真空脉冲绝缘用可加工陶瓷的制备与应用研究

真空沿面绝缘是决定脉冲功率装置整体性能的瓶颈，严重制约其进一步发展，探索适用于真空氛围的新型高耐电强度材料及结构一直是很多研究者的目标。本项目针对将自主研发的可加工陶瓷MC?引入脉冲功率绝缘领域，考察陶瓷的成分、晶化工艺及表面改性等对其非电学和电学性能参数影响，基于对不同制备的可加工陶瓷开展脉冲电压下沿面耐电特性的测试，建立其电学参数、表面状况、闪络现象之间的内在联系，提出表征和改善真空闪络特性的综合评价体系，获得优化的陶瓷制备技术；将磁场闪络抑制(MFI)概念引入基于可加工陶瓷的绝缘结构设计，得到脉冲电压下实现MFI的临界E/B判据，探索不发生沿面闪络的极限电场，达到将闪络现象有效调控目的，获得优化的结构设计方案；研制径向多层绝缘支撑、轴向绝缘堆两种新型结构实物。将对我国Z-Pinch驱动的惯性约束核聚变国家重大专项具有直接意义，对促进脉冲功率装置发展具有重要的科学意义和军事应用前景。

本项目针对将自主研发的可加工陶瓷(MC-XJTU)引入脉冲功率绝缘领域，考察了陶瓷的成分、晶化工艺及表面改性处理等对其电学和非电学性能的影响，获得了优化的陶瓷制备技术，基于脉冲电压下试品沿面耐电特性的测试，并结合二次电子发射系数、表面陷阱能级分布等先进的诊断测量技术建立了其电学参数、表面状况、沿面闪络现象之间的内在联系。对沿面闪络的起始及发展过程进行了研究，发展并提出了沿面闪络博弈模型，对沿面闪络过程进行了更加清晰的阐述，在一定程度上解决了目前国际上关于闪络起始的争论。将磁场闪络抑制(MFI)概念引入绝缘结构设计，考察了脉冲电压下磁场对沿面耐电特性的影响规律，得到了MFI的临界E/B判据，探索不发生沿面闪络的极限电场，达到将闪络现象有效调控目的。结合实际工程中复杂的应用环境，研究了激光辐照对材料沿面耐电特性的影响，发现注重绝缘结构中阴极三结合点等薄弱区域的防护对提高其闪络特性是十分重要的。基于本课题相关研究对闪络现象及其机理的认识，认为真空中固体绝缘的沿面闪络在本质上是一种发生在高电场下复合介质系统中的复杂的表面界面物理现象，通过影响因素的调控可提高材料及结构的沿面耐电特性，综合考虑电极结构、绝缘子外形、表面状况及处理、磁场、紫外辐照等方面的影响，初步提出了面向应用的、用于表征和改善真空闪络特性的综合评价方法。基于上述综合评价方法，设计并制作了径向多层绝缘支撑、轴向绝缘堆等新型结构，并利用统计学经验公式对径向多层绝缘支撑、轴向绝缘堆结构的闪络概率进行评估，为MC轴向绝缘堆栈的工作场强设计和全堆闪络概率评估提供指导，进而提出改善绝缘堆性能的方法。本课题完成了预定研究计划，达到了预期目标，对促进脉冲功率装置绝缘发展具有重要的科学意义和军事应用前景。