高压打火是行波管等微波真空电子器件最主要的失效方式，而绝缘介质（陶瓷）表面的耐压又是其中最薄弱的环节，多以陶瓷沿面闪络（Surface falashover）的形式发生。虽然BeO、AlN、Si3N4等陶瓷都具有优良的绝缘性能，氧化铝陶瓷因其成本低廉、工艺成熟、性能稳定，是目前微波真空电子器件中应用最广泛的高压绝缘材料，但常规的氧化铝陶瓷材料的耐压性能已经不能满足高频率、高功率、小型化微波真空电子器件的发展要求。
大量研究表明，氧化铝陶瓷的耐压能力与其纯度、致密度、晶粒尺寸、缺陷种类及浓度、表面状态等因素密切相关，机理十分复杂。一般认为，沿面闪络过程可分为三个阶段：①阴极介质真空三相点（Cathode triple junction,CTJ）处高电场引发电子发射；②电子沿表面发生级联倍增；③级联倍增过程造成大量气体解附，被高能电子离化，从而引发沿面闪络。学界对①、③阶段机理的认识不存在根本性的分歧，但对于②阶段电子级联倍增机制还有不同的认识。目前占主导的是二次电子雪崩（Secondaryeledtron emission abalanche,SEEA）模型，即①阶段发射的电子撞击绝缘介质表面（绝缘介质二次电子发射系数一般都大于１），激发出二次电子，这些二次电子又在电场的作用下加速再次撞击介质表面，激发出更多的二次电子，如此多次反复，电子数量快速倍增，最终导致沿面闪络的发生（图１），所以降低绝缘介质表面的二次电子发射系数可有效提高其闪络电压。尽管SEEA 模型获得更多共识，但介质材料对电荷的捕获、电荷迁移和释放等特性对沿面闪络也有很大影响，因为电荷的持续累积会引起局部电场的增强，增大沿面闪络的风险，因此，适当的电荷消散能力对提高绝缘介质的沿面闪络电压是有利的。
图１ 沿面闪络SEEA模型示意图
G.Blaise等基于不施加电场介质荷电也可以引发闪络的事实，提出了沿面闪络的极化能弛豫（Electron Triggered Polarization Relaxation, ETPR）模型，即介质在高压电场作用下，发生介质极化，并在介质缺陷处（晶界、相界、杂质偏析、间隙夹杂、离子空位、晶格畸变等）捕获电荷，电场能转化为极化能储存在介质内部，在外界因素（电子轰击、电场或温度波动等）的扰动下极化能会突然释放，转化为离化能（最后转化为热能），从而引发沿面闪络。电场移除后，由于捕获电荷的存在，介质仍可保持极化状态，极化状态的失稳（即极化弛豫过程）引起杂质、缺陷处载流子密度的变化，也可以引发沿面闪络。
Bugaev等提出了气体吸附层中的闪络机制，即初始电子从CTJ发射，在吸附的气体层内诱发气体放电，形成等离子体，最终导致击穿。此过程发生在介质表面之上，不需要二次电子级联倍增，更接近于气体放电中的击穿现象。Avdienko和Malev在解释中低电阻率（＜1012Ω·ｃｍ）绝缘体沿面闪络时提出，当施加长脉冲电压（脉宽＞１ｍｓ）时，闪络由绝缘体表面薄层内的热击穿引起。并且认为，在均匀电场中初始电子发射可解附足够的气体，ＳＥＥＡ不是必须的，表面荷电对闪络的影响也很小。在非均匀电场中（电场方向由绝缘体表面指向真空一侧），ＳＥＥＡ是必要的，但只在表面形成正电荷，足以使表面上运动的电子撞击在绝缘介质表面上引发气体解附。
Vigouroux等提出了电子在绝缘体导带中运动引起的沿面闪络：认为闪络的发展阶段是由电子在导带中运动引起气体脱附所主导。因隧道效应，从阴极处发出的电子或绝缘体表面某点处电子受激发（受高的局部场强、光电发射、离子或电子碰撞等激发）注入绝缘体中，在绝缘体内部被电场加速，电子获得能量，发生非弹性碰撞，当它们的能量超过禁带宽度时就会产生电子沿表面的级联倍增，引起表面气体脱附。部分电子喷射进入真空，在电场作用下向阳极运动。这一模型与Jaitly和Sudarshan等提出的绝缘体表面层内的碰撞离化机制类似，但在碰撞离化机制不需要表面脱附的气体分子参与，闪络发生在表面层内可反复产生的高导电的等离子体中。
综合上述，高压电场下陶瓷发生沿面闪络的机理十分复杂，单一的理论模型不足以解释所有现象。尽管SEEA获得更多的共识，但该模型不能解释施加电压数秒或撤去高压电场后发生沿面闪络的现象，不能解释某些老炼效应等。特定条件下的闪络过程可能是某种机理起主导作用，但大多数情况下闪络过程应该是在多种机理共同作用下发生的。
本文由桑尧热喷涂网收集整理。本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
