大气压等离子体辅助薄膜沉积增强绝缘材料真空沿面闪络性能的研究

The surface flashover on the interface between insulator and vacuum severely restricts the performance of pulsed power devices. It is of great significance to increase the surface flashover voltage in vacuum. Atmospheric-pressure low-temperature plasma can act on the surface of the insulating material to improve the surface properties without affecting the properties of the substrate. For the surface of insulator with different structures, this project is designed to produce a new type of atmospheric-pressure plasma processing device, which is used to generate a large area of highly active plasma assisting functional thin film deposition, and to achieve improvement of the surface flashover of the insulator in vacuum. The changing rule of surface flashover voltage in vacuum will be studied by changing the discharge parameters, electrode structures and processing atmosphere to get the optimized conditions of the surface voltage withstanding properties under different discharge parameters. The test analysis methods including surface roughness, surface composition, secondary electron emission coefficient, surface resistance and other parameters will be used to reveal the mechanism of improving the surface breakdown threshold of the plasma-modified insulating material. Furthermore, the atmosphere and processing parameters will be changed to optimize the stability and anti-aging characteristics of the film, and provide an atmospheric pressure plasma film deposition device that can be used in enegineering. The research results of this project can be used not only to guide the design and optimization of solid insulation in vacuum, but also to realize on-line processing of materials in active and ensure safe operation of high-power pulsed devices.

绝缘介质与真空的交界面上存在沿面闪络现象，严重制约着脉冲功率器件的性能，提高真空沿面闪络电压具有重要意义。大气压低温等离子体能够作用于绝缘材料表面，在不影响基体性能的情况下提高绝缘材料的表面性能。针对不同结构的绝缘子表面，本项目通过设计新型结构的大气压等离子体处理装置，用于产生大面积高活性等离子体辅助功能性薄膜沉积，并实现真空沿面耐压性能的提高。改变放电参数、电极结构及处理气氛等条件研究材料真空沿面闪络的变化规律，得到不同放电参数下表面耐压性能的优化条件。采用包括表面粗糙度、表面成分、二次电子发射系数、表面电阻等多参数的测试分析手段，揭示等离子体改性绝缘材料表面提高击穿阈值的机理。同时改变气氛和处理参数，优化薄膜的稳定性与抗老化特性，提供可现场使用的大气压等离子体薄膜沉积装置。本项目的研究成果不仅可用于指导真空中固体绝缘设计和优化，也可实现对现役材料的在线处理，保障高功率脉冲设备安全运行。

真空中绝缘材料沿面闪络现象严重制约真空绝缘系统的发展。提高绝缘材料的沿面闪络性能对脉冲功率系统的大容量、小型化具有重要意义。大气压等离子体表面处理技术凭借其高效可靠、可连续处理、方式灵活、经济性好等优势已经在材料改性领域大规模推广应用。本研究采用大气压等离子体沉积技术对氧化铝陶瓷进行表面改性以提升其真空沿面绝缘性能。真空沿面电场分布对沿面闪络的起始、发展有重要影响。首先，基于二元匀气思想，设计了一套大气压等离子体沉积装置，保证沉积薄膜的均匀性、可靠性。利用此装置在氧化铝陶瓷表面分别沉积了氧化铬和二氧化钛两种不同的功能层薄膜，实验结果表明两种薄膜均能将闪络电压大幅度的提升，通过分析薄膜的理化性质，对其成膜工艺进行了探究。然后，建立了复合沉积闪络仿真模型，通过仿真分析复合薄膜对真空中材料表面的电场分布的影响，发现复合薄膜沉积相较于未处理、单一功能层的薄膜沉积更能改善真空沿面绝缘性能。因此，设计进行了大气压复合薄膜沉积实验，在原材料表面构建梯度沉积层，调控阴极三结合点处的场强，缓和电场畸变。复合沉积处理后的样品，稳定闪络电压均大幅度提升，复合薄膜沉积后样品表面稳定闪络电压提升77%。证明了大气压等离子体复合薄膜沉积提高氧化铝陶瓷真空表面闪络电压的可行性，这为提升材料沿面绝缘性能提供了很有前景的技术支持。最后基于二次电子雪崩理论以及实验中表面陷阱的分布、电荷消散和闪络电压等数据，探究总结了氧化铝陶瓷上功能层陷阱参数对其真空绝缘性能的影响规律。假设陷阱密度保持不变，以电荷消散或电场畸变起主导作用时，随着陷阱能级变深，闪络电压都会出现先增加后降低的现象。