电阈值并诱发产生静电电荷泄放，进而发生沿面闪络现象。鉴于航天器不同设备与不同部位对绝缘防护的要求不同，并考虑到绝缘材料的绝缘性、耐热性和防辐射等特性，聚四氟乙烯(PTFE)、环氧树脂和有机玻璃是航天器各种设备及表面材料中常用的3种绝缘材料。表1为常温常压下3种绝缘材料的物理参数。

表1 3种绝缘材料物理参数

PTFE是一种大分子量的饱和高分子化合物，介电常数较低且在不同电场频率下基本不会变化，是极佳的电绝缘材料，用作航天器外表面隔离以及导向环、密封垫、密封球等。环氧树脂有很好的电气性能和防辐射性能，环氧树脂多与高性能纤维制成复合材料，常用作飞行器机翼、火箭发动机内芯等制品。有机玻璃质量轻、强度高，具有良好的电绝缘性，常用于航天器透明件保护涂料、机舱、舷窗等方面。

国内外学者以绝缘材料介电特性为基础，对各种绝缘材料在大气、低气压环境中的闪络规律与特性进行了实验研究。谢喜宁等建立了大气环境下ESD辐射场诱发放电实验系统，对ESD辐射场诱发针- 球电极结构闪络进行研究，得出了大气环境下材料表面的带电特点及诱发闪络的基本规律。刘海锋等进行了N、SF中环氧树脂直流沿面闪络特性的多因素研究，得出了不同均匀度电场和不同气压下的沿面闪络特性，发现电极不对称时N中与SF中环氧树脂的沿面闪络电压有相反的极性特性。Li等研究了电子动能和入射方向对电子束辐照真空直流表面闪络的影响规律，发现低能电子束辐照时提高了表面闪络电压，当电子束能量较高时在较低的外加电压下引发闪络。周立栋等研究了PTFE沿面闪络电压规律，得到了大气压下沿面闪络电压、场强规律，为真空中电磁场环境对沿面闪络影响实验打下基础。近年来，国内外对绝缘材料沿面闪络开展了一系列研究，但主要集中在自身条件变化影响单一绝缘材料发生闪络方面，缺少静电电磁脉冲诱发不同绝缘材料闪络的理论分析与对比实验研究。

本文针对上述问题，参照国际电工委员会标准IEC 61000-4-2，设计了静电电磁脉冲场诱发绝缘材料闪络实验测试系统，ESD模拟器放电枪对垂直金属耦合板进行接触式放电、产生静电电磁脉冲辐射场，以航天器常用PTFE、环氧树脂、有机玻璃3种绝缘材料为研究对象制作了实验样品，研究大气环境中不同强度静电电磁脉冲诱发3种绝缘材料闪络特性，并进行理论分析，得出诱发闪络规律，对复杂电磁环境中航天器的静电防护具有借鉴意义。

1 基本理论

实验依据二次电子发射雪崩模型(SEEA)，开展电磁场作用下诱发绝缘材料表面闪络的研究。在SEEA模型中，施加电极电压后，在阴极- 绝缘材料- 空气三结合点处产生电场畸变，电场畸变场致发射初始电子，初始电子在电场作用下向前加速运动，撞击绝缘材料表面导致二次电子发射，并且引发表面气体解吸附，最终形成二次电子发射雪崩产生沿面闪络。在外加电场作用下，绝缘材料表面电场强度图如图1所示。图1中：为没有外加电场时的合成场，与材料表面的夹角为，和分别为合成场强在法向和切向上的分量，此时未产生闪络；外加电场后的合成场为，与分别为该合成场的法相分量和切向分量，为绝缘材料表面电极间距，Δ为电子出射后返回绝缘表面经过的平均距离。

图1 绝缘材料表面电场强度Fig.1 Diagram of electric field intensity on the Insulation material surface

外加电场时，由于绝缘材料表面正电荷的积累，会形成一个垂直于材料表面的电场：

=(2)

(1)

式中：为材料表面正电荷密度；为自由介电常数，=885×10F/cm。

合成电场与绝缘材料表面的夹角为

(2)

式中：为水平电场(初始击穿电场)；为电子碰撞绝缘表面时能量；为出射电子能量。

绝缘材料表面正电荷密度为

=2=2tan

(3)

电子受材料表面正电荷的影响被限制在绝缘体表面附近，因此电子密度不能大于表面正电荷密度。当电子达到一定的密度和漂移速度时，不能显著小于。由此假设=。在电场的影响下使电子向阳极运动产生电流，切向电流为

(4)

