浅析Al2O3预电离陶瓷管的国产化

作者简介：阚金锋（1989-），男，河北黄骅，硕士，工程师，主要从事准分子激光器用新材料的研发。

摘 要： 激光器用预电离Al2O3陶瓷管具有较长和较细的尺寸特点，生产过程中易出现内部缺陷和加工精度不足等问题，目前严重依赖于进口。本文围绕Al2O3介电管生产的结构设计和介电性能两方面，介绍和归纳总结了陶瓷介电管的典型结构、制备难点以及影响Al2O3材质介电性能的主要因素，以期为Al2O3预电离陶瓷管的国产化提供参考和借鉴。

关键词：激光器预电离；氧化铝介电管；加工精度；介电性能

1 前言

激光器预电离[1-2]是在主放电初期，通过对预电离装置施加外电场使电介质极化产生一定密度的初始电子（通常为107-109/cm3），然后使中性气体分子电离或激发产生光子，从而避免流光向弧光的恶性转变，降低激光器内电极的腐蚀和气体的消耗。预电离装置所需的陶瓷介电管尺寸通常较长（600-700mm）和较细（外径6-8mm，内径3-5mm），生产过程中很容易出现内部缺陷和加工精度不足等问题，导致该陶瓷管成品率低、生成成本高[3]，因此严重地限制了陶瓷介电管的国产化。

本文主要围绕着Al2O3介电管生产的结构设计和介电性能两个方面，首先介绍了陶瓷介电管的典型结构以及制备难点，然后归纳总结了影响Al2O3材质介电性能的主要因素，最后简要说明了Al2O3陶瓷介电管生产的研究方向，以期为预电离陶瓷管的国产化提供参考和借鉴。

2  陶瓷介电管典型结构及制备难点

关于陶瓷介电管的结构设计存在着两点共识[4]：（1）介电管的直径应尽量小，以减少腔室内循环气体的流动干扰；（2）介电管的壁厚应尽量薄，以最大限度地提高管的电容。由于介电管的高波阻抗，储存在介电管中的剩余能量会在介电管和主要放电气体间产生高压电振荡，从而显著地降低介电管开口端抵抗直接高压击穿和闪络的能力[5]。为此，最初设计的介电管采用的是管与衬套组合式的结构，衬套位于管的两端，上面具有“抗爬电”的凹槽（anti-tracking grooves），衬套通过粘结剂附着在管壁上，如图1所示[6-7]。采用此结构的介电管经长时间使用后，粘结剂会在电晕环境下趋于恶化，污染腔室内的工作气体，需要频繁地更换气体，从而严重地限制了预电离器的预电离效果。此外，管与衬套组合式的结构要求两者在非常小的公差范围内进行安装，因此必须进行精细抛光，增加了介电管的制造难度。

电晕预电离可以提供均匀的初始电子密度，但是该放电过程强度较弱。介电管的直径越大，可以为光子的产生提供更大的表面积，从而增强预电离效应。为此，又发展出了一种整体式结构的陶瓷介电管以解决上述介电管预电离效果不足的问题。该介电管采用了大管径和厚壁的设计，衬套结构可在管的末端直接加工成型，如图2所示。

整体式结构的介电管虽然解决了组合式介电管预电离效果不足的问题，但是它的生产制备依然存在着如下难点：

（1）陶瓷介电管尺寸较长且较细，生成过程中陶瓷管生坯压制后易变形开裂，同时在烧制过程中也容易弯曲变形；

（2）为确保预电离放电时介电管与内部电极间的强电容耦合，需保证两者之间的间隙均匀最小。由于介电管内径较小且尺寸较长，其内径表面无法进行直接加工，易导致内电极与介电管间隙不均甚至无法穿入介电管中；

（3）介电管两端的“抗爬电”凹槽采用直接加工成型的方式，由于该结构壁厚较薄，加之Al2O3陶瓷材质脆性较大，加工过程中很容易破裂。

3  Al2O3陶瓷管介电性能的影响因素

当在介电管内电极和管上的导体之间施加电压脉冲时，会使介电管的外部表面产生电晕放电，从而实现腔体内部的气体预电离。因此，用于制造介电管的陶瓷材料需要具有高介电常数（Dielectric Constant）和高击穿强度（Breakdown Strength），足以支持电容性电晕放电而不发生介电击穿[8-10]。氧化铝（Al2O3）由于具有高热稳定性，能够承受高脉冲率电流和反复的高温冲击，同时Al2O3还具有良好的耐腐蚀性，可以抵抗准分子激光器中由氟气（F2）、氩气（Ar）和氪气（Kr）等组成的工作气体的腐蚀[11]，因此成为制备介电管的首选陶瓷材料。Al2O3陶瓷的介电性能主要取决于主晶相（α-Al2O3）的物理特性，如孔隙率、晶粒尺寸和杂质元素等[12]。

3.1  孔隙率

当Al2O3陶瓷中存在气孔时，由于空气的击穿强度远低于陶瓷的击穿强度，因此在气孔位置很容易发生击穿现象。Al2O3陶瓷内部的气孔率越高，孔径尺寸越大，其介电性能越差。Zhang等[13]在Al2O3陶瓷制备过程中添加不同含量和粒径的聚乙烯醇（PVA）颗粒添加剂，最终得到了内部孔隙大小和数量不同的Al2O3试样。样品的介电击穿强度随着孔隙率和孔径的增加而减小，并且孔隙率越高，孔隙尺寸对材料抗击穿强度的影响越大。Penn等[14]发现Al2O3陶瓷的介电常数与孔隙率满足线性关系，随着陶瓷孔隙率的增加，Al2O3陶瓷的介电常数呈线性下降的趋势。Neusel等[15]通过往Al2O3粉末中掺入不同含量的大米淀粉作为助孔剂，烧制出具有不同孔隙率的Al2O3陶瓷并对其介电性能进行了研究。随着孔隙率的增加，击穿强度降低，但与Liebault等[16]报道的低于5vol%的孔隙率对击穿强度没有影响相反，即使低于5vol%孔隙率也会对击穿强度产生影响。

