靜電電磁脈沖誘發(fā)航天器絕緣材料閃絡(luò)特性

張巖， 趙鑫， 劉尚合， 錢禹行， 張路， 蓋祥虎

(1.河北科技大學 電氣工程學院, 河北 石家莊 050018;2.陸軍工程大學石家莊校區(qū) 電磁環(huán)境效應(yīng)國家級重點實驗室, 河北 石家莊 050003)

0 引言

沿面閃絡(luò)現(xiàn)象是電子器件沿面耐電性能失效的重要表現(xiàn)形式之一。航天器在發(fā)射和返回過程中與大氣摩擦、累積大量的靜電荷，導致相互絕緣的部件間容易發(fā)生靜電放電(ESD)，ESD產(chǎn)生的電磁輻射作為近距離干擾源，干擾航天器導航和通訊系統(tǒng)，導致航天器姿態(tài)失控，造成不可彌補的損失。航天器外殼、分離連接裝置、太陽電池陣低充電電位敏感區(qū)域的電場較弱，電子能量低于分子、原子電離能，碰撞電離概率較低，在ESD電磁脈沖場影響下使低壓氣體產(chǎn)生大量帶電粒子，從而降低放電閾值并誘發(fā)產(chǎn)生靜電電荷泄放，進而發(fā)生沿面閃絡(luò)現(xiàn)象。鑒于航天器不同設(shè)備與不同部位對絕緣防護的要求不同，并考慮到絕緣材料的絕緣性、耐熱性和防輻射等特性，聚四氟乙烯(PTFE)、環(huán)氧樹脂和有機玻璃是航天器各種設(shè)備及表面材料中常用的3種絕緣材料。表1為常溫常壓下3種絕緣材料的物理參數(shù)。

表1 3種絕緣材料物理參數(shù)

PTFE是一種大分子量的飽和高分子化合物，介電常數(shù)較低且在不同電場頻率下基本不會變化，是極佳的電絕緣材料，用作航天器外表面隔離以及導向環(huán)、密封墊、密封球等。環(huán)氧樹脂有很好的電氣性能和防輻射性能，環(huán)氧樹脂多與高性能纖維制成復合材料，常用作飛行器機翼、火箭發(fā)動機內(nèi)芯等制品。有機玻璃質(zhì)量輕、強度高，具有良好的電絕緣性，常用于航天器透明件保護涂料、機艙、舷窗等方面。

國內(nèi)外學者以絕緣材料介電特性為基礎(chǔ)，對各種絕緣材料在大氣、低氣壓環(huán)境中的閃絡(luò)規(guī)律與特性進行了實驗研究。謝喜寧等建立了大氣環(huán)境下ESD輻射場誘發(fā)放電實驗系統(tǒng)，對ESD輻射場誘發(fā)針- 球電極結(jié)構(gòu)閃絡(luò)進行研究，得出了大氣環(huán)境下材料表面的帶電特點及誘發(fā)閃絡(luò)的基本規(guī)律。劉海鋒等進行了N、SF中環(huán)氧樹脂直流沿面閃絡(luò)特性的多因素研究，得出了不同均勻度電場和不同氣壓下的沿面閃絡(luò)特性，發(fā)現(xiàn)電極不對稱時N中與SF中環(huán)氧樹脂的沿面閃絡(luò)電壓有相反的極性特性。Li等研究了電子動能和入射方向?qū)﹄娮邮椪照婵罩绷鞅砻骈W絡(luò)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)低能電子束輻照時提高了表面閃絡(luò)電壓，當電子束能量較高時在較低的外加電壓下引發(fā)閃絡(luò)。周立棟等研究了PTFE沿面閃絡(luò)電壓規(guī)律，得到了大氣壓下沿面閃絡(luò)電壓、場強規(guī)律，為真空中電磁場環(huán)境對沿面閃絡(luò)影響實驗打下基礎(chǔ)。近年來，國內(nèi)外對絕緣材料沿面閃絡(luò)開展了一系列研究，但主要集中在自身條件變化影響單一絕緣材料發(fā)生閃絡(luò)方面，缺少靜電電磁脈沖誘發(fā)不同絕緣材料閃絡(luò)的理論分析與對比實驗研究。

本文針對上述問題，參照國際電工委員會標準IEC 61000-4-2，設(shè)計了靜電電磁脈沖場誘發(fā)絕緣材料閃絡(luò)實驗測試系統(tǒng)，ESD模擬器放電槍對垂直金屬耦合板進行接觸式放電、產(chǎn)生靜電電磁脈沖輻射場，以航天器常用PTFE、環(huán)氧樹脂、有機玻璃3種絕緣材料為研究對象制作了實驗樣品，研究大氣環(huán)境中不同強度靜電電磁脈沖誘發(fā)3種絕緣材料閃絡(luò)特性，并進行理論分析，得出誘發(fā)閃絡(luò)規(guī)律，對復雜電磁環(huán)境中航天器的靜電防護具有借鑒意義。

1 基本理論

實驗依據(jù)二次電子發(fā)射雪崩模型(SEEA)，開展電磁場作用下誘發(fā)絕緣材料表面閃絡(luò)的研究。在SEEA模型中，施加電極電壓后，在陰極- 絕緣材料- 空氣三結(jié)合點處產(chǎn)生電場畸變，電場畸變場致發(fā)射初始電子，初始電子在電場作用下向前加速運動，撞擊絕緣材料表面導致二次電子發(fā)射，并且引發(fā)表面氣體解吸附，最終形成二次電子發(fā)射雪崩產(chǎn)生沿面閃絡(luò)。在外加電場作用下，絕緣材料表面電場強度圖如圖1所示。圖1中：為沒有外加電場時的合成場，與材料表面的夾角為，和分別為合成場強在法向和切向上的分量，此時未產(chǎn)生閃絡(luò)；外加電場后的合成場為，與分別為該合成場的法相分量和切向分量，為絕緣材料表面電極間距，Δ為電子出射后返回絕緣表面經(jīng)過的平均距離。

圖1 絕緣材料表面電場強度Fig.1 Diagram of electric field intensity on the Insulation material surface

外加電場時，由于絕緣材料表面正電荷的積累，會形成一個垂直于材料表面的電場：

=(2)

(1)

式中：為材料表面正電荷密度；為自由介電常數(shù)，=885×10F/cm。

合成電場與絕緣材料表面的夾角為

(2)

式中：為水平電場(初始擊穿電場)；為電子碰撞絕緣表面時能量；為出射電子能量。

絕緣材料表面正電荷密度為

=2=2tan

(3)

電子受材料表面正電荷的影響被限制在絕緣體表面附近，因此電子密度不能大于表面正電荷密度。當電子達到一定的密度和漂移速度時，不能顯著小于。由此假設(shè)=。在電場的影響下使電子向陽極運動產(chǎn)生電流，切向電流為

=

(4)

電子出射后返回絕緣表面經(jīng)過的平均距離為Δ=，絕緣材料表面法向電流密度為

=Δ=

(5)

電極間距為的材料表面單位面積內(nèi)，閃絡(luò)放電的解吸附氣體分子臨界值為

=(())

(6)

式中：為脫附概率；為絕緣材料表面解吸附氣體分子脫附的平均速度；為電子電荷；為絕緣材料長度。

根據(jù)上述公式，變換得到外加電場作用下閃絡(luò)擊穿電場和閃絡(luò)電壓的表達式為

(7)

(8)

由以上公式可知，外加電場的大小、脫附概率、解吸附氣體分子的臨界值、絕緣材料長度等因素均會影響絕緣材料的閃絡(luò)電壓。

絕緣材料閃絡(luò)時擊穿電場為，閃絡(luò)電壓閾值為。如果電極電壓提供的電場強度<，此時無法誘發(fā)絕緣材料產(chǎn)生閃絡(luò)，因此需添加一個靜電電磁脈沖場，使絕緣材料表面電場能夠達到誘發(fā)閃絡(luò)時的擊穿電場強度。由電場疊加原理，當靜電電磁脈沖場與電極間直流電場構(gòu)成的合成場產(chǎn)生的感應(yīng)電壓小于閃絡(luò)電壓閾值，即(+)=<時不會產(chǎn)生閃絡(luò)現(xiàn)象；當合成場產(chǎn)生的感應(yīng)電壓達到閃絡(luò)電壓，即(+)=≥時誘發(fā)絕緣材料表面開始產(chǎn)生閃絡(luò)，而ESD模擬器與垂直金屬耦合板產(chǎn)生的靜電電磁脈沖場具有方向隨機性，可能導致相同ESD模擬器輸出電壓下發(fā)射的靜電電磁脈沖場方向與電極的方向不一致，因此當合成場+在附近時，合成場+的場強未必大于的場強，此時靜電電磁脈沖場誘發(fā)絕緣材料閃絡(luò)就存在概率；因此，只有當合成場場強+遠大于的場強，合成場在電極兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電壓遠大于閃絡(luò)電壓閾值，即?時產(chǎn)生誘發(fā)閃絡(luò)現(xiàn)象。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

航天器運行時的絕緣材料表面積累電荷、產(chǎn)生一定電位，通過施加電極電壓來模擬這個電位，調(diào)節(jié)電極電壓低于絕緣材料自身閃絡(luò)電壓模擬了航天器表面沒有閃絡(luò)發(fā)生時的表面電位，再使用ESD模擬器對垂直金屬耦合板進行接觸式放電，產(chǎn)生一個靜電電磁脈沖場來模擬航天器所處的強電磁場環(huán)境，以此研究靜電電磁脈沖場誘發(fā)絕緣材料表面閃絡(luò)的規(guī)律。靜電電磁脈沖誘發(fā)絕緣材料沿面閃絡(luò)實驗在大氣環(huán)境中進行，實驗?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 實驗?zāi)Ｐ蛨DFig.2 Experimental model diagram

實驗中，以靜電電磁脈沖輻射場為誘發(fā)閃絡(luò)的背景電磁場，作用于絕緣材料表面指型金屬電極誘發(fā)閃絡(luò)。選用PTFE、環(huán)氧樹脂、有機玻璃3種絕緣材料，通過調(diào)節(jié)施加在指型金屬電極的電極電壓和ESD模擬器的輸出電壓，測量誘發(fā)絕緣材料閃絡(luò)時電流波形和電極間產(chǎn)生電弧的概率，以此分析誘發(fā)PTFE、環(huán)氧樹脂、有機玻璃3種絕緣材料閃絡(luò)的規(guī)律。

2.2 實驗裝置

進行靜電電磁脈沖誘發(fā)PTFE、環(huán)氧樹脂、有機玻璃3種絕緣材料表面指型金屬電極的閃絡(luò)實驗，實驗設(shè)備如圖3所示，由3部分構(gòu)成：

圖3 實驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental device

1) 第1部分為電磁場輻照裝置部分，包括日本NoiseKen公司生產(chǎn)的ESS-S3011A型ESD模擬器、金屬耦合板，這部分由放電槍對金屬耦合板進行放電產(chǎn)生靜電電磁脈沖輻射場。

2)第2部分為實驗樣品布局結(jié)構(gòu)部分，包括常壓罩、航天器中常用的環(huán)氧樹脂、有機玻璃、PTFE 3種絕緣材料，絕緣材料樣品如圖4所示，表面為典型非均勻電場分布的指型金屬電極，電極間距為 1 mm，曲率半徑為1 cm，實驗樣品結(jié)構(gòu)如圖5所示，由秦皇島輝光電子有限公司產(chǎn)GLOW 28720直流高壓電源在電極間施加直流電場。

圖4 絕緣材料樣品Fig.4 Insulation material sample

圖5 實驗樣品結(jié)構(gòu)Fig.5 Experimental sample structure

3)第3部分為閃絡(luò)監(jiān)測裝置，包括美國泰克公司生產(chǎn)的TDS7404B型示波器、CT-1電流探頭(伏安輸出特性5 mV/1 mA)和為保護實驗設(shè)備配備的30 dB衰減器，此模塊對靜電電磁脈沖誘發(fā)絕緣材料閃絡(luò)時，流入大地的閃絡(luò)電流波形和靜電電磁脈沖場在放電回路中的感應(yīng)電流波形進行監(jiān)測。