电子出射后返回绝缘表面经过的平均距离为Δ=，绝缘材料表面法向电流密度为

=Δ=

(5)

电极间距为的材料表面单位面积内，闪络放电的解吸附气体分子临界值为

=(())

(6)

式中：为脱附概率；为绝缘材料表面解吸附气体分子脱附的平均速度；为电子电荷；为绝缘材料长度。

根据上述公式，变换得到外加电场作用下闪络击穿电场和闪络电压的表达式为

(7)

(8)

由以上公式可知，外加电场的大小、脱附概率、解吸附气体分子的临界值、绝缘材料长度等因素均会影响绝缘材料的闪络电压。

绝缘材料闪络时击穿电场为，闪络电压阈值为。如果电极电压提供的电场强度<，此时无法诱发绝缘材料产生闪络，因此需添加一个静电电磁脉冲场，使绝缘材料表面电场能够达到诱发闪络时的击穿电场强度。由电场叠加原理，当静电电磁脉冲场与电极间直流电场构成的合成场产生的感应电压小于闪络电压阈值，即(+)=<时不会产生闪络现象；当合成场产生的感应电压达到闪络电压，即(+)=≥时诱发绝缘材料表面开始产生闪络，而ESD模拟器与垂直金属耦合板产生的静电电磁脉冲场具有方向随机性，可能导致相同ESD模拟器输出电压下发射的静电电磁脉冲场方向与电极的方向不一致，因此当合成场+在附近时，合成场+的场强未必大于的场强，此时静电电磁脉冲场诱发绝缘材料闪络就存在概率；因此，只有当合成场场强+远大于的场强，合成场在电极两端产生的感应电压远大于闪络电压阈值，即≫时产生诱发闪络现象。

2 实验设计

2.1 实验模型

航天器运行时的绝缘材料表面积累电荷、产生一定电位，通过施加电极电压来模拟这个电位，调节电极电压低于绝缘材料自身闪络电压模拟了航天器表面没有闪络发生时的表面电位，再使用ESD模拟器对垂直金属耦合板进行接触式放电，产生一个静电电磁脉冲场来模拟航天器所处的强电磁场环境，以此研究静电电磁脉冲场诱发绝缘材料表面闪络的规律。静电电磁脉冲诱发绝缘材料沿面闪络实验在大气环境中进行，实验模型如图2所示。

图2 实验模型图Fig.2 Experimental model diagram

实验中，以静电电磁脉冲辐射场为诱发闪络的背景电磁场，作用于绝缘材料表面指型金属电极诱发闪络。选用PTFE、环氧树脂、有机玻璃3种绝缘材料，通过调节施加在指型金属电极的电极电压和ESD模拟器的输出电压，测量诱发绝缘材料闪络时电流波形和电极间产生电弧的概率，以此分析诱发PTFE、环氧树脂、有机玻璃3种绝缘材料闪络的规律。

2.2 实验装置

进行静电电磁脉冲诱发PTFE、环氧树脂、有机玻璃3种绝缘材料表面指型金属电极的闪络实验，实验设备如图3所示，由3部分构成：

图3 实验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of experimental device

1) 第1部分为电磁场辐照装置部分，包括日本NoiseKen公司生产的ESS-S3011A型ESD模拟器、金属耦合板，这部分由放电枪对金属耦合板进行放电产生静电电磁脉冲辐射场。

2)第2部分为实验样品布局结构部分，包括常压罩、航天器中常用的环氧树脂、有机玻璃、PTFE 3种绝缘材料，绝缘材料样品如图4所示，表面为典型非均匀电场分布的指型金属电极，电极间距为 1 mm，曲率半径为1 cm，实验样品结构如图5所示，由秦皇岛辉光电子有限公司产GLOW 28720直流高压电源在电极间施加直流电场。

图4 绝缘材料样品Fig.4 Insulation material sample

图5 实验样品结构Fig.5 Experimental sample structure

3)第3部分为闪络监测装置，包括美国泰克公司生产的TDS7404B型示波器、CT-1电流探头(伏安输出特性5 mV/1 mA)和为保护实验设备配备的30 dB衰减器，此模块对静电电磁脉冲诱发绝缘材料闪络时，流入大地的闪络电流波形和静电电磁脉冲场在放电回路中的感应电流波形进行监测。

2.3 实验方法

实验在标准大气压101.325 kPa、环境温度22 ℃、环境相对湿度40%的大气环境中进行。实验中，ESD放电枪对金属耦合板进行接触式放电，产生的ESD电磁脉冲场来模拟强电磁脉冲环境，同时监测该环境下绝缘材料表贴指型金属电极发生的诱发闪络现象。实验步骤如下：

