表面電荷對(duì)聚四氟乙烯沿面擊穿特性的影響

王飛鵬，張濤，文剛，范帆，李劍，崔萬照

1.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044 2.中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院 空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710100

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表面電荷對(duì)聚四氟乙烯沿面擊穿特性的影響

王飛鵬1,*，張濤1，文剛1，范帆1，李劍1，崔萬照2

1.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044 2.中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院 空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710100

聚四氟乙烯(Polytetrafluorethylene,PTFE)因其高絕緣性而極易在表面積累空間電荷,且電荷衰減周期長(zhǎng)。認(rèn)識(shí)表面電荷對(duì)PTFE沿面擊穿性能的影響，對(duì)設(shè)計(jì)相關(guān)的絕緣系統(tǒng)具有重要指導(dǎo)意義。使用針-板電極裝置，采用從6 kV變化到10 kV的正、負(fù)極性針電壓對(duì)PTFE樣品膜進(jìn)行電暈充電積累表面電荷，使用靜電電位計(jì)測(cè)量樣品膜表面電位并估算得到表面電荷面密度。對(duì)具有不同表面電荷密度的PTFE樣品膜，試驗(yàn)研究常壓及真空中樣品的負(fù)極性直流沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)。結(jié)果表明，不同充電電壓可以有效調(diào)控PTFE表面電荷密度。負(fù)極性較正極性電暈充電能夠更有效地在PTFE表面積累高密度電荷；正極性表面電荷在常壓和真空中均導(dǎo)致PTFE的負(fù)極性直流沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低，而負(fù)極性表面電荷則具有影響程度較小的相反效果，即僅在一定程度上提高PTFE的負(fù)極性直流沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)，且表面電荷在真空中對(duì)沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響弱于常壓環(huán)境。

表面電荷；聚四氟乙烯；常壓；真空；沿面擊穿

聚四氟乙烯(Polytetrafluorethylene, PTFE)因其優(yōu)異的耐高低溫性能、良好的機(jī)械穩(wěn)定性、極佳的化學(xué)穩(wěn)定性和電氣絕緣性以及優(yōu)異的耐空間輻照性能，已廣泛應(yīng)用于電力電子、航空航天、精密機(jī)械等領(lǐng)域[1-2]。在空間技術(shù)領(lǐng)域，PTFE的高絕緣性保證了電子電氣設(shè)備的絕緣安全，然而也因其高絕緣性使得PTFE表面極易因載流子注入而積累電荷，且電荷衰減周期較長(zhǎng)，從而可能導(dǎo)致系統(tǒng)絕緣強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降甚至發(fā)生放電擊穿事故[3]。絕緣介質(zhì)材料的沿面擊穿電壓(場(chǎng)強(qiáng))在幾乎所有情形上均大大低于其體擊穿電壓，同時(shí)首次沿面擊穿電壓也均低于穩(wěn)態(tài)值。空間環(huán)境中帶電粒子引起航天器內(nèi)絕緣介質(zhì)充電，這使得絕緣介質(zhì)材料電場(chǎng)尤其是表面電場(chǎng)畸變，極易產(chǎn)生表面微放電甚至引發(fā)沿面擊穿，威脅設(shè)備運(yùn)行安全甚至導(dǎo)致設(shè)備系統(tǒng)失效[4-7]。尤其重要的是，空間技術(shù)與其他領(lǐng)域不同：首次放電即可能導(dǎo)致設(shè)備失效。因而，研究表面電荷對(duì)PTFE等高絕緣介質(zhì)材料的沿面放電和擊穿特性的影響具有重要意義。

PTFE等介質(zhì)表面電荷主要來源包括摩擦產(chǎn)生的靜電荷，宇宙射線及粒子輻照等產(chǎn)生的表層充電，高電位電極注入電荷及極不均勻局部電場(chǎng)產(chǎn)生的電暈放電等[8-10]，且在設(shè)備運(yùn)行過程中介質(zhì)帶電量及電荷極性具有不確定性。表面電荷可能嚴(yán)重畸變絕緣介質(zhì)表面電場(chǎng)分布特征，從而對(duì)沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)產(chǎn)生明顯影響。對(duì)此問題，研究人員獲得的試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析結(jié)論仍存在較大分歧[11-17]。分歧主要在于對(duì)表面帶電電荷極性和密度對(duì)沿面放電和擊穿特性影響的趨勢(shì)及力度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析存在不同看法。Kumara等[12-13]研究了直流、脈沖電壓下電荷對(duì)聚合物絕緣介質(zhì)閃絡(luò)性能的影響，認(rèn)為負(fù)極性電荷的積累可以一定程度上提升沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)，正電荷則起到相反結(jié)果，而Jun X[14]等則在脈沖電壓下得到相反結(jié)論。Qi B[15]等認(rèn)為電荷的積累會(huì)導(dǎo)致絕緣介質(zhì)交直流沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降。

