铁电陶瓷堆三相点的电子发射机理研究

Ferroelectric ceramic piles have important applied prospect in the fields of high electric pulse power, large strain transducer and density energy capacitor etc. Flashover of ferroelectric ceramic pile is a bottleneck which needs to overcome in the practical application. The out put power and the reliability will be enhanced by raising breakdown voltage of ferroelectric ceramic pile. . The triples points of ferroelectric ceramic pile, which jointed with ferroelectric ceramics, insulation packaging materials and metal electrodes, is one of primary reasons that account for the flashover. The present project will research the effects of ferroelectric ceramics, packaging materials and the interfacial states on the electric field distortion and in turn set off the electric field enhancement at the triple points of ferroelectric ceramic pile. The electron emission mechanism and properties of triple points of ferroelectric ceramic pile will be investigated. The effects from material and physical factors on electric emission of triple point will be analyzed. Based on the studies above, the test method and technological approaches to reduce the electron emission and raise flashover voltage will be researched as well.. The present research helps to resolve the problems in the applications of ferroelectric ceramic pile and also enriches the theory of flashover and electron emission for function materials.

铁电陶瓷堆在高功率脉冲电源、大应变换能器和高储能电容器等器件中有重要的应用。铁电陶瓷堆沿面闪络击穿问题是应用中需要解决的技术瓶颈，提高铁电陶瓷堆的沿面闪络电压将有助于提高输出功率和工作可靠性。 铁电陶瓷堆中，由铁电陶瓷、绝缘封装材料和金属电极交汇形成的三相点，是引起铁电陶瓷堆沿面闪络电击穿的重要原因之一。本项目研究铁电陶瓷堆的组成材料性能和界面状态对三相点电场分布和电场增强效应的影响，研究三相点的电子发射机理和发射特性。分析影响铁电陶瓷堆三相点电场强度增强和电子发射的材料和物理因素。在此基础上，研究消除三相点的电子发射、提高铁电陶瓷堆沿面闪络电压的技术途径。该项目研究工作将有助于确定造成铁电陶瓷堆沿面闪络击穿的原因和条件，为探索提高铁电陶瓷沿面闪络电压的方法提供科学理论依据和技术指导。

本项目是国家自然科学基金委和中国工程物理研究院联合资助的课题，是中国工程物理研究院提出的培育方向研究课题。根据本项目申请书和任务书的要求，本项目主要研究内容是：研究铁电陶瓷堆三相点处的电场分布和影响电场分布的材料以及物理因素，研究绝缘封装材料的介电性能和界面状态对电子发射的影响，在此基础上探索提高铁电陶瓷堆的沿面闪络电压的技术途径。. 本项目取得的重要研究结果是：.1、建立了铁电陶瓷堆三相点的物理模型，推导出三相点处的电场强度随三相点夹角和材料介电常数的数学关系，定量描述了三相点的形状和材料介电常数对电场强度的影响。测定了电场、压力和温度等外界条件对铁电陶瓷的极化强度、介电常数和体积的影响。.2、测定了铁电陶瓷的电子发射特性和耐电击穿强度，通过实验验证了影响铁电陶瓷堆电场强度变化因素的理论分析，从理论和实验两方面确定了铁电陶瓷堆的电击穿微观机理和影响因素；.3、实验上证实采用高介电常数涂覆材料作为中间过渡层可以平滑铁电陶瓷堆三相点电场增强抑制电子发射的推测，明确了提高铁电陶瓷堆的沿面闪络击穿电压的技术途径。.4、在本项目研究工作基础上，根据中国工程物理研究院应用需求，开展了高压绝缘封装材料的研究工作，研制出在高电场下具有高介电常数和半导特性的新型高压有机复合绝缘封装材料，弥补了目前高压绝缘封装材料的缺点。. 通过本项目资助，在国际重要刊物发表研究论文7篇（SCI收录），申报国家发明专利1项，与中国工程物理研究院联合培养青年科技人员和博士研究生1名。完成了本项目计划书和中国工程物理研究院任务书的要求，并且在此基础上根据中国工程物理研究院的应用需求开展了进一步的研究工作。