热处理对氧化铝陶瓷表面形貌的影响文献综述

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文献综述

摘要：

陶瓷绝缘子（主要是A12O3陶瓷）以其优良的电气性能而被广泛应用于电真空器件中，如高功率微波管、真空灭弧室(VI)、真空断路器（VCB）等。然而其电气性能的发挥受绝缘子沿面闪络的严重制约，造成绝缘子在远低于同尺寸的真空间隙的耐压强度和体耐压水平的情况下出现击穿现象[1-3]。本文通过在粉体中掺杂铬来制备95氧化铝陶瓷，运用不同的热处理方式对陶瓷进行热处理，通过观测热处理后的氧化铝陶瓷的表面性能（如表面形貌、表面电阻率、缺陷等），在此基础上探讨氧化铝陶瓷的沿面闪络特性。

关键词：

95氧化铝陶瓷；掺铬；热处理；表面性能；沿面闪络

引言

由于陶瓷绝缘子（主要是氧化铝陶瓷）优良的机电性能，因而被广泛应用于特种电真空器件中，起着真空密封、高压绝缘和固定支撑作用。然而由于绝缘子表面是耐压水平较弱的区域，当在真空间隙中加入一绝缘子后，该体系在一个远低于同尺寸的真空间隙的耐压强度和绝缘子体耐压水平的情况下就发生击穿，这就严重制约了电真空器件的耐压性能和工作可靠性，更是影响了相关尖端设备的正常运行，甚至造成巨大的经济损失。所以，研究真空中绝缘子的沿面闪络特性，寻找提高真空中绝缘子闪络电压的方法就有着十分重要的意义。

多年以来，国内外专家学者针对绝缘子的沿面闪络现象进行了深入的研究，从不同的角度提出了关于真空中绝缘子沿面闪络机制的假说，发现了一些改善和提高绝缘子闪络电压的途径和方法。研究发现通过在绝缘子中掺杂二次电子发射系数（SEE）低的元素（如Cr）、改善绝缘子的表面性能等不失为有效且可行的方法，从这个角度出发对绝缘子的沿面闪络特性进行探讨还是十分必要的。

1、真空沿面闪络现象与机理

1.1真空沿面闪络现象

真空中绝缘子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表面（材料的表面及表层）和界面（电极与材料的交界面）的物理现象[4-5]。其核心在于表面与界面的物理特性，这一现象与材料表面层以及电极与材料界面层的电子结构密切相关。

1.2绝缘子的沿面闪络击穿

当在真空间隙中加入一绝缘子后,该绝缘体系在一个较低的电压下就会击穿,也就是说,在远低于同尺寸的真空间隙的耐压强度和绝缘子体耐压水平的情况下,绝缘子就出现了击穿现象,这就是绝缘子的沿面闪络击穿。

1.3真空沿面闪络机理

真空中绝缘子的沿面闪络分为3个阶段：起始阶段：初始电子的形成阶段；发展阶段：电子倍增阶段；闪络击穿阶段：形成贯穿性导电通道的阶段。经过多年的实验研究,，对于闪络过程的第一、三阶段的物理机制,目前已基本达成共识，闪络通常是由绝缘子阴极最邻近的真空三者交界区的电子发射(由场致发射和热电子发射产生)所引发,最后以在绝缘子表面附近的脱附气体层或绝缘介质材料本身的气化层中形成贯穿性导电通道而结束的。但是,对于闪络的中期,即电子倍增阶段,大家的看法则存在很大的分歧。

1.2.1两种模型的提出

1.2.1.1二次电子发射雪崩（SecondaryElectronEmissionAvalanche,SEEA）模型

二次电子发射雪崩（SecondaryElectronEmissionAvalanche,SEEA）模型[6]强调从阴极电极、真空和绝缘材料表面3者结合处（CathodeTripleJunction，CTJ）处发射的初始电子对绝缘表面的碰撞引起了二次电子发射，二次电子再次碰撞绝缘表面导致电子崩，进而引起表面吸附气体脱附并电离而引发闪络。

1.2.1.2电子触发的极化松弛（ElectronTriggeredPolarizationRelaxation,ETPR）模型

另一模型为电子触发的极化松弛（ElectronTriggeredPolarizationRelaxation,ETPR）模型[7]，该模型认为固体介质在电场的作用下发生极化而积聚能量，强调由于材料的不均匀和缺陷的存在而引起极化电荷俘获过程，在外界扰动下被俘获的极化电荷发生扩散松弛而导致闪络。

2、影响绝缘材料真空闪络电压的因素[8-11]

表面介电常数、表面电阻率、表面二次电子发射系数等是决定其沿面闪络电压的主要因素。

（1）绝缘材料介电常数愈高，会导致绝缘材料阴极最邻近的真空3者交界区电力线愈集中，使局部场强增大，从而加剧初始电子发射，降低闪络电压。同时绝缘介质的介电常数不均匀也容易引起局部的高场强，从而引起局部放电，降低表面闪络电压。

