摘 要

交联聚苯乙烯塑料具有高电压绝缘性、高抗辐射能力同时力学性能良好，在真空电力设备及脉冲功率设备中得到广泛应用。真空中交联聚苯乙烯表面存在的沿面闪络现象，使得真空设备的耐压能力大幅降低，影响设备的正常运行。随着脉冲功率技术地位的提高，绝缘介质沿面耐压不足这个问题也日益显现出来。本课题针对交联聚苯乙烯的沿面闪络问题，利用大气压介质阻挡放电技术，在CF4/Ar混合气体氛围下对交联聚苯乙烯进行放电处理；通过AFM/SEM、XPS、等测试手段对表面特性进行表征，研究表面特性的变化规律；对处理后的交联聚苯乙烯样品进行了闪络性能测试，结合表面特性分析，讨论了沿面闪络性能变化的机理。本课题研究对拓展低温等离子体应用以及提高我国的脉冲功率技术水平意义重大。

关键词：交联聚苯乙烯；真空沿面闪络；等离子体处理

Abstract

Cross-linked polystyrene plastics have high voltage insulation and high radioresistant ability and good mechanical performance as well. The flashover phenomenon along the cross-linked polystyrene surface in vacuum greatly reduces the withstand voltage capacity of equipments and affects its normal operation. With the improvement status of pulse power technology, the withstand voltage capacity in insulating medium along the surface is increasingly apparent. The paper mainly focuses on the flashover phenomenon along the cross-linked polystyrene surface. We used atmospheric pressure dielectric barrier discharge technology to discharge the cross-linked polystyrene in the CF4 / Ar mixed gas atmosphere. Using some test methods such as AFM, SEM, and XPS to character the surface properties and study the change rule of surface features. We also tested the flashover performance of cross-linked polystyrene samples after processing and discussed the mechanism of changes of creepage flashover performance in combination with surface feature analysis. The research is of great significance on the development of low temperature plasma applications and the improvement of the pulse power technological level in China.

Keywords: cross-linked polystyrene; vacuum flashover; plasma treatment

目 录

第1章 绪论 1

1.1 真空绝缘系统沿面闪络现象研究的意义 1

1.2真空绝缘子沿面闪络现象研究的现状 1

1.2.1沿面闪络发生机理 1

1.2.2影响沿面闪络的因素 2

1.3围绕材料闪络性能的表面改性研究现状 5

1.4低温等离子体概述 6

1.4.1低温等离子体概念 6

1.4.2低温等离子体在材料表面改性方面的应用 7

1.5本论文研究的意义及内容 9

1.5.1研究意义 9

1.5.2研究内容 10

第2章 交联聚苯乙烯的制备、等离子体处理及其表征 11

2.1交联聚苯乙烯材料的制备 11

2.1.1实验原料及实验仪器 11

表2.1 实验原料 11

2.1.2交联聚苯乙烯合成 12

2.1.2.1原料提纯 12

2.2交联聚苯乙烯的表面等离子体处理 13

2.3表面特性表征 14

2.4真空沿面闪络特性测试 15

第3章 交联聚苯乙烯的性能分析 15

3.1原子力显微镜AFM 15

3.2 X射线光电子能谱XPS 16

3.3沿面闪络电压 18

第4章 结论 20

参考文献 21

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 真空绝缘系统沿面闪络现象研究的意义

伴随着科技不断发展进步，真空环境已经逐步的深入到了我们的科学研究中。真空电介质与传统的电介质有着很大的差异，以其优良的介电性能在高压电气设备中被广泛的应用。许多强度较高的x射线源、功率较大的微波管、粒子加速器、高功率的三极真空管等等高功率设备，都会采用真空作为设备的绝缘介质。在保证设备所需要的最低绝缘强度的前提下，真空绝缘还可以显著降低生产的成本以及设备的自重。尤其是对于在外太空环境中工作的的航天器来说，有着更加显著的重要性。但是，为了保证绝缘支撑必然性的同时而在高压真空设备中引入绝缘介质的时候，却有一种特殊的物理现象发生，就是在真空环境下，相对于相同距离的真空间隙来说绝缘体的耐压能力大大降低。例如，真空击穿场强大于35kV/mm ^[1]，而耐压能力在引入绝缘支撑之后却下降为至多十几个kV/mm 。由于在同等距离下绝缘介质体的击穿电压相对于真空间隙击穿电压通常较高，所以失败的原因并不是因为绝缘体被击穿。事实上，之所以在引入绝缘体之后真空设备会导致耐压能力降低，是因为沿面闪络现象的发生，就是沿着真空—绝缘体交界的部分发生了贯穿性的电击穿过程，绝缘体的表面在真空绝缘环境中属于较弱的一部分。在真空环境下，由于存在着绝缘子沿面闪络现象，导致许多电真空器件都得不到很好的发展，更是对于高尖端领域来说是一个很大的限制。因此，对真空中沿面闪络发审的原因进行研究探讨，提高沿面闪络电压，对于高真空器件的发展有着十分的必然性。

1.2真空绝缘子沿面闪络现象研究的现状

1.2.1沿面闪络发生机理

从1950年开始，由于应用需求的不断提高，我们对于真空沿面闪络的研究也不断深入，有许多前辈们从各个方面对于真空绝缘沿面闪络进行了相关的研究，得到了许多与此相关的理论和假设^[2]。实验研究表明，当在真空真空环境下对固体绝缘结构施加电压时，会有许多复杂的物理过程产生^[3]，而最终的通常是在绝缘体表层的低气压区域发生贯穿性的放电。

对于真空绝缘沿面闪络，J.C.Martin认为想要实现最佳的绝缘效果，绝缘材料与反应电极的夹角应该为45°。并提出的马丁公式^[4]: