[发明专利]等离子体处理绝缘材料提高真空沿面耐压性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高绝缘材料真空沿面闪络电压的方法。

背景技术

电力设备中，绝缘支撑体将导电体相互连接，起到电气绝缘和机械固定的作用，虽然该绝缘介质有着很高的体击穿强度，但在真空与绝缘介质的真空-固体交界面上存在着沿面放电现象，当电压升高到一定程度使放电发展成贯穿性的击穿，称为沿面闪络。这使得引入绝缘支撑体后的真空设备的耐压能力大大降低，影响设备正常运行，并且可能由于耐压失败而造成经济损失。

对绝缘材料表面进行改性的物理方法，包括表面研磨，热处理，表面涂覆等。中科院化学所的江雷研究员（Angewandte Chemie International Edition,2002,41(7):1221-1223）曾使用微米纳米级的多孔材料作为基板，采用加热或挤压的方式将材料表面印制出同样的多孔结构。化学方法包括气相沉积法，电化学法，粒子填充法等。日本的Fujishima（Langmuir,2004,20:6065-6067）曾采用电化学腐蚀再修饰氟硅化合物的方法处理材料表面，大幅提高了材料表面的粗糙度。这些物理化学方法存在一些缺点，例如化学溶液腐蚀会改变材料基体性质，加热挤压不适用于易形变或不耐热的材料等。

在一定的气体空间中施加电场产生放电，可以简单有效地产生低温非平衡等离子体。其中使用工频、高频高压和纳秒脉冲电源等激励介质阻挡放电（DBD）在大气压下产生等离子体，或者采用开有通孔的管状设备，放电产生的等离子体由喷嘴处向外发展成射流形式（JET），在一定的媒介作用下对聚合物材料表面进行改性，在作用过程中仅涉及表面的几至几百纳米，改善材料表面性能的同时又不影响整体的物理化学特性。且放电产生等离子体这种干式工艺步骤简洁，又具有环保效应。西安交通大学的方志（Journal of Physics D:Applied Physics,2004,37:2261-2266）和浙江大学的王长全（浙江大学博士学位论文,2006）通过这种等离子体处理的方法，对玻璃表面进行改性并获得了一定的结果。中南大学的高松华（中南大学博士学位论文,2008）使用四氟化碳作为媒介放电产生等离子体来处理硅橡胶。英国的Borcia（Applied Surface Science,2002,189:31-38）在氟和氯的混合气体中放电产生等离子体，对几种聚合物薄膜表面进行改性。这些研究均证明了等离子体表面处理的可行性。

发明内容

本发明的目的是克服电化学等方法处理材料表面时影响材料基体物理化学性质和不够节能环保的缺点，提出一种提高绝缘材料表面耐压性能的方法。

本发明利用金属电极在脉冲电源激励下放电产生等离子体，在有机玻璃表面形成憎水表面结构；等离子体中高能粒子的刻蚀作用和等离子体中的活性离子在绝缘材料表面发生的聚合和接枝作用，提高绝缘材料表面的粗糙度，改变了绝缘材料表面的分子结构，降低了材料表面能，降低了材料的二次电子发射系数，从而提高了绝缘材料在真空条件下的沿面耐压性能。

绝缘材料表面的粗糙度和表面能影响着真空沿面闪络过程。材料表面的水接触角可以用来表征材料表面的粗糙度和表面能。当材料表面水接触角θ<90°时称为亲水表面，当90°<θ<180°时称为憎水表面。

本发明使用等离子体改性方法制成材料的憎水表面，一方面利用脉冲放电方式在含硅（二甲基硅油）或含氟（CF₄）的媒介中产生含有高活性离子的等离子体，打破原有化学键，将硅或氟修饰到材料表面，降低材料表面能；另一方面利用等离子体中的高能粒子对材料表面进行刻蚀，增加表面粗糙度。二次电子发射是沿面闪络发展过程中电子倍增的关键因素，通过表面改性可以降低材料的二次电子发射系数，有效提高材料的沿面闪络电压。

本发明采用简易的金属电极，在脉冲电源激励下，金属电极放电产生等离子体，在有机玻璃表面形成憎水表面结构。采用本发明方法处理后的有机玻璃材料，其水接触角可由原始的68°提高至104°。不同改性结果下材料的表面耐压性能均有提高，其中改性后表面水接触角达到82°的材料的真空沿面闪络电压可提高12.5%～14.5%，水接触角达到92°的材料的真空沿面闪络电压可提高15.9%～27.4%，水接触角达到99°的材料的真空沿面闪络电压可提高17.8%～30.8%，水接触角达到104°的材料的真空沿面闪络电压可提高21.2%～34.2%。

本发明方法的具体步骤如下：

步骤1：清洗有机玻璃材料，测量材料表面的原始水接触角；