I. „Vinovatul principal” al degradării tensiunii de rezistență a izolatorului: Fenomenul de suprafață
Izolatorii de alumină joacă simultan rol de izolație electrică și suport mecanic în echipamentele de mare-putere și în dispozitivele de vid înalt-electric/vid, făcându-le componente cheie indispensabile. Cu toate acestea, în condiții de vid înalt și de intensitate ridicată a câmpului, blocajul la tensiunea de rezistență se află adesea nu în materialul în vrac, ci în procesele de suprafață - cea mai tipică fiind ruperea descărcării la suprafață (adică, suprafața declanșată). Surface flashover se referă la fenomenul în care, sub un câmp electric puternic, suprafața unui izolator solid și mediul său adiacent (gaz/lichid; în vid, însoțit de gaz desorbit la suprafață și emisie de electroni) devin ionizate sau conductoare. Un canal de descărcare se dezvoltă de-a lungul suprafeței solide, se întinde pe spațiul electrodului și în cele din urmă duce la defecțiuni și defecțiuni ale izolației. Acest fenomen nu numai că slăbește în mod semnificativ tensiunea de rezistență și fiabilitatea operațională a echipamentelor dielectrice de înaltă-tensiune, cauzând potențiale pierderi economice, dar servește și ca un blocaj central limitând compactitatea și miniaturizarea izolatoarelor solide. Dintr-o perspectivă de comparare a pragului, tensiunea de inițiere/intensitatea câmpului pentru flashover de suprafață este de obicei mult mai mică decât nivelul de defalcare pentru defalcarea în vrac sau golurile dielectrice pure. De exemplu: atunci când vidul este utilizat ca mediu izolator, intensitatea critică a câmpului de defalcare este de aproximativ 35 kV/mm; pentru ceramica de alumină ca mediu izolator în vrac, intensitatea câmpului de rupere a volumului critic este în general 30–40 kV/mm; în timp ce într-un sistem de izolație în vid cu alumină-, intensitatea câmpului aplicat atinge adesea doar o zecime până la o fracțiune din aceste valori critice înainte de a declanșa o scădere a suprafeței pe izolator, potențial provocând chiar daune locale la suprafața Al₂O₃.
II. Factori care influențează tensiunea de suprafață
Cercetările indică faptul că factorii care afectează erupția de suprafață includ în primul rând: forma de undă și amplitudinea câmpului electric aplicat, nivelul de vid și compoziția gazului rezidual, structura și materialul electrodului, geometria și dimensiunile izolatorului, materialul izolator și caracteristicile suprafeței (rugozitate, curățenie, adsorbție/contaminare, acoperire), pre{0}}descărcare/cocere și alte stări de pretratare a suprafeței. Din perspectiva cercetării materialelor, accentul este pus pe compoziția, forma și caracteristicile de suprafață ale ceramicii utilizate în electronica cu vid. Parametrii electrici cheie care influențează erupția de suprafață includ constanta dielectrică ε, conductivitatea electrică σ și coeficientul de emisie de electroni secundari δ (SEE). În general: ① O constantă dielectrică mai mare tinde să îmbunătățească distorsiunea câmpului electric la joncțiunea triplă electrod-izolator-vacuum, scăzând pragul de suprafață. ② Într-un interval adecvat, o conductivitate crescută a suprafeței accelerează disiparea sarcinii de suprafață și inhibă inițierea, dar o conductivitate excesiv de ridicată crește curentul de scurgere și poate duce la instabilitate termică, care este dăunătoare rezistenței tensiunii. ③ Conform modelului SEEA, reducerea coeficientului de emisie de electroni secundari de suprafață suprimă multiplicarea electronilor, crescând astfel tensiunea de suprafață de suprafață.
În ceea ce privește SEEA (modelul mecanismului de descărcare bazat pe SEE-): modelul de avalanșă cu emisii de electroni secundare (SEEA) a fost propus pentru prima dată de cercetătorii americani Anderson și Brainard. Acest model sugerează că sub o tensiune înaltă aplicată, electronii inițiali emiși de la joncțiunea triplă electrod-izolator-vid câștigă energie, sunt accelerați și bombardează suprafața izolatorului. Când energia acestor electroni de impact atinge un anumit prag, are loc o emisie secundară de electroni, lăsând simultan sarcini pozitive pe suprafața izolatorului. Acești electroni secundari, sub influența câmpului electric, bombardează din nou suprafața izolatorului, generând mai mulți electroni secundari. Acest proces se repetă, ducând în cele din urmă la o avalanșă secundară de electroni.
III. Tehnici de suprimare a fulgerului la suprafață pentru ceramica cu alumină
Cheia îmbunătățirii performanței de izolație a materialelor izolante solide constă în menținerea proprietăților de izolare în vrac, încercând în același timp să sporească tensiunea de suprafață. Pe baza mecanismelor existente, principalele căi de îmbunătățire se împart în două categorii: ① Reducerea coeficientului de emisie de electroni secundari de suprafață δ pentru a suprima multiplicarea electronilor; ② Proiectați rezistivitatea suprafeței într-o fereastră adecvată pentru a accelera disiparea sarcinii de suprafață, evitând astfel concentrarea excesivă a câmpului local și instabilitatea termică. În paralel cu aceste două abordări „parametru electric material”, ingineria folosește adesea un set complementar de măsuri de control al geometriei/distribuției câmpului pentru a reduce intensitatea câmpului de joncțiune triplă-și întârzierea formării canalului. De exemplu, prelucrarea ondulațiilor periodice (sau canelurilor) pe suprafața izolatoarelor ceramice din alumină poate crește distanța de curgere, netezi linii echipotențiale, reduce intensitatea câmpului tangențial la joncțiunea triplă fără a crește dimensiunile exterioare, întrerupând în același timp căile de întoarcere a electronilor și reducând câștigul efectiv SEE, întârziend astfel formarea canalului și ridicând tensiunea de suprafață. Crestele ondulațiilor ar trebui să fie rotunjite pentru a evita introducerea unei îmbunătățiri locale a câmpului la noi muchii ascuțite.