1)通过调节施加在指型金属电极的直流高压源，在PTFE、环氧树脂、有机玻璃3种绝缘材料表面指型金属电极持续发生闪络现象时，此时电极所加电压即为材料的闪络阈值。进行诱发闪络实验时，为研究静电电磁脉冲场诱发3种绝缘材料闪络的效果，电极电压的调节始终不超阈值电压，为得到更好的诱发闪络概率规律，取接近阈值的电极电压。

2)保持ESD模拟器输出电压不变，通过调节电极电压大小模拟电极间不同等级直流电场，观察诱发闪络概率，得到不同电极电压条件下诱发3种绝缘材料闪络的规律。

3)保持电极电压不变，通过调节ESD模拟器输出电压大小模拟不同等级的电磁场，观察诱发闪络概率，得到不同ESD模拟器输出电压条件下诱发 3种绝缘材料闪络的规律。

首先根据步骤1，通过调节电极电压，测出3种绝缘材料诱发闪络的电压阈值，有机玻璃闪络阈值为-2.7 kV；环氧树脂闪络阈值为-3.1 kV；PTFE闪络阈值为-3.6 kV。为了不发生自发闪络，电极电压分别选取不超过3种材料闪络阈值的5种电压，有机玻璃：-2.2 kV、-2.3 kV、-2.4 kV、-2.5 kV、-2.6 kV，环氧树脂：-2.6 kV、-2.7 kV、-2.8 kV、-2.9 kV、-3 kV，PTFE：-3.1 kV、-3.2 kV、-3.3 kV、-3.4 kV、-3.5 kV。通过调节ESD模拟器输出电压大小，模拟不同等级的静电电磁脉冲辐射场。为保证有机玻璃、环氧树脂、PTFE 3种绝缘材料诱发辐射场的一致性，ESD模拟器输出电压选用-30 kV、-20 kV、-10 kV 3种等级。

每种绝缘材料对应3种ESD模拟器输出电压和5种电极电压分别进行组合实验，为确保实验结果可靠性，每组实验各进行20次，实验结果取20次实验的平均值。3种材料各准备300片测试样品，考虑到诱发闪络后绝缘材料表面会有电荷积累，并且在发生闪络时贯穿放电通道会对材料表面造成一定的破坏，因此绝缘材料每次进行诱发闪络后都要更换材料样品，并且3种材料各自样品都取自同一批次材料，以保证绝缘材料表面属性的一致性，同时保证材料表贴金属电极的布局结构一致。

实验进行了静电电磁脉冲场诱发PTFE、环氧树脂、有机玻璃3种绝缘材料闪络的研究，利用示波器监测不同ESD模拟器输出电压和电极电压条件下3种材料的闪络电流波形，以及3种材料的诱发闪络概率，总结出静电电磁脉冲场对3种材料诱发闪络的影响规律。

3 实验结果与讨论

3.1 诱发闪络电流分析

实验中，外加静电电磁脉冲场诱发绝缘材料表面指型金属电极间产生闪络时，电极间隙会产生闪络电弧，此时通过电流探头监测闪络电流，在示波器上会呈现两个衰减振荡波，波形如图6～图8所示。第1个衰减振荡波形为ESD模拟器放电枪对金属耦合板接触放电所产生静电电磁脉冲场，在放电单元及接地回路上产生感应电流波形，第2个衰减振荡波为绝缘材料表面电极间的电子密度达到一定程度，静电电磁脉冲场诱发材料表面贯穿放电产生的闪络电流波形。当有机玻璃材料表面金属电极没有施加电极电压时，ESD模拟器输出电压调节到-30 kV，此时静电电磁脉冲场的场强达不到绝缘材料击穿场强，没有诱发闪络，只存在静电电磁脉冲感应电流波形，没有闪络电流波形，如图9所示。

图6 诱发有机玻璃材料发生闪络电流波形Fig.6 Induced flashover current waveform of PMMA material

图7 诱发环氧树脂材料发生闪络电流波形Fig.7 Induced flashover current waveform of EP material

图8 诱发PTFE材料发生闪络电流波形Fig.8 Induced flashover current waveform of PTFE material

图9 静电电磁脉冲感应电流波形Fig.9 ESD EMP induced current waveform

对于有机玻璃、环氧树脂、PTFE 3种绝缘材料，当在表贴指型金属电极两端施加了小于闪络阈值0.1 kV的电压同时ESD模拟器输出电压为-30 kV时，静电电磁脉冲场与电极电压形成的直流电场叠加，形成的合成场大于绝缘材料击穿场强，此时会诱发闪络，诱发闪络波形如图6～图8所示。在图6～图8中标记～6个点，其中、、点表示诱发3种绝缘材料闪络的静电电磁脉冲感应电流波形起始点，、、点表示3种绝缘材料诱发闪络波形的起始点，～、～、～之间的时间表示3种绝缘材料从静电电磁脉冲发出到诱发闪络的时间。