目前關(guān)于PTFE沿面放電的研究主要關(guān)注其放電規(guī)律及放電后電荷分布特性[17]，關(guān)于常壓與真空中表面電荷對(duì)PTFE沿面放電的影響研究較少，但設(shè)備運(yùn)行過程中積累的電荷極有可能影響系統(tǒng)絕緣性能。針對(duì)目前存在的這類問題和空間技術(shù)領(lǐng)域?qū)嶋H需求，本文采用針-板電極對(duì)PTFE薄膜進(jìn)行不同極性和針電壓值的電暈充電，以研究積累的表面電荷極性、電荷密度等參數(shù)對(duì)常壓及真空中PTFE樣品膜沿面擊穿特性的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 充電及表面電荷測(cè)量

本文采用邊長(zhǎng)60 mm，厚50 μm的PTFE正方形薄膜作為試樣。所有樣品膜均需在試驗(yàn)前使用去離子水和無水乙醇(分析純)多次清潔后再在60°C下真空干燥2 h以去除可能的殘余水分。

試驗(yàn)使用如圖1所示電暈充電裝置，其中鎢鋼電暈針尖曲率半徑為50 μm，針-膜間距為4 mm。在室溫RT=25°C，相對(duì)濕度RH=50%的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對(duì)PTFE樣品膜進(jìn)行針電壓分別為6 kV、8 kV和10 kV，時(shí)長(zhǎng)t=2 min的正或負(fù)極性電暈充電。樣品膜表面電位使用由Trek 341B靜電電位計(jì)和Kelvin靜電探頭構(gòu)成的表面電位測(cè)量系統(tǒng)來確定。對(duì)于薄膜或薄片狀試樣，樣品表面電位Vs與表面電荷密度ρ近似呈線性關(guān)系，估算薄膜表面電荷密度[11]：

(1)

式中：ε0和εr分別為真空介電常數(shù)和PTFE的相對(duì)介電常數(shù)；d近似取值為樣品膜厚度。

1.2 直流沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)量

圖2為依照GB/T 1408.1-2006和GB/T 1408.2-2006自制的沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量裝置。試驗(yàn)使用直徑φ20 mm，高度h=10 mm的一對(duì)圓柱銅電極放置于樣品膜上表面電暈充電區(qū)域內(nèi)，并保持兩者邊緣間距3 mm以使沿面放電和擊穿發(fā)生在間隙區(qū)內(nèi)，并且將裝置置于帶有高壓套管且氣壓可調(diào)的不銹鋼罐體中。由于銅電極中的一個(gè)在試驗(yàn)中保持接地，因此在圖3中通過有限元仿真獲得的兩銅電極之間電場(chǎng)分布呈現(xiàn)一定程度的局部不對(duì)稱現(xiàn)象[12]。本文中由于銅電極間距較小且電極直徑較大，因此可近似認(rèn)為間隙區(qū)內(nèi)保持均勻電場(chǎng)。由于在高真空范圍內(nèi)(10-1～10-5Pa)內(nèi)絕緣介質(zhì)的沿面擊穿特性幾乎不隨氣壓的變化而改變[18]，為研究常壓及真空中表面電荷對(duì)PTFE沿面擊穿特性的影響規(guī)律，分別選取105Pa及10-1Pa作為常壓和真空中的沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試氣壓。真空試驗(yàn)前需采用電暈充電裝置在常壓下對(duì)樣品膜電暈充電，并在充電完畢后5 min內(nèi)將腔內(nèi)氣壓抽真空至10-1Pa，由于PTFE優(yōu)異的電荷穩(wěn)定性，其表面電荷密度在抽氣過程中保持不變。本文在105或10-1Pa氣壓下，并在兩銅電極間隙施加200 V/s線性上升的負(fù)極性直流電壓直至沿面擊穿發(fā)生。擊穿行為以在電極間隙內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)或不連續(xù)流注放電為發(fā)生判據(jù)。