2.3 實驗方法

實驗在標準大氣壓101.325 kPa、環(huán)境溫度22 ℃、環(huán)境相對濕度40%的大氣環(huán)境中進行。實驗中，ESD放電槍對金屬耦合板進行接觸式放電，產(chǎn)生的ESD電磁脈沖場來模擬強電磁脈沖環(huán)境，同時監(jiān)測該環(huán)境下絕緣材料表貼指型金屬電極發(fā)生的誘發(fā)閃絡(luò)現(xiàn)象。實驗步驟如下：

1)通過調(diào)節(jié)施加在指型金屬電極的直流高壓源，在PTFE、環(huán)氧樹脂、有機玻璃3種絕緣材料表面指型金屬電極持續(xù)發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象時，此時電極所加電壓即為材料的閃絡(luò)閾值。進行誘發(fā)閃絡(luò)實驗時，為研究靜電電磁脈沖場誘發(fā)3種絕緣材料閃絡(luò)的效果，電極電壓的調(diào)節(jié)始終不超閾值電壓，為得到更好的誘發(fā)閃絡(luò)概率規(guī)律，取接近閾值的電極電壓。

2)保持ESD模擬器輸出電壓不變，通過調(diào)節(jié)電極電壓大小模擬電極間不同等級直流電場，觀察誘發(fā)閃絡(luò)概率，得到不同電極電壓條件下誘發(fā)3種絕緣材料閃絡(luò)的規(guī)律。

3)保持電極電壓不變，通過調(diào)節(jié)ESD模擬器輸出電壓大小模擬不同等級的電磁場，觀察誘發(fā)閃絡(luò)概率，得到不同ESD模擬器輸出電壓條件下誘發(fā) 3種絕緣材料閃絡(luò)的規(guī)律。

首先根據(jù)步驟1，通過調(diào)節(jié)電極電壓，測出3種絕緣材料誘發(fā)閃絡(luò)的電壓閾值，有機玻璃閃絡(luò)閾值為-2.7 kV；環(huán)氧樹脂閃絡(luò)閾值為-3.1 kV；PTFE閃絡(luò)閾值為-3.6 kV。為了不發(fā)生自發(fā)閃絡(luò)，電極電壓分別選取不超過3種材料閃絡(luò)閾值的5種電壓，有機玻璃：-2.2 kV、-2.3 kV、-2.4 kV、-2.5 kV、-2.6 kV，環(huán)氧樹脂：-2.6 kV、-2.7 kV、-2.8 kV、-2.9 kV、-3 kV，PTFE：-3.1 kV、-3.2 kV、-3.3 kV、-3.4 kV、-3.5 kV。通過調(diào)節(jié)ESD模擬器輸出電壓大小，模擬不同等級的靜電電磁脈沖輻射場。為保證有機玻璃、環(huán)氧樹脂、PTFE 3種絕緣材料誘發(fā)輻射場的一致性，ESD模擬器輸出電壓選用-30 kV、-20 kV、-10 kV 3種等級。

每種絕緣材料對應(yīng)3種ESD模擬器輸出電壓和5種電極電壓分別進行組合實驗，為確保實驗結(jié)果可靠性，每組實驗各進行20次，實驗結(jié)果取20次實驗的平均值。3種材料各準備300片測試樣品，考慮到誘發(fā)閃絡(luò)后絕緣材料表面會有電荷積累，并且在發(fā)生閃絡(luò)時貫穿放電通道會對材料表面造成一定的破壞，因此絕緣材料每次進行誘發(fā)閃絡(luò)后都要更換材料樣品，并且3種材料各自樣品都取自同一批次材料，以保證絕緣材料表面屬性的一致性，同時保證材料表貼金屬電極的布局結(jié)構(gòu)一致。

