[發明專利]等離子體處理絕緣材料提高真空沿面耐壓性能的方法

有效

• 申請號: 201410047959.0
• 申請日: 2014-02-11
• 公開（公告）號: CN103834052A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 邵濤;牛錚;章程;楊文晉
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: C08J7/00
• 分類號: C08J7/00;C08J7/12
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種提高絕緣材料真空沿面閃絡電壓的方法。

背景技術

電力設備中，絕緣支撐體將導電體相互連接，起到電氣絕緣和機械固定的作用，雖然該絕緣介質有著很高的體擊穿強度，但在真空與絕緣介質的真空-固體交界面上存在著沿面放電現象，當電壓升高到一定程度使放電發展成貫穿性的擊穿，稱為沿面閃絡。這使得引入絕緣支撐體后的真空設備的耐壓能力大大降低，影響設備正常運行，并且可能由于耐壓失敗而造成經濟損失。

對絕緣材料表面進行改性的物理方法，包括表面研磨，熱處理，表面涂覆等。中科院化學所的江雷研究員（Angewandte?Chemie?International?Edition,2002,41(7):1221-1223）曾使用微米納米級的多孔材料作為基板，采用加熱或擠壓的方式將材料表面印制出同樣的多孔結構。化學方法包括氣相沉積法，電化學法，粒子填充法等。日本的Fujishima（Langmuir,2004,20:6065-6067）曾采用電化學腐蝕再修飾氟硅化合物的方法處理材料表面，大幅提高了材料表面的粗糙度。這些物理化學方法存在一些缺點，例如化學溶液腐蝕會改變材料基體性質，加熱擠壓不適用于易形變或不耐熱的材料等。

在一定的氣體空間中施加電場產生放電，可以簡單有效地產生低溫非平衡等離子體。其中使用工頻、高頻高壓和納秒脈沖電源等激勵介質阻擋放電（DBD）在大氣壓下產生等離子體，或者采用開有通孔的管狀設備，放電產生的等離子體由噴嘴處向外發展成射流形式（JET），在一定的媒介作用下對聚合物材料表面進行改性，在作用過程中僅涉及表面的幾至幾百納米，改善材料表面性能的同時又不影響整體的物理化學特性。且放電產生等離子體這種干式工藝步驟簡潔，又具有環保效應。西安交通大學的方志（Journal?of?Physics?D:Applied?Physics,2004,37:2261-2266）和浙江大學的王長全（浙江大學博士學位論文,2006）通過這種等離子體處理的方法，對玻璃表面進行改性并獲得了一定的結果。中南大學的高松華（中南大學博士學位論文,2008）使用四氟化碳作為媒介放電產生等離子體來處理硅橡膠。英國的Borcia（Applied?Surface?Science,2002,189:31-38）在氟和氯的混合氣體中放電產生等離子體，對幾種聚合物薄膜表面進行改性。這些研究均證明了等離子體表面處理的可行性。

發明內容

本發明的目的是克服電化學等方法處理材料表面時影響材料基體物理化學性質和不夠節能環保的缺點，提出一種提高絕緣材料表面耐壓性能的方法。

本發明利用金屬電極在脈沖電源激勵下放電產生等離子體，在有機玻璃表面形成憎水表面結構；等離子體中高能粒子的刻蝕作用和等離子體中的活性離子在絕緣材料表面發生的聚合和接枝作用，提高絕緣材料表面的粗糙度，改變了絕緣材料表面的分子結構，降低了材料表面能，降低了材料的二次電子發射系數，從而提高了絕緣材料在真空條件下的沿面耐壓性能。

絕緣材料表面的粗糙度和表面能影響著真空沿面閃絡過程。材料表面的水接觸角可以用來表征材料表面的粗糙度和表面能。當材料表面水接觸角θ<90°時稱為親水表面，當90°<θ<180°時稱為憎水表面。

本發明使用等離子體改性方法制成材料的憎水表面，一方面利用脈沖放電方式在含硅（二甲基硅油）或含氟（CF₄）的媒介中產生含有高活性離子的等離子體，打破原有化學鍵，將硅或氟修飾到材料表面，降低材料表面能；另一方面利用等離子體中的高能粒子對材料表面進行刻蝕，增加表面粗糙度。二次電子發射是沿面閃絡發展過程中電子倍增的關鍵因素，通過表面改性可以降低材料的二次電子發射系數，有效提高材料的沿面閃絡電壓。

本發明采用簡易的金屬電極，在脈沖電源激勵下，金屬電極放電產生等離子體，在有機玻璃表面形成憎水表面結構。采用本發明方法處理后的有機玻璃材料，其水接觸角可由原始的68°提高至104°。不同改性結果下材料的表面耐壓性能均有提高，其中改性后表面水接觸角達到82°的材料的真空沿面閃絡電壓可提高12.5%～14.5%，水接觸角達到92°的材料的真空沿面閃絡電壓可提高15.9%～27.4%，水接觸角達到99°的材料的真空沿面閃絡電壓可提高17.8%～30.8%，水接觸角達到104°的材料的真空沿面閃絡電壓可提高21.2%～34.2%。

本發明方法的具體步驟如下：

步驟1：清洗有機玻璃材料，測量材料表面的原始水接觸角；