[发明专利]一种具有孔穴微槽织构化表面的绝缘子及其制备方法

说明书

本发明公开了一种应用于高压绝缘材料技术领域，具有孔穴微槽织构化表面的绝缘子及其制备方法，主要解决现有技术耐表面击穿电压较低、可靠性不高、重复性差，难以满足高压装置对真空绝缘要求等技术问题。该绝缘子包括绝缘子本体，所述绝缘子本体为聚合物材质，其表面织构有周期性平行V形微槽阵列，微槽的表面均布有微米级尺寸的孔穴，所述微槽由激光刻制而成，所述孔穴由激光烧蚀而成。其制备方法是采用激光刻槽，在绝缘子本体表面刻制出微槽阵列；采用激光烧蚀，在微槽表面形成孔穴。本发明可应用于真空高压绝缘器件领域及其他环境下的高压绝缘领域。

技术领域

本发明属于高压电气绝缘材料技术领域，特别涉及一种具有孔穴微槽织构化表面的绝缘子及其制备方法。

背景技术

绝缘子是一种用于电气绝缘和机械固定的部件，它的作用是将不同电位的导电体在机械上相互连接，在电气上相互绝缘。在真空高压电气设备中，随着工作电压的提高，发生在绝缘子表面的真空沿面闪络现象成为限制设备性能发展的瓶颈要素。沿面闪络使绝缘子的耐压能力远低于其体积击穿电压，并大大低于相同距离的真空间隙。随着高功率脉冲技术在国民经济和国防建设中作用的日益凸显，高功率微波源、强流粒子束加速器、高强度X射线源、高功率脉冲激光器等大型尖端设备向更高功率、高容量、小型化方向迅速发展，对真空绝缘器件的耐压能力提出了更高要求。因此，发展具有良好真空绝缘闪络特性的绝缘体具有重要的意义。

真空沿面闪络现象，事实上是一种在绝缘体表面气体脱附后形成的高气密环境中发生的贯穿性放电过程。通过改变绝缘体表面结构和微观形貌的方式改变二次电子的轨迹对提高绝缘体真空闪络特性有重要影响，在绝缘子表面刻制周期性凹槽能有效地减弱其电子倍增效应，抑制后续等离子体通道的形成，从而提高介质材料的闪络性能。程国新等人在《强激光与粒子束》2012年24卷4期发表的《刻槽绝缘子真空表面闪络特性分析》一文中，采用机械加工的方式在绝缘子表面制备了槽纹宽度2mm的周期性矩形凹槽，提高了介质材料的闪络时间延迟。由于受机械加工难易度的影响，目前制备的凹槽阵列槽宽尺寸较大，一般为毫米甚至厘米量级，难以完全抑制次级电子的产生及倍增，且加工过程中难以避免车刀在样品表面留下大量的不规则划痕，导致表面状态存在一定缺陷，因此现有的刻槽绝缘子普遍存在提高真空绝缘闪络电压幅度不大、可靠性不高、重复性差等不足。目前，尚未见通过在绝缘子表面设计和制备尺度为数十至数百微米量级的微槽阵列，并在微槽表面形成孔穴，实现微槽及其孔穴的共同作用，以提高真空沿面闪络电压的研究报道。

激光刻槽技术可以将能量聚焦到微小的空间，能够获得极高的辐照功率密度(10⁵～10¹⁵W/c m²)，利用这一高密度的能量可以实现非接触的刻槽加工。与传统的机械刻槽法相比，激光刻槽具有更高的切割精度、更灵活的切割方法和更高的生产效率等特点。因激光刻槽效果受激光波长、激光功率、扫描速度等工艺条件的制约，工艺条件的变化甚至会带来截然不同的应用效果。例如，当激光能量较低时，将无法实现刻槽，而仅仅出现熔融、孔穴等烧蚀效果。通过控制激光的工艺条件在聚合物绝缘子表面获得特殊形貌的织构化，并进一步提高聚合物绝缘子沿面闪络性能的研究尚无报道。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的绝缘子耐表面击穿电压较低、可靠性不高、重复性差，难以满足高压装置对真空绝缘要求等技术问题，而提供一种孔穴、微槽织构化表面的聚合物绝缘子及其制备方法。本发明中微槽阵列由宽度为数十至数百微米平行的V形槽组成，微槽表面上均布有大量微米级尺寸的孔穴。本发明中微槽阵列的制备方法为激光烧蚀和刻槽法，通过选择合适的激光类型和刻槽工艺条件，不仅实现了微槽尺寸的精确控制，而且在微槽表面能获得具有微米级孔穴组成的表面形貌。通过上述设计和制备方法，实现了微槽及其孔穴表面结构的共同作用，使聚合物绝缘体表面击穿电压显著提高。

本发明的技术解决方案是：一种具有孔穴微槽织构化表面的绝缘子，包括绝缘子本体，其特殊之处在于：所述绝缘子本体为聚合物材质，其表面织构有周期性平行V形微槽阵列，微槽的表面均布有微米级尺寸的孔穴，所述微槽由激光刻制而成，所述孔穴由激光烧蚀而成。