（2）过高的表面电阻率会导致大量电荷积累在表面不易泄漏，从而增强局部电场，加剧沿面闪络的整个过程，从而降低闪络电压。

（3）表面二次电子发射系数是SEEA假说中最为重要的参数，要提高陶瓷绝缘材料的表面耐压能力，应设法降低其表面二次电子发射系数。

3、真空中沿面闪络的改善与抑制

基于SEEA模型，介质表面电阻不均匀和介质表面粗糙，都会畸变表面电场的分布，使闪络电压降低；而当绝缘子的表面电阻率适当降低时，会使表面附着电荷较快泄漏，从而削弱表面电荷增强局部电场的作用，可提高闪络电压。在此基础上，很多学者探索改善闪络特性的方法，如改造电极构造、研磨材料表面、预放电处理、通过表面涂层减小电阻率及二次电子发射系数等。

4、真空氧化铝陶瓷的闪络现象

氧化铝陶瓷是电真空器件中起高压绝缘、真空密封、功率传输以及支撑固定的关键材料，在高压电子枪壳、输入窗、输出窗、阴极附近等多个部位都有重要应用。对于高压真空电气设备，其最高电压受限于其绝缘陶瓷的真空闪络电压。根据SEEA理论，在真空环境中，由于二次电子发射和表面电荷积累，绝缘陶瓷的绝缘能力远低于其体击穿强度和同尺寸的真空间隙的耐压强度，在远低于其体积击穿强度和相同尺寸的真空间隙的耐压水平时就会发生表面击穿现象，即沿面闪络击穿，从而严重影响电真空器件运行的安全可靠性和使用寿命。

5、氧化铝陶瓷的表面性能对真空闪络电压的影响

氧化铝陶瓷的表面性能如表面形貌、表面电阻率、陷阱等是影响其沿面闪络电压的重要因素。

（1）通过在氧化铝陶瓷表面进行退火热处理，能够改变陶瓷材料表面结构，并进而改变真空中氧化铝陶瓷的沿面闪络电压。

（2）氧化铝陶瓷表面电阻率适当降低时，会使表面附着电荷较快泄漏，从而削弱表面电荷增强局部电场的作用，可提高闪络电压。

（3）由于氧化铝陶瓷中晶粒的不完整性及引入的化学杂质，在绝缘子中形成大量的陷阱，陷阱能够捕获自由载流子，对表面带电和沿面闪络产生重要影响。

6、热处理对氧化铝陶瓷表面性能的影响[12-13]

（1）经激光处理的氧化铝陶瓷由于热作用在表面形成线状的连续凹坑，其闪络电压会发生明显变化。当激光刻线的密度与深度调节得合适、刻线后的陶瓷表面为规则的微观形状貌时，材料表现出较好的表面耐电特性。

（2）Sudarshan等人通过实验发现Al2O3陶瓷试品的晶粒影响其闪络电压，晶粒越小、闪络电压越高；丁立健提出用表面粗糙度来表征绝缘材料的表面状况，认为粗糙度越小、材料越光滑则闪络电压越高

（2）当氧化铝陶瓷在高温下进行退火处理时，最主要的变化是其表面上的残余应力减少，导致闪络击穿电压上升。

7、掺杂铬对氧化铝陶瓷闪络特性的影响[14-16]

铬掺杂氧化铝陶瓷具有比95氧化铝陶瓷更低的介电常数、表面电阻率、表面二次电子发射系数，从而具有更高的沿面耐压能力。由于铬掺杂氧化铝陶瓷表面电阻率低,电场作用下产生的表面累积电荷容易释放,因此,在沿面耐压实验时,可能由击穿变为不击穿。

8、氧化铝陶瓷

8.1介绍

氧化铝陶瓷，特别是氧化铝含量高的陶瓷，其机械强度极高，导热性能良好，绝缘强度、电阻率高，介电损耗低，介电常数一般在8~10，电性能随温度和频率的变化比较稳定，尤其是纯度高达99.5%的氧化铝陶瓷，直到频率高达1010Hz以上时，tanδ（介损）≤110-4。

8.2应用

氧化铝陶瓷是电真空陶瓷的主要瓷种，同时也是生产陶瓷极板及多层布线封装管壳的一种基本陶瓷材料。氧化铝陶瓷在电子技术领域中被广泛用作真空电容器，大功率栅控金属陶瓷管，微波管、微波管输能窗的陶瓷组件等。而高纯度的氧化铝陶瓷则成为国内外微波器件和中、大型功率金属陶瓷电子管中最为重要的电绝缘材料，尤其在要求性能较高的部位，如行波管中螺旋线的夹持杆、大功率微波管的输出窗、高能粒子加速器等等，更是少不了应用高纯度氧化铝陶瓷。

8.3制备

氧化铝陶瓷的典型制备工艺过程是：原料处理→配料→成型→烧结→后处理→成品。陶瓷的制备工艺过程对陶瓷材料微观结构的影响是十分重要的，而烧结是陶瓷微观结构形成的最关键阶段，同时也是赋予材料各种特殊性能的最关键步骤。在烧结过程中，主要发生晶粒尺寸及其形状的变化、气孔尺寸及其形状的变化，烧结完成后，坯体体积收缩，致密度提高，强度增加。通常情况下，少量的添加剂（如Cr）对烧结起着很重要的作用，添加剂的加入能够降低烧结温度，促进烧结过程，也是改善氧化铝陶瓷机电性能的关键。

9、本课题研究对象及任务

本课题题目是热处理对氧化铝陶瓷表面形貌的影响，通过制备95瓷及掺杂Cr的氧化铝陶瓷，分别对它们进行不同程度的退火处理，重点观测热处理对氧化铝陶瓷表面性能的影响，在此基础上探讨表面性能对闪络特性的影响。

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