實驗進行了靜電電磁脈沖場誘發(fā)PTFE、環(huán)氧樹脂、有機玻璃3種絕緣材料閃絡(luò)的研究，利用示波器監(jiān)測不同ESD模擬器輸出電壓和電極電壓條件下3種材料的閃絡(luò)電流波形，以及3種材料的誘發(fā)閃絡(luò)概率，總結(jié)出靜電電磁脈沖場對3種材料誘發(fā)閃絡(luò)的影響規(guī)律。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 誘發(fā)閃絡(luò)電流分析

實驗中，外加靜電電磁脈沖場誘發(fā)絕緣材料表面指型金屬電極間產(chǎn)生閃絡(luò)時，電極間隙會產(chǎn)生閃絡(luò)電弧，此時通過電流探頭監(jiān)測閃絡(luò)電流，在示波器上會呈現(xiàn)兩個衰減振蕩波，波形如圖6～圖8所示。第1個衰減振蕩波形為ESD模擬器放電槍對金屬耦合板接觸放電所產(chǎn)生靜電電磁脈沖場，在放電單元及接地回路上產(chǎn)生感應(yīng)電流波形，第2個衰減振蕩波為絕緣材料表面電極間的電子密度達到一定程度，靜電電磁脈沖場誘發(fā)材料表面貫穿放電產(chǎn)生的閃絡(luò)電流波形。當有機玻璃材料表面金屬電極沒有施加電極電壓時，ESD模擬器輸出電壓調(diào)節(jié)到-30 kV，此時靜電電磁脈沖場的場強達不到絕緣材料擊穿場強，沒有誘發(fā)閃絡(luò)，只存在靜電電磁脈沖感應(yīng)電流波形，沒有閃絡(luò)電流波形，如圖9所示。

圖6 誘發(fā)有機玻璃材料發(fā)生閃絡(luò)電流波形Fig.6 Induced flashover current waveform of PMMA material

圖7 誘發(fā)環(huán)氧樹脂材料發(fā)生閃絡(luò)電流波形Fig.7 Induced flashover current waveform of EP material

圖8 誘發(fā)PTFE材料發(fā)生閃絡(luò)電流波形Fig.8 Induced flashover current waveform of PTFE material

圖9 靜電電磁脈沖感應(yīng)電流波形Fig.9 ESD EMP induced current waveform

對于有機玻璃、環(huán)氧樹脂、PTFE 3種絕緣材料，當在表貼指型金屬電極兩端施加了小于閃絡(luò)閾值0.1 kV的電壓同時ESD模擬器輸出電壓為-30 kV時，靜電電磁脈沖場與電極電壓形成的直流電場疊加，形成的合成場大于絕緣材料擊穿場強，此時會誘發(fā)閃絡(luò)，誘發(fā)閃絡(luò)波形如圖6～圖8所示。在圖6～圖8中標記～6個點，其中、、點表示誘發(fā)3種絕緣材料閃絡(luò)的靜電電磁脈沖感應(yīng)電流波形起始點，、、點表示3種絕緣材料誘發(fā)閃絡(luò)波形的起始點，～、～、～之間的時間表示3種絕緣材料從靜電電磁脈沖發(fā)出到誘發(fā)閃絡(luò)的時間。

對于有機玻璃、環(huán)氧樹脂、PTFE 3種絕緣材料，施加小于閃絡(luò)閾值0.1 kV的電極電壓，分別為-2.6 kV、-3 kV、-3.5 kV，同時ESD模擬器輸出電壓都為-30 kV，此時會誘發(fā)3種絕緣材料發(fā)生閃絡(luò)，有機玻璃、環(huán)氧樹脂、PTFE 3種絕緣材料的誘發(fā)閃絡(luò)電流波形如圖6～圖8所示，在上述條件下，為了確保實驗結(jié)果可靠性，3種絕緣材料各進行20次誘發(fā)閃絡(luò)，誘發(fā)閃絡(luò)電流時間和幅值取這20次誘發(fā)閃絡(luò)的平均值。其中，有機玻璃、環(huán)氧樹脂、PTFE的誘發(fā)閃絡(luò)電流幅值平均值分別為-6.6 A、-8.2 A、-13.6 A，如表2所示。有機玻璃、環(huán)氧樹脂、PTFE的誘發(fā)閃絡(luò)電流時間平均值分別為396 ns、1 296 ns、2 796 ns，如表3所示。