对于有机玻璃、环氧树脂、PTFE 3种绝缘材料，施加小于闪络阈值0.1 kV的电极电压，分别为-2.6 kV、-3 kV、-3.5 kV，同时ESD模拟器输出电压都为-30 kV，此时会诱发3种绝缘材料发生闪络，有机玻璃、环氧树脂、PTFE 3种绝缘材料的诱发闪络电流波形如图6～图8所示，在上述条件下，为了确保实验结果可靠性，3种绝缘材料各进行20次诱发闪络，诱发闪络电流时间和幅值取这20次诱发闪络的平均值。其中，有机玻璃、环氧树脂、PTFE的诱发闪络电流幅值平均值分别为-6.6 A、-8.2 A、-13.6 A，如表2所示。有机玻璃、环氧树脂、PTFE的诱发闪络电流时间平均值分别为396 ns、1 296 ns、2 796 ns，如表3所示。

表2 3种绝缘材料诱发闪络电流幅值平均值

表3 3种绝缘材料诱发闪络电流时间平均值

分析在相同ESD模拟器输出电压条件下诱发3种绝缘材料闪络时延特性和诱发闪络电流幅值特性，对比诱发3种材料闪络时电流波形变化情况发现，绝缘材料介电强度是影响诱发闪络电流变化的主要因素，根据理论分析，PTFE、环氧树脂、有机玻璃3种材料，介电强度越高，绝缘材料表面产生闪络就需要有更多的电子参与碰撞，以致达到三结合点处电离，使绝缘材料表面发生闪络，因此介电强度越高的材料发生诱发闪络，材料表面需要更高的电子密度在闪络时形成的电离通道，既需要更长的时间来积累电子，因此导致诱发绝缘材料闪络时的电流幅值变大，产生闪络电流所需时间变长。

3.2 诱发闪络的规律

根据2.3节实验方法步骤1，首先确定3种绝缘材料的闪络阈值-2.7 kV、-3.1 kV、-3.6 kV，在低于每种绝缘材料闪络阈值的电压下每隔0.1 kV选择5组作为实验电极电压，即有加载到绝缘材料表贴电极上的实验电压为，有机玻璃：-2.2 kV、-2.3 kV、-2.4 kV、-2.5 kV、-2.6 kV，环氧树脂：-2.6 kV、-2.7 kV、-2.8 kV、-2.9 kV、-3 kV，PTFE：-3.1 kV、-3.2 kV、-3.3 kV、-3.4 kV、-3.5 kV。ESD模拟器输出电压为-30 kV、-20 kV、-10 kV。图10～图12给出在不同的ESD模拟器输出电压下，3种绝缘材料诱发闪络的概率随电极电压变化的规律。从图10～图12中可以看出，3种绝缘材料的诱发闪络概率，皆随着ESD模拟器输出电压和电极电压的增加而增大。

图10 诱发有机玻璃闪络概率与ESD模拟器输出电压及电极电压的关系Fig.10 Relationship between induced flashover probability of PMMA and output voltage and electrode voltage of ESD simulator

图11 诱发环氧树脂闪络概率与ESD模拟器输出电压及电极电压的关系Fig.11 Relationship between induced flashover probability of EP and output voltage and electrode voltage of ESD simulator

图12 诱发PTFE闪络概率与ESD模拟器输出电压及电极电压的关系Fig.12 Relationship between induced flashover probability of PTFE and output voltage and electrode voltage of ESD simulator

有机玻璃材料随着电极电压的上升，绝缘表面诱发闪络概率呈平缓上升趋势。环氧树脂和PTFE材料分别在电极电压为-2.6～-2.8 kV和-3.1～-3.4 kV范围内，诱发闪络概率增长趋势缓慢；在-2.8～-3.0 kV和-3.4～-3.5 kV之间，诱发闪络概率呈快速上升趋势。根据理论结合实验分析可知，不同绝缘材料表面解吸附气体分子脱附概率和脱附平均速度不同，3种绝缘材料介电强度越大，在同等强度的静电电磁脉冲条件下，表面脱附概率越小，脱附平均速度越慢，使电子与气体分子碰撞电离越弱，因此导致诱发产生绝缘材料闪络的概率越小。

