如何提升氧化鋁陶瓷絕緣子在高場強電真空環境中的耐壓能力？

發布時間 | 2025-09-30 13:55 分類 | 粉體加工技術點擊量 | 262

氧化鋁

導讀：找具備相關技術服務能力的朋友。

在粉體工業萬里行走訪中，我們收到一項產業技術需求：“尋找在氧化鋁（Al?O?）陶瓷表面制備氧化鉻（Cr?O?）涂層的工藝方案，以提升氧化鋁陶瓷在高場強、電真空環境中的耐壓能力”。在此，小編先拋磚引玉聊一聊相關話題，歡迎具備相關技術服務能力的朋友與我們聯系對接。

高壓真空滅弧室氧化鋁陶瓷真空管(來源網絡)

一、絕緣子耐壓劣化的“罪魁禍首”：沿面閃絡現象

氧化鋁絕緣子在高功率設備與高真空/電真空器件中同時承擔電絕緣與機械支撐作用，已成為裝置不可或缺的關鍵部件。然而在高真空及高場強條件下，其耐壓瓶頸往往不在材料本體，而在表面過程——最典型的就是沿面放電擊穿（即沿面閃絡）。

所謂沿面閃絡現象是指在強電場作用下，固體絕緣子表面及其鄰域介質（氣體/液體，真空中則伴隨表面脫附氣體與電子發射）被電離或導電化，放電通道沿固體表面發展并跨越電極間隙，最終導致貫穿性擊穿與絕緣失效。該現象不僅顯著削弱高壓介質設備的耐壓與運行可靠性，造成潛在經濟損失，也成為固體絕緣子向緊湊化、小型化發展的核心瓶頸。

從閾值對比看，沿面閃絡的起始電壓/場強通常遠低于體擊穿或純介質間隙的擊穿水平。例如：以真空作為絕緣介質時，擊穿場強的臨界值大約在35kV/mm，氧化鋁陶瓷作為絕緣介質時，體積穿場強的臨界值一般在30-40kV/mm，而在氧化鋁-真空絕緣體系中，外加場強往往僅達到上述臨界場強的十分之一到數分之一，就可能在絕緣子表面觸發沿面閃絡，甚至造成對Al?O?表面的局部破壞。

二、影響沿面閃絡電壓的因素

研究表明，影響沿面閃絡的因素主要包括：施加電場的波形與幅值、真空度及殘余氣體組成、電極的結構與材料、絕緣子的幾何形狀與尺寸、絕緣子材料與表面特性（粗糙度、清潔度、吸附/污染、涂層）、預放電/烘烤等前處理，以及表面帶電狀態與表面氣體吸附等。

從材料研究視角，重點關注真空電子用陶瓷的材質、形狀與表面特性。影響沿面閃絡的關鍵電學參數包括介電常數ε、電導率σ和二次電子發射系數δ（SEE）。一般而言：①介電常數較高會在電極–絕緣體–真空三相點處增強電場畸變，傾向于降低沿面閃絡閾值；②在適當范圍內，表面電導率升高可加速表面電荷消散、抑制起始，但過高則會增大泄漏電流并可能引發熱不穩定，不利于耐壓；③依據SEEA模型，降低表面二次電子發射系數可削弱電子倍增，從而提高沿面閃絡電壓。

關于SEEA（基于SEE的放電機理模型）：二次電子發射雪崩模型由美國學者 Anderson 和Brainard等人最早提出，該模型認為，在外加高壓電場作用下，從電極-絕緣子-真空三相結合點發射的初始電子獲得能量被加速并轟擊絕緣子表面，碰撞過程初始電子的能量到達一定閾值時，會形成二次電子發射，同時在絕緣子表面形成正電荷。二次電子在電場的作用下，再次轟擊絕緣子表面產生更多的次級電子，該過程反復進行，最終導致二次電子雪崩。

二次電子發射模型物理過程示意圖

三、氧化鋁陶瓷表面閃絡抑制技術

提高固體絕緣材料絕緣性能的關鍵在于保持基體絕緣性能的前提下，努力提高其沿面閃絡電壓。基于現有機理，提升路徑主要有兩類：①降低表面二次電子發射系數δ削弱電子倍增；②將表面電阻率設計在合適窗口，加快表面電荷消散，避免局部場過度集中與熱不穩定。

與上述兩類“材料電學參數”并行，工程上常配套一類幾何/場分布控制的手段，用于降低三相點場強并延緩通道成形，例如：在氧化鋁陶瓷絕緣子表面加工周期性波紋（或刻槽），可在不增大外形尺寸的情況下延長爬電距離、平滑等勢線并降低三相點處的切向場強，同時打斷電子回返路徑、降低SEE的有效增益，從而延緩通道形成并抬升沿面閃絡電壓。波紋棱頂需圓角化，避免新尖邊引入局部場增強。

來源：網絡

圍繞以上思路，表面改性已成為熱點：以制備功能涂層為主，輔以金屬離子轟擊、電子束輻照、表面氟化、等離子體處理、激光處理等。涂層可分單相/復相兩類，其中Cr?O?、Cu?O等單相功能層研究較多，可同時實現低δ與可控表面電阻；這也回到開篇話題——在Al?O?基體上構建Cr?O?功能涂層，疊加上述“幾何/場分布控制”（如波紋/刻槽），可協同抬升沿面閃絡電壓與整體耐壓可靠性。相關涂層技術合作者，歡迎聯系交流。