表2 3種絕緣材料誘發(fā)閃絡(luò)電流幅值平均值

表3 3種絕緣材料誘發(fā)閃絡(luò)電流時間平均值

分析在相同ESD模擬器輸出電壓條件下誘發(fā)3種絕緣材料閃絡(luò)時延特性和誘發(fā)閃絡(luò)電流幅值特性，對比誘發(fā)3種材料閃絡(luò)時電流波形變化情況發(fā)現(xiàn)，絕緣材料介電強度是影響誘發(fā)閃絡(luò)電流變化的主要因素，根據(jù)理論分析，PTFE、環(huán)氧樹脂、有機玻璃3種材料，介電強度越高，絕緣材料表面產(chǎn)生閃絡(luò)就需要有更多的電子參與碰撞，以致達到三結(jié)合點處電離，使絕緣材料表面發(fā)生閃絡(luò)，因此介電強度越高的材料發(fā)生誘發(fā)閃絡(luò)，材料表面需要更高的電子密度在閃絡(luò)時形成的電離通道，既需要更長的時間來積累電子，因此導致誘發(fā)絕緣材料閃絡(luò)時的電流幅值變大，產(chǎn)生閃絡(luò)電流所需時間變長。

3.2 誘發(fā)閃絡(luò)的規(guī)律

根據(jù)2.3節(jié)實驗方法步驟1，首先確定3種絕緣材料的閃絡(luò)閾值-2.7 kV、-3.1 kV、-3.6 kV，在低于每種絕緣材料閃絡(luò)閾值的電壓下每隔0.1 kV選擇5組作為實驗電極電壓，即有加載到絕緣材料表貼電極上的實驗電壓為，有機玻璃：-2.2 kV、-2.3 kV、-2.4 kV、-2.5 kV、-2.6 kV，環(huán)氧樹脂：-2.6 kV、-2.7 kV、-2.8 kV、-2.9 kV、-3 kV，PTFE：-3.1 kV、-3.2 kV、-3.3 kV、-3.4 kV、-3.5 kV。ESD模擬器輸出電壓為-30 kV、-20 kV、-10 kV。圖10～圖12給出在不同的ESD模擬器輸出電壓下，3種絕緣材料誘發(fā)閃絡(luò)的概率隨電極電壓變化的規(guī)律。從圖10～圖12中可以看出，3種絕緣材料的誘發(fā)閃絡(luò)概率，皆隨著ESD模擬器輸出電壓和電極電壓的增加而增大。

圖10 誘發(fā)有機玻璃閃絡(luò)概率與ESD模擬器輸出電壓及電極電壓的關(guān)系Fig.10 Relationship between induced flashover probability of PMMA and output voltage and electrode voltage of ESD simulator

圖11 誘發(fā)環(huán)氧樹脂閃絡(luò)概率與ESD模擬器輸出電壓及電極電壓的關(guān)系Fig.11 Relationship between induced flashover probability of EP and output voltage and electrode voltage of ESD simulator

圖12 誘發(fā)PTFE閃絡(luò)概率與ESD模擬器輸出電壓及電極電壓的關(guān)系Fig.12 Relationship between induced flashover probability of PTFE and output voltage and electrode voltage of ESD simulator

有機玻璃材料隨著電極電壓的上升，絕緣表面誘發(fā)閃絡(luò)概率呈平緩上升趨勢。環(huán)氧樹脂和PTFE材料分別在電極電壓為-2.6～-2.8 kV和-3.1～-3.4 kV范圍內(nèi)，誘發(fā)閃絡(luò)概率增長趨勢緩慢；在-2.8～-3.0 kV和-3.4～-3.5 kV之間，誘發(fā)閃絡(luò)概率呈快速上升趨勢。根據(jù)理論結(jié)合實驗分析可知，不同絕緣材料表面解吸附氣體分子脫附概率和脫附平均速度不同，3種絕緣材料介電強度越大，在同等強度的靜電電磁脈沖條件下，表面脫附概率越小，脫附平均速度越慢，使電子與氣體分子碰撞電離越弱，因此導致誘發(fā)產(chǎn)生絕緣材料閃絡(luò)的概率越小。

