基于常压纳秒脉冲放电表面处理抑制绝缘材料界面电荷的研究

Due to the problem of the interface charge effect ( surface charge accumulation and space charge injection) of typical polymer insulating materials used in high voltage and insulating technology, the project proposes a new method for suppression of surface and space charges based on the hydrophilic or hydrophobic surface modification of epoxy resin using nanosecond-pulse discharge plasma jet array at atmospheric pressure. The distributions of surface and space charges of different treatments will be measured, and then, the characteristics of the accumulation, transport, and dissipation of surface and space charges will be obtained. The effects of discharge parameters, treatment medium and surface characterization on the charge accumulation and dissipation will be achieved, and some experiments of surface flashover and electric-tree aging will be conducted to confirm the effect of surface treatment on charge suppression. The correlation between surface treatment and surface / space charges will be established, and an optimal method of plasma modification will be put forward. Finally, both guiding principle and technical method using plasma surface modification for suppressing charge accumulation are proposed, and the theoretical basis of different surface modification to suppress interface charges will also be discussed. The results of the project can promote atmospheric-pressure low-temperature plasma applications, and the project is also of great interest for the improvement of high voltage insulating materials and insulation technology.

针对高电压绝缘技术常用典型高分子绝缘材料在高压电场下存在界面电荷效应（包括表面电荷积聚和空间电荷注入）的问题，本项目提出基于常压纳秒脉冲放电等离子体射流阵列处理，在环氧树脂表面构造不同的亲水/憎水的微纳结构，并实现电荷抑制的方法，测试不同改性方法的表面电荷和空间电荷分布特征，获得表面电荷和空间电荷的的产生、输运、积累及消散特性，得到放电参数、处理媒介、表面特性对电荷聚积和消散影响的变化规律，并开展沿面闪络和电树老化实验验证，分析表面处理与界面电荷关联性，给出等离子体处理的最优改性条件，提出等离子体表面改性抑制界面电荷的指导原则和技术方法，探讨不同的表面功能结构抑制表面电荷和空间电荷的理论依据，项目成果可促进大气压低温等离子体技术应用，为高电压绝缘技术用绝缘材料的改进和绝缘技术的提升提供借鉴。

针对高电压绝缘技术常用典型高分子绝缘材料在高压电场下存在界面电荷效应（包括表面电荷积聚和空间电荷注入）的问题，在基金委资助下，本项目开展了基于常压纳秒脉冲放电等离子体改性研究。通过在环氧树脂表面构造微纳结构抑制绝缘材料的界面电荷效应，得到了放电参数、处理媒介、表面特性对电荷聚积和消散影响的变化规律。并开展沿面闪络和电树老化实验验证，分析表面处理与界面电荷关联性，给出了等离子体处理的最优改性条件。本研究分别采用大气压等离子体射流和DBD放电作为等离子体源，结合等离子体化学气相沉积方法在环氧树脂表面沉积 SiOx 薄膜。对比分析了不同改性方法处理前后的表面电气特性。薄膜沉积后表面电荷消散率提高至98%，表面电导率最高可提升3个数量级，沿面闪络电压提高约20%。研究表明，改性后表面电导率提高和陷阱浅化共同促进表面电荷快速消散，介质表面电场畸变减弱，沿面闪络电压随之提高。此外，为了抑制金属电极的电荷注入，还分析了基底性质和激发气体组分对薄膜沉积过程中的放电特性及薄膜特性影响，以及射流沉积TiO2-SiOx复合薄膜。四年内在JPD, JAP, TDEI等期刊发表SCI论文15篇，在高电压技术，电工技术学报等期刊发表EI论文12篇。申请发明专利11项，授权发明专利5项。做国际会议邀请报告10次。培养博士后1名，硕士5名。通过本项目的实施，掌握了脉冲放电表面处理抑制绝缘材料界面电荷的工艺流程，为脉冲放电等离子体在材料表面改性的工程应用提供了重要的技术支撑。