真空中沿固體絕緣材料表面的閃絡電壓通常遠低于絕緣材料自身及相同長度真空間隙的擊穿電壓，這一現象極大地限制了高壓真空設備的發展。將一種具有優良可加工性能和良好耐電性能的可加工陶瓷引入真空絕緣領域，結合工程實際中的絕緣堆結構，加工制作了多層均壓結構；在納秒脈沖電壓下對不同多層均壓結構的樣品進行了真空沿面耐電性能的測試，并分析了不同均壓結構對樣品沿面電場和電子運動軌跡的影響。結果表明：多層均壓結構樣品的耐壓強度要高于圓柱形樣品，且其閃絡場強隨著絕緣層與金屬層比例的增大有增大的趨勢，徑向電場隨該比例的增大而減小；使用圓臺形絕緣子組成多層均壓絕緣結構時，電子難以與樣品表面發生碰撞，閃絡的穩定性得到了一定程度的提高。

　　引言

　　絕緣子作為起支撐和絕緣作用的重要電氣設備，在X 射線管、高功率速調管、中子束二極管、脈沖功率開關及加速器等眾多高功率器件和大型設備上得到廣泛的應用，而真空中絕緣子表面的沿面閃絡現象極大地限制了高壓電真空設備的發展進程，其機制尚未完全被揭示，這極大地限制了脈沖功率裝置的發展。因此研究絕緣材料的沿面閃絡性能與機制，探索提高真空絕緣子閃絡電壓的方法和途徑，對脈沖功率裝置向小型化、緊湊化、高功率等方向的發展具有重要意義。

　　目前國際上采用的提高沿面閃絡電壓的方法有在絕緣表面進行鍍膜加工、磁場閃絡抑制、不同的絕緣子角度、表面改性、電極處設置屏蔽及新型絕緣結構設計等。高梯度絕緣子(high gradient insulator，HGI)技術是美國Sandia 國家實驗室的Eoin Gray 于20 世紀80 年代基于均壓電極使表面電場分布更均勻的原理提出的，HGI 是由周期性的絕緣層和金屬層排列而成的。目前HGI 的研究已經歷了原理性試驗，正從概念研究走向工程應用研究。HGI 具有較高的沿面耐電強度，現正被逐漸應用于大電流脈沖功率裝置、光觸發高壓開關和介質壁加速器中。

　　美國Livermore 國家實驗室開展了大量的實驗研究和理論分析，以交聯聚苯乙烯(Rexolite)膜或聚酰亞胺(Cirlex)膜為絕緣層、不銹鋼膜為金屬層制作了薄膜型HGI，其沿面閃絡電壓可達到傳統絕緣子的4 倍，窄脈沖下可達到1000kV/cm 的耐壓強度。以色列Leopold 等人[13]對這種結構進行了電場及電荷仿真，并采用鐵鎳鈷合金(Kovar)片(厚度為M)和氧化鋁片(厚度為I)多層疊片焊接制作了HGI，保證I/M 4mm 不變，而I 和M 可變，實驗發現，當I/M3 時，HGI 的耐電強度高于同樣高度的圓柱形絕緣子，而當I/M3 時，HGI 耐電強度要低。

　　國內一些機構也對HGI 進行了理論和實驗研究。中科院的任成燕、嚴萍等人進行了電場分析，并以聚酰亞胺膜為介質層、黃銅為金屬層及聚全氟乙丙烯膜為介質層、不銹鋼膜為金屬層制作了兩種方案的微堆層絕緣子試樣，老練后其閃絡場強可達190kV/cm；國防科技大學屈立輝等對高梯度絕緣結構進行了初步的理論研究。

　　本文針對課題組研制的一種可加工陶瓷(machinable ceramic，MC)進行了多層均壓結構的實驗研究。MC 在一定程度上兼顧了傳統氧化鋁陶瓷和聚合物材料的優點并克服了其缺點，表面耐電性能明顯優于傳統的氧化鋁陶瓷，適合用于真空絕緣。在納秒脈沖電壓下對不同均壓結構、絕緣層與金屬層不同比例(I/M)、不同絕緣子角度的多層均壓MC 樣品進行了真空沿面耐電特性的研究，并進行了上述不同結構下的電場和電子運動軌跡的仿真，進而分析其對沿面閃絡電壓的影響。

　　1、實驗設計

　　1.1、可加工陶瓷試樣制備及可加工性能

　　試驗所使用的試樣制備過程如下：采用高溫加料法，將石英坩堝隨爐升溫至1100~1200℃后加料，并升溫至熔煉溫度(1250~1300℃)，經1~2h保溫后攪拌，再保溫0.5~1h 后澆注在經預熱的鑄鐵模具上澆注成型，成型后迅速放入另一500℃的爐中進行退火處理，最后對基礎玻璃進行晶化處理，晶化溫度為700℃，晶化時間為1h，得到圓柱形陶瓷試樣。在晶化過程中要控制升溫速度，防止試品在晶化過程中開裂，并確保所有試樣具有優良的可加工性能。

　　MC 良好的可加工性能在于它獨特的晶體相結構，MC 表面經掃描電子顯微鏡放大5000 倍后的形貌，如圖1 所示。MC 內部存在很多微小的氟金云母晶體，這些氟金云母晶體之間相互連接，而不同的云母晶體層面之間的結合力十分薄弱，在外應力作用時，裂紋很容易通過脆弱面進行發展，而云母晶體可以控制裂紋的發展方向，阻止裂紋的自由擴展。因此，MC 內部氟金云母晶體的搭接結構是其可加工性能的本質所在。

圖1 可加工陶瓷微觀結構圖

　　HGI 的制作工藝要求很高，在制作時要求用硅酸鋁以及鎳鉻合金電阻絲材料制作的圓柱形加熱器對絕緣子進行加熱處理，同時施加一定的壓力，使絕緣子與金屬緊密結合，并且對絕緣材料表面進行拋光處理，盡量避免瑕疵的存在。由于在制作過程中需要進行加熱處理，所以一些不耐熱的高分子材料不適宜用來制作多層均壓絕緣材料。本文多層均壓MC 樣品的制作和Leopold 基本相同，采用較厚的MC 絕緣層和不銹鋼金屬層。通過數控機床加工制備了直徑10mm，厚度不等的MC 試品圓片和直徑為10mm，厚度不等的不銹鋼圓片，并直接依次疊放成多層均壓結構。樣品示意圖如圖2 所示。

圖2 多層均壓可加工陶瓷實驗樣品

　　1.2、實驗裝置與實驗程序

　　本文在納秒脈沖電壓下進行多層均壓MC的真空沿面耐電特性測試的實驗系統示意圖如圖3 所示，整個系統由高壓納秒脈沖源、真空系統、試樣與電極系統和測量系統組成。

圖3 真空沿面閃絡試驗系統示意圖

　　本文兩電極之間施加的電壓為納秒脈沖電壓(45/450ns)，沿面閃絡實驗電極結構為平板結構，如圖5 所示。不銹鋼電極固定在聚四氟乙烯支架上，直徑為100mm，電極間距為試品的厚度，通過聚四氟乙烯支架將試品緊壓在兩電極之間，以保證盡可能減小試品與電極表面之間的氣隙。圖4 所示的平板電極裝置放置于氣壓小于0.5mPa 的真空腔內進行實驗。施加在試品上的電壓和電流信號分別由電阻分壓器(分壓比為11001)和羅氏線圈獲得，在實際測試中，低壓臂的電壓信號通過了一個100 倍的衰減器后進入示波器。

圖4 電極–試品結構圖

　　實驗前對樣品依次使用95%丙酮、酒精、去離子水進行超聲波清洗，然后在100℃溫度下持續烘干2h，以保證試品表面的清潔。試品的沿面閃絡實驗采用逐級加壓的方法，以Marx 發生器的充電電壓為標準，從4kV 開始，以0.5kV 為升壓單位，逐步提高輸出電壓，每個電壓等級下連續觸發3 次，在某個電壓下發生第一次沿面閃絡，稱為首次閃絡電壓Ufb，如果在第一次閃絡后沒有發生閃絡，則繼續提高電壓，直到試品在3 次觸發下全部擊穿，此時稱為完全閃絡電壓Uco，然后逐步降低輸出電壓，直到試品3 次觸發下都不發生閃絡現象，此時的電壓為試樣的殘余耐受電壓Uho。本文中每種樣品都至少進行3 次沿面閃絡實驗以減小實驗數據的分散性，以3 次閃絡電壓的平均值作為每一個樣品的耐電特性。

　　4、結論

　　可加工陶瓷具有優良的可加工性能，本文制備了多層均壓可加工陶瓷樣品結構，在納秒脈沖電壓下進行了真空沿面耐電特性的測試，同時對多層均壓結構的電場分布和電子運動軌跡進行了初步的仿真，發現實驗結果與仿真具有較好的一致性。

　　1)多層均壓結構可加工陶瓷樣品的耐壓強度要高于圓柱形樣品的耐壓強度。

　　2)多層均壓結構可加工陶瓷樣品的閃絡場強隨著絕緣層與金屬層比例(I/M)的增大有增大的趨勢，徑向電場變化規律相反。

　　3)使用圓臺形絕緣子組成多層均壓絕緣結構時，電子難以與樣品表面發生碰撞，實驗發現首次閃絡場強和殘余耐受場強均有大幅度提高，三個閃絡場強參數更為接近，閃絡的穩定性得到了一定程度的提高。