3.3 分析與討論

根據(jù)絕緣材料表面閃絡(luò)二次電子發(fā)射雪崩理論，當施加一定的電極電壓時會在絕緣材料表面形成一個穩(wěn)定電場，而絕緣材料與電極接觸面存在一定空隙，會在三結(jié)合點處產(chǎn)生電場畸變，從而導致此處電場增強發(fā)射初始電子，受到電場的影響，電子會向前做加速運動碰撞材料表面產(chǎn)生二次電子，同時造成表面氣體分子脫附，最終形成二次電子發(fā)射雪崩產(chǎn)生沿面閃絡(luò)。當外加靜電電磁脈沖場疊加在直流電場時，使三結(jié)點處畸變電場強度增強，場致發(fā)射產(chǎn)生更多初始電子，并由根據(jù)第1節(jié)中(3)式可知，隨著外加電場的增強，材料表面電荷密度增加，使電子與氣體分子碰撞電離程度更加充分，從而促使誘發(fā)絕緣材料閃絡(luò)，使誘發(fā)絕緣材料表面閃絡(luò)概率增大。

依據(jù)第1節(jié)中的(7)式和(8)式，可知當(+)=<時絕緣材料表面不會產(chǎn)生閃絡(luò)現(xiàn)象；當施加的使+在附近時，由于靜電電磁脈沖場的方向具有隨機性，疊加在方向的場強分量大小隨機，并非每次都能使(+)=≥，此時誘發(fā)閃絡(luò)就存在概率，且誘發(fā)閃絡(luò)概率隨著合成場場強的增強而增大；但當合成場產(chǎn)生的感應(yīng)電壓遠大于閃絡(luò)電壓，即?時，誘發(fā)絕緣材料閃絡(luò)的概率接近于1。結(jié)合圖10～圖12中有機玻璃、環(huán)氧樹脂、PTFE 3種材料的誘發(fā)閃絡(luò)的實驗規(guī)律，具體情況可分為以下3種：

1)根據(jù)3.2節(jié)中給出的3種絕緣材料閃絡(luò)電壓閾值，調(diào)節(jié)電極電壓低于絕緣材料閃絡(luò)電壓 0.5 kV，環(huán)氧樹脂、PTFE材料電極電壓分別為-2.6 kV、-3.1 kV時，電極電壓在陰極- 絕緣材料- 空氣三結(jié)合點處形成的畸變電場強度小，即電場的電場強度沒有達到絕緣材料的閃絡(luò)場強閾值，電子加速積累動能不足，撞擊中性氣體分子或絕緣材料表面時導致發(fā)生電離的概率大幅降低，生成的二次電子數(shù)目極少，不會形成閃絡(luò)。當調(diào)節(jié)ESD模擬器輸出電壓為-10 kV時，此時靜電電磁脈沖場與直流電場疊加構(gòu)成的合成場產(chǎn)生的感應(yīng)電壓仍然小于絕緣材料閃絡(luò)閾值，因此無法誘發(fā)絕緣材料表面產(chǎn)生閃絡(luò)，此時(+)=<。兩種絕緣材料的誘發(fā)閃絡(luò)概率為0。