1.3 樣品膜表面化學(xué)成分變化

為確定樣品膜表面由電暈充電可能引起的化學(xué)成分變化，本文使用傅里葉變換紅外光譜(德國(guó)Bruker Alpha)來監(jiān)測(cè)PTFE薄膜表面在電暈充電前后的成分變化。每次測(cè)量均在同一位置掃描24次取平均值，波數(shù)分辨率為1 cm-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 電暈充電時(shí)間對(duì)表面化學(xué)成分變化的影響

圖4為10 kV負(fù)極性電暈充電前后PTFE薄膜的傅里葉紅外光譜，其中對(duì)比示出了電暈充電時(shí)間從2 min增加到20 min的測(cè)量結(jié)果。電暈充電前后PTFE樣品表面成分幾乎沒有明顯變化。然而電暈充電時(shí)間從2 min延長(zhǎng)到20 min后卻引起1 143 cm-1和1 200 cm-1處的兩個(gè)峰(對(duì)應(yīng)于CF2基團(tuán)的對(duì)稱和不對(duì)稱伸縮振動(dòng))的強(qiáng)度降低，如圖4(b)所示。由于電暈充電均可在幾十秒內(nèi)達(dá)到飽和[19]，因此可排除該雙峰強(qiáng)度變化由表面電荷電場(chǎng)所致，而可能是由于較長(zhǎng)時(shí)間電暈作用引起PTFE微弱退氟化[20]。本文所使用電暈充電時(shí)間t=2 min不會(huì)改變PTFE樣品膜表面化學(xué)成分。

2.2 電暈充電中表面電荷的積累

在電暈充電過程中，針電極附近空氣分子因強(qiáng)局部電場(chǎng)而被電離，產(chǎn)生的帶電粒子在針-板電極間電場(chǎng)作用下被注入到樣品膜表面，被表面陷阱俘獲的帶電粒子與介質(zhì)材料間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，樣品膜表面積聚電荷快速增加，從而建立起表面電位并最終達(dá)到飽和表面電位值。與此同時(shí)，部分表面陷阱電荷通過熱激發(fā)脫陷并注入到介質(zhì)體內(nèi)，在自建電場(chǎng)作用下，通過導(dǎo)帶向接地背電極遷移，致使表面電荷不斷減少及表面電位衰減[21]。對(duì)PTFE而言，其極佳的電荷儲(chǔ)存穩(wěn)定性和極低的體電導(dǎo)率使得其表面電位衰減速率極低[3]。

試驗(yàn)分別采用6 kV、8 kV和10 kV的正或負(fù)極性直流針電壓對(duì)樣品膜進(jìn)行電暈充電，以調(diào)控PTFE表面電荷密度，研究表面電荷密度對(duì)PTFE沿面放電及擊穿特性的影響。圖5中結(jié)果為不同針電壓電暈充電后樣品膜的初始表面電荷密度。顯而易見，隨著充電電壓增加，樣品表面電位逐漸增加，對(duì)應(yīng)的電荷密度逐漸上升。然而，相同針電壓電暈充電后樣品膜表面電位還與電壓極性相關(guān)。例如，經(jīng)10 kV負(fù)電暈充電后的樣品膜的表面電位約為4.0 kV，相同條件下正電暈充電后的樣品表面電位僅約2.1 kV，試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[3]結(jié)果相近。這一方面可能是由于PTFE儲(chǔ)存負(fù)電荷的能力較強(qiáng)，另一方面是負(fù)電暈所形成的大量自由電子的遷移速率遠(yuǎn)較正離子高，這使得電子迅速遷移并得以更有效注入在樣品表面[20]。此外，所有樣品表面電位在數(shù)小時(shí)內(nèi)幾乎不呈現(xiàn)明顯衰減。

2.3 表面電荷對(duì)聚四氟乙烯直流沿面擊穿的影響

表面電荷可能明顯影響絕緣介質(zhì)的直流沿面擊穿特性。高宇等[11]認(rèn)為樣品表面的正極性電荷將導(dǎo)致接地端電極附近電場(chǎng)得以加強(qiáng)，從而易于引發(fā)空氣電離，誘發(fā)沿面擊穿。因此將降低正極性沿面放電時(shí)樣品的沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)。而Kumara等[12]則從理論和試驗(yàn)兩方面證明在負(fù)極性直流沿面放電時(shí)，負(fù)極性表面電荷可提高樣品沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)；正極性表面電荷則產(chǎn)生相反效果，因畸變放電電極間電場(chǎng)分布而降低樣品沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

圖6為真空與常壓下樣品膜負(fù)極性沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)與正或負(fù)電暈充電針電壓之間的關(guān)系，圖7則繪出樣品膜的負(fù)極性沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)與樣品表面電荷密度的依賴關(guān)系。圖6中結(jié)果指出，真空與常壓樣品膜沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電暈充電針電壓皆呈現(xiàn)準(zhǔn)線性依賴關(guān)系，隨正電暈充電電壓增加而逐漸降低，隨負(fù)電暈充電電壓增加而逐漸提高。該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[12]所報(bào)道的變化趨勢(shì)一致，但本文中負(fù)極性電荷對(duì)沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響更微弱。結(jié)果表明，真空中PTFE沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)明顯高于常壓，這主要是因?yàn)檎婵罩袣怏w分子密度較低，電子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)與氣體分子碰撞幾率較低，使擊穿場(chǎng)強(qiáng)升高[22]，但表面電荷對(duì)真空中沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)影響較弱。表面負(fù)電荷密度每增加1 pC/mm2，常壓及真空中樣品沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)分別增加約0.19 kV/cm和0.13 kV/cm，而同樣幅度變化的正電荷則導(dǎo)致沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)分別降低約1 kV/cm和0.49 kV/cm。10 kV正電暈使常壓及真空中沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降7.86 kV/cm與3.68 kV/cm，相同條件下負(fù)電暈使得擊穿場(chǎng)強(qiáng)增加3.75 kV/cm與2.53 kV/cm，可能的原因是常壓下包含負(fù)極性表面電荷的樣品最高沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)已接近相同間隙下空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)(30 kV/cm)，因此使得表面電荷對(duì)電場(chǎng)畸變效果減弱。而目前關(guān)于真空沿面放電的機(jī)理尚不明確，基于電子激勵(lì)解吸附原理的二次電子雪崩模型(Secondary Electron Emission Avalanche，SEEA)被認(rèn)為能夠解釋大部分真空沿面擊穿現(xiàn)象[16]，其核心思想是陰極三結(jié)合點(diǎn)場(chǎng)致電子發(fā)射和介質(zhì)表面氣體釋放在其沿面絕緣失效過程中起到至關(guān)重要的作用，介質(zhì)在真空中的沿面擊穿本質(zhì)上仍同于氣體擊穿。

文獻(xiàn)[12-13]提出常壓下沿面放電電極間產(chǎn)生流注放電需滿足：

(2)

式中：α，η和ρ(單位bar)分別為電離系數(shù)、附著系數(shù)和空氣壓力；C(bar·mm/kV2)，A(mm-1·bar-1)，(E/p)M(kV·mm-1·bar-1)則為由氣體參數(shù)決定的常數(shù)。對(duì)空氣而言，C=1.605 3 bar·mm/kV2，A=0.287 3 /(mm·bar)，(E/p)M=2.165 kV/(mm·bar)。當(dāng)有效電離系數(shù)α-η>0時(shí)，(E/p)M的值等于2.588[kV/(mm·bar)]。而負(fù)極性流注的傳播必須滿足間隙之間的平均場(chǎng)強(qiáng)大于11.5 kV/cm。在計(jì)算中，有效電離系數(shù)大于0的區(qū)域被認(rèn)為是活性區(qū)域，計(jì)算活性區(qū)域電場(chǎng)分布，并且以活性區(qū)域的邊界線作為積分路徑，在任一給定的初始電壓下：

(3)

如果施加的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)能夠滿足流注產(chǎn)生和發(fā)展的條件，且K≥9.15，則可得理論沿面擊穿電壓。如果K<9.15，則需提高電壓重新計(jì)算。為對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，也可以通過設(shè)定無電荷沉積的沿面擊穿電壓值作為理論計(jì)算值對(duì)K值進(jìn)行修正[11]。由此可見沿面擊穿主要受氣氛、試樣材料、電極之間的電場(chǎng)分布的影響。而電荷注入主要影響電極之間的電場(chǎng)分布，從而可能對(duì)沿面擊穿電壓產(chǎn)生顯著影響。

文獻(xiàn)[12]的計(jì)算結(jié)果表明，在電極之間施加負(fù)極性直流電場(chǎng)，負(fù)極性電荷的注入會(huì)使得沿著臨界線的電場(chǎng)強(qiáng)度減小，而正極性電荷則會(huì)使相應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度增加。而在其他的參數(shù)保持不變的情況下，K值主要受到電場(chǎng)強(qiáng)度E的影響，因此有表面電荷存在時(shí)，需施加更高的電壓以消除負(fù)極性電荷對(duì)電場(chǎng)的削弱作用，而正電荷則使得較低電壓下的電場(chǎng)也能夠達(dá)到臨界值從而使電極間隙被擊穿。在真空及常壓下表面電荷積累主要改變電極間電場(chǎng)分布，真空中介質(zhì)內(nèi)氣體釋放受介質(zhì)本征特性控制較強(qiáng)，被電場(chǎng)分布的影響不顯著，因此相同表面電荷密度的變化對(duì)真空中沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響較常壓環(huán)境時(shí)較小。

3 結(jié)束語

本文采用針-板電極研究了PTFE薄膜樣品經(jīng)不同極性和不同針電壓電暈充電后積累的表面電荷對(duì)沿面放電及擊穿特性的影響。結(jié)果表明，不同充電電壓可以有效調(diào)控其表面電荷密度，負(fù)極性較正極性電暈充電可在PTFE表面更有效積累較高電荷密度，在-10 kV充電電壓下積累的電荷密度高出+10 kV充電時(shí)所積累的電荷密度1倍；正極性表面電荷導(dǎo)致PTFE的負(fù)極性直流沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)顯著降低，而負(fù)極性表面電荷則具有影響程度較小的相反效果，即僅在一定程度上提高其沿面負(fù)極性擊穿場(chǎng)強(qiáng)。經(jīng)+10 kV電暈充電后積累的正極性表面電荷導(dǎo)致負(fù)極性常壓沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低30%，真空沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降10.7%；而-10 kV電暈充電后積累的負(fù)極性表面電荷使負(fù)極性常壓沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)提高15%，真空沿面擊穿場(chǎng)強(qiáng)僅提高約7%。應(yīng)用PTFE作為空間技術(shù)領(lǐng)域的絕緣介質(zhì)，應(yīng)結(jié)合其具體應(yīng)用場(chǎng)合，充分考慮空間環(huán)境中絕緣介質(zhì)表面電荷積累效應(yīng)及其對(duì)沿面擊穿性能的影響，以合理設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)和表面電荷電場(chǎng)分布，避免發(fā)生沿面放電。

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(編輯：高珍)

Effect of space charge on surface-breakdown behavior of polytetrafluoroethylene

WANG Feipeng1,*，ZHANG Tao1，WEN Gang1，F(xiàn)AN Fan1，LI Jian1，CUI Wanzhao2

1.StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipment&SystemSecurityandNewTechnology,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China2.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonSpaceMicrowave,ChinaAcademyofSpaceTechnology(Xi′an),Xi′an710100,China

Owing to the low conductivity, polytetrafluoroethylene (PTFE) tends to accumulate surface charge which is caused by various factors，e.g. friction, space charge carriers, cosmic rays, etc. Additionally, the decay of surface charge takes long time. It is certainly significative to investigate the role of surface charge on influencing the surface-breakdown behavior. This work endows PTFE sample films with variable surface-charge density by needle-plate corona-charging electrodes. Negative DC surface breakdown voltage was then measured on all samples at atmospheric pressure and in vacuum. Experimental results show that the surface charge density is tailorable by needle voltages;however,the negative corona accumulates surface charge faster than the positive corona. The positive surface charge benefits to reduce negative DC surface breakdown voltage, while negative surface charge slightly leads to an opposite way, i.e. enhancing the surface breakdown voltage for a certain extent. Additionally, the influence of space charge on the breakdown voltage in vacuum is weaker than that at atmospheric pressure.

surface space charge；polytetrafluoroethylene；atmospheric pressure; vacuum; surface breakdown

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0001

2016-06-26；

2017-02-28；錄用日期：2017-03-17；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-03-21 15:43:35

http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170321.1543.007.html

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1537211)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)(2015CB251003)；中央高?？蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(106112015CDJXY150006)

王飛鵬,張濤,文剛,等.表面空間電荷對(duì)聚四氟乙烯沿面擊穿特性的影響[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù), 2017,37(3)：

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TM201.4+4

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http:∥zgkj.cast.cn

*通訊作者：王飛鵬(1977-)，男，研究員，fpwang@cqu.edu.cn，研究方向?yàn)楣こ屉娊橘|(zhì)，電功能聚合物及其應(yīng)用