3.2  晶粒尺寸

关于陶瓷的晶粒尺寸，当晶粒尺寸过大时击穿通道会沿着晶界进行扩散。Liebault等[17]对纯度为99.99%（E0）和99.8%（B1和B2）的Al2O3陶瓷进行了研究。如图4所示，纯度为99.99%的Al2O3陶瓷，其击穿强度并未受到晶粒尺寸的影响，保持在15.2±0.5kV/mm，而纯度为99.8%的Al2O3陶瓷其击穿强度低于纯度为99.99%的Al2O3陶瓷，且随着晶粒尺寸的增大而降低。

3.3  杂质元素

Al2O3陶瓷材料的介电性能与其电荷特性密切相关，捕获电荷密度的增强会引起极化和晶格畸变，从而使材料内部的能量累积。当捕获电荷达到某个临界温度（或某个临界电场），则外部应力（热或机械）会触发陶瓷材料中储存能量的释放。如果这种能量足够大，则可能会使其发生击穿[18]。陶瓷材料的外部点缺陷是由外来元素的溶解引起的，杂质的溶解度主要取决于其阳离子的大小，通常小尺寸的元素具有高溶解度。此外，不同的杂质元素类型和含量会在Al2O3陶瓷微观结构中形成不同的晶间相，这些相控制着电荷的捕获和扩散。当陶瓷材料能够稳定地获得大量电荷时，其介电性能会得到提升。Ahmed等[19]用正电子寿命测量法测试了掺杂（主要为Si元素）Al2O3陶瓷样品的介电击穿强度，该Al2O3样品的击穿强度满足Ec=0.454sGB+12.16kV/mm的线性关系，其中sGB为晶界比表面积。当Si杂质溶解到Al2O3中时会在晶界处偏析，使得晶界处的正电子阱浓度升高，因而Al2O3陶瓷的击穿强度也会线性增加。Haddour等[20]研究了具有不同添加物（SiO2、MgO、CaO和ZrO2）含量的Al2O3陶瓷的介电击穿行为。陶瓷A和陶瓷B含有堇青石，具有更多的电子阱，从而导致更高的击穿强度（陶瓷A击穿强度为14.9kV/mm，陶瓷B击穿强度为14.4kV/mm），而陶瓷C不含有堇青石，击穿强度降低为13.9kV/mm。Farag等[21]研究了掺杂不同摩尔比0.01-0.19 MnO，0.01-0.16摩尔比MoO3和CdO的α-Al2O3的介电性能。掺杂剂浓度对ε的影响在MnO掺杂剂中最小，其次为CdO掺杂剂，MoO3掺杂剂中影响最大。Mn阳离子以与Al3+相同价态的Mn3+的形式进入Al2O3晶格，由于两者离子半径相差不大，高浓度过量的Mn阳离子不会产生点缺陷，而是在晶界处偏析形成第二非晶相。对于Cd和Mo掺杂剂，Cd掺杂剂仅以二价阳离子形式引入到Al2O3晶格中，而Mo掺杂剂不仅以Mo6+形式引入基体晶格，还以Mo的还原形式引入基体晶格，从而在烧结过程中产生更多的点缺陷。

3.4  晶体结构

Al2O3材料的介电性能与其韧性直接相关，晶体结构会影响其韧性，而晶体取向不会影响其介电性能。Neusel等[22]研究了单晶Al2O3在{110}面（单晶A）和{0001}面（单晶C）两种不同晶体取向下的击穿行为。在C取向晶体中，击穿通道平行于C轴，对A取向晶体，击穿通道从斜向穿过样品，晶体表面与击穿通道夹角为60°。虽然A和C晶体的击穿通道不同，但是两者的击穿强度相一致。Malec等[23]研究了Al2O3陶瓷的介电强度与晶体形貌（单晶和多晶）间的变化规律。在对Al2O3样品施加电压期间，作用于样品的机电力会导致裂纹的扩展并引发材料的炸裂。Al2O3材料的韧性与它的击穿强度直接相关，即韧性越高，介电强度越高。单晶Al2O3解理面上裂纹的移动速率比多晶Al2O3中的更快，因此多晶Al2O3具有更高的韧性和介电击穿强度。

4  结  语

激光器预电离装置用Al2O3介电管尺寸较长且较细，生产过程中易出现内部缺陷和加工精度不足等问题。为此，该Al2O3介电管的国产化生产仍需围绕以下两个方面进行开展：

（1）Al2O3介电管内部缺陷的改善。采用整体式结构的Al2O3介电管由于壁厚增加，使得其内部出现气孔、异常夹杂物和组织不均等缺陷的概率增加。为此，生产过程中需严格筛选Al2O3粉源、制定最佳的烧成制度来控制其内部的孔隙率、晶粒尺寸和杂质元素等因素。

（2）Al2O3介电管尺寸精度的控制。限于该陶瓷介电管的尺寸，现有的冷等静压+烧结的生产工艺在保证Al2O3介电管收缩一致性方面仍有较大难度，需要借助精密工装成型和严格设定烧成制度等措施把控。有关薄壁“抗爬电”槽的加工也需借助新型的磨削设备和合理的加工制度来实现。

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