3.3 分析与讨论

根据绝缘材料表面闪络二次电子发射雪崩理论，当施加一定的电极电压时会在绝缘材料表面形成一个稳定电场，而绝缘材料与电极接触面存在一定空隙，会在三结合点处产生电场畸变，从而导致此处电场增强发射初始电子，受到电场的影响，电子会向前做加速运动碰撞材料表面产生二次电子，同时造成表面气体分子脱附，最终形成二次电子发射雪崩产生沿面闪络。当外加静电电磁脉冲场叠加在直流电场时，使三结点处畸变电场强度增强，场致发射产生更多初始电子，并由根据第1节中(3)式可知，随着外加电场的增强，材料表面电荷密度增加，使电子与气体分子碰撞电离程度更加充分，从而促使诱发绝缘材料闪络，使诱发绝缘材料表面闪络概率增大。

依据第1节中的(7)式和(8)式，可知当(+)=<时绝缘材料表面不会产生闪络现象；当施加的使+在附近时，由于静电电磁脉冲场的方向具有随机性，叠加在方向的场强分量大小随机，并非每次都能使(+)=≥，此时诱发闪络就存在概率，且诱发闪络概率随着合成场场强的增强而增大；但当合成场产生的感应电压远大于闪络电压，即≫时，诱发绝缘材料闪络的概率接近于1。结合图10～图12中有机玻璃、环氧树脂、PTFE 3种材料的诱发闪络的实验规律，具体情况可分为以下3种：

1)根据3.2节中给出的3种绝缘材料闪络电压阈值，调节电极电压低于绝缘材料闪络电压 0.5 kV，环氧树脂、PTFE材料电极电压分别为-2.6 kV、-3.1 kV时，电极电压在阴极- 绝缘材料- 空气三结合点处形成的畸变电场强度小，即电场的电场强度没有达到绝缘材料的闪络场强阈值，电子加速积累动能不足，撞击中性气体分子或绝缘材料表面时导致发生电离的概率大幅降低，生成的二次电子数目极少，不会形成闪络。当调节ESD模拟器输出电压为-10 kV时，此时静电电磁脉冲场与直流电场叠加构成的合成场产生的感应电压仍然小于绝缘材料闪络阈值，因此无法诱发绝缘材料表面产生闪络，此时(+)=<。两种绝缘材料的诱发闪络概率为0。

2)当调节有机玻璃、环氧树脂、PTFE 3种绝缘材料的电极电压分别为-2.3～-2.5 kV、-2.7～-2.9 kV、-3.2～-3.4 kV之间时，ESD模拟器输出电压为0，此时由于电极电压低于绝缘材料闪络电压阈值，所有不会发生自发闪络。调节ESD模拟器输出电压分别为-10 kV、-20 kV、-30 kV时，电极间的合成场强+在闪络击穿场强附近，此时由于静电电磁脉冲场的方向具有随机性，诱发闪络也存在随机性，但随着电极电压和ESD模拟器输出电压的增大，静电电磁脉冲场与直流电场叠加构成合成场的增强从根本上会提高诱发闪络的概率，此时合成场产生的感应电压逐步大于绝缘材料闪络电压阈值，即(+)=≥。随着电极电压和ESD模拟器输出电压的提升，诱发闪络概率随之提高，有机玻璃诱发闪络概率从0.05上升到0.85、环氧树脂诱发闪络概率从0上升到0.65、PTFE诱发闪络概率0上升到0.65。

3)调节电极电压低于绝缘材料闪络电压0.1 kV，有机玻璃、环氧树脂、PTFE 3种材料电极电压分别为-2.6、-3.0、-3.5 kV时，由于电极电压低于绝缘材料闪络电压阈值，电极间不会发生自发闪络，此时调节ESD模拟器输出电压为-30 kV，静电电磁脉冲场与直流电场叠加构成的合成场产生的感应电压远大于绝缘材料闪络电压阈值，即(+)=≫，静电电磁脉冲场诱发绝缘材料表面产生闪络，此时有机玻璃、环氧树脂、PTFE 3种材料的诱发闪络概率接近于1，分别为0.90、0.95、0.95。

此外，绝缘材料的绝缘性能主要反映在其自身介电强度，材料介电强度越大，发生诱发闪络时所需电场强度越强，同等电场强度条件下诱发闪络的概率越小。