2)當調(diào)節(jié)有機玻璃、環(huán)氧樹脂、PTFE 3種絕緣材料的電極電壓分別為-2.3～-2.5 kV、-2.7～-2.9 kV、-3.2～-3.4 kV之間時，ESD模擬器輸出電壓為0，此時由于電極電壓低于絕緣材料閃絡(luò)電壓閾值，所有不會發(fā)生自發(fā)閃絡(luò)。調(diào)節(jié)ESD模擬器輸出電壓分別為-10 kV、-20 kV、-30 kV時，電極間的合成場強+在閃絡(luò)擊穿場強附近，此時由于靜電電磁脈沖場的方向具有隨機性，誘發(fā)閃絡(luò)也存在隨機性，但隨著電極電壓和ESD模擬器輸出電壓的增大，靜電電磁脈沖場與直流電場疊加構(gòu)成合成場的增強從根本上會提高誘發(fā)閃絡(luò)的概率，此時合成場產(chǎn)生的感應(yīng)電壓逐步大于絕緣材料閃絡(luò)電壓閾值，即(+)=≥。隨著電極電壓和ESD模擬器輸出電壓的提升，誘發(fā)閃絡(luò)概率隨之提高，有機玻璃誘發(fā)閃絡(luò)概率從0.05上升到0.85、環(huán)氧樹脂誘發(fā)閃絡(luò)概率從0上升到0.65、PTFE誘發(fā)閃絡(luò)概率0上升到0.65。

3)調(diào)節(jié)電極電壓低于絕緣材料閃絡(luò)電壓0.1 kV，有機玻璃、環(huán)氧樹脂、PTFE 3種材料電極電壓分別為-2.6、-3.0、-3.5 kV時，由于電極電壓低于絕緣材料閃絡(luò)電壓閾值，電極間不會發(fā)生自發(fā)閃絡(luò)，此時調(diào)節(jié)ESD模擬器輸出電壓為-30 kV，靜電電磁脈沖場與直流電場疊加構(gòu)成的合成場產(chǎn)生的感應(yīng)電壓遠大于絕緣材料閃絡(luò)電壓閾值，即(+)=?，靜電電磁脈沖場誘發(fā)絕緣材料表面產(chǎn)生閃絡(luò)，此時有機玻璃、環(huán)氧樹脂、PTFE 3種材料的誘發(fā)閃絡(luò)概率接近于1，分別為0.90、0.95、0.95。

此外，絕緣材料的絕緣性能主要反映在其自身介電強度，材料介電強度越大，發(fā)生誘發(fā)閃絡(luò)時所需電場強度越強，同等電場強度條件下誘發(fā)閃絡(luò)的概率越小。

4 結(jié)論

基于典型指型金屬電極結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計了靜電電磁脈沖輻照誘發(fā)絕緣材料閃絡(luò)的實驗系統(tǒng)，對有機玻璃、環(huán)氧樹脂、PTFE 3種絕緣材料進行了誘發(fā)閃絡(luò)的研究，基于實驗數(shù)據(jù)的整理分析，充分表明在大氣環(huán)境中不同強度的電磁脈沖對3種絕緣材料呈現(xiàn)不同誘發(fā)閃絡(luò)的特性。得出主要結(jié)論如下：

1)有機玻璃、環(huán)氧樹脂、PTFE 3種絕緣材料的介電強度越強，電極間形成貫穿放電通道所需的時間越長，誘發(fā)閃絡(luò)時電極間的電離通道內(nèi)電子密度越高，測得誘發(fā)閃絡(luò)電流信號波形幅值越大。

2)在一定的靜電電磁脈沖場強下，測得有機玻璃、環(huán)氧樹脂、PTFE 3種絕緣材料閃絡(luò)的電壓依次為-2.7 kV、-3.1 kV、-3.6 kV，電壓越高的絕緣材料介電性能越好，絕緣材料表面空氣電離難度越大，同等電場強度下越不易誘發(fā)閃絡(luò)。

3)靜電電磁脈沖電壓相同時，不同絕緣材料表面隨著指型電極的電極電壓的提升，使電極間直流電場增強，激發(fā)更多電子，促進了二次電子發(fā)射雪崩效應(yīng)，使誘發(fā)絕緣材料閃絡(luò)概率增大。

4)電極電壓不變時，不同絕緣材料表面隨著施加靜電電磁脈沖電壓的提高，電場疊加增強絕緣材料表面電場強度，使絕緣表面電子與氣體分子碰撞電離程度更加充分，導致誘發(fā)絕緣材料表面閃絡(luò)的概率增大。