為了提高聚酰亞胺材料(PI)在復(fù)雜工程環(huán)境下的可靠性，實(shí)驗(yàn)研究了真空電子輻射下PI 的直流沿面閃絡(luò)特性，并采用熱刺激電流(TSC)法測(cè)試輻射前后試樣的陷阱參數(shù)。結(jié)果表明，當(dāng)輻射電子能量在0.5~20 keV 范圍內(nèi)時(shí)，試樣表面的閃絡(luò)電壓高于無(wú)輻射情況下的閃絡(luò)電壓；電子能量越高，介質(zhì)表面正電荷密度和相對(duì)介電常數(shù)越小，陷阱深度增大，表面電場(chǎng)均衡性有所提高，因此閃絡(luò)電壓越高；在輻射電子能量不變情況下，束流密度越大，初始電子數(shù)越多，泄漏電流越大，則閃絡(luò)電壓越低。

　　引言

　　聚酰亞胺(polyimide, PI)是一種具有良好耐輻射、耐高低溫、抗電暈腐蝕性能的優(yōu)良電氣絕緣材料，在航空航天工業(yè)、電力系統(tǒng)絕緣、航海電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)、微電子及其他精密機(jī)械方面均得到了廣泛應(yīng)用。應(yīng)用于航天器的PI 材料不僅受到原子氧腐蝕、強(qiáng)紫外線輻射、高低溫轉(zhuǎn)換等復(fù)雜條件的考驗(yàn)，在空間各種帶電粒子的輻射下還會(huì)產(chǎn)生表面和深層帶電現(xiàn)象，最終引發(fā)介質(zhì)材料靜電放電現(xiàn)象。在空間復(fù)雜輻射環(huán)境中，絕緣介質(zhì)表面在極低直流電場(chǎng)下發(fā)生沿面閃絡(luò)現(xiàn)象，這是當(dāng)前發(fā)展高電壓、大功率航天器所面臨的一個(gè)瓶頸。

　　近幾年，學(xué)術(shù)界提出了多種真空中固體介質(zhì)沿面閃絡(luò)放電機(jī)理模型，國(guó)際上較認(rèn)可的是二次電子發(fā)射雪崩(secondary electron emission avalanche, SEEA)模型。SEEA 模型認(rèn)為，外加電場(chǎng)下由三結(jié)合點(diǎn)處(陰極末端、真空、介質(zhì)表面三者結(jié)合處)場(chǎng)致發(fā)射初始電子并轟擊介質(zhì)表面引起二次電子發(fā)射；產(chǎn)生的二次電子在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中碰撞介質(zhì)表面引起電子增殖過(guò)程，進(jìn)而產(chǎn)生電子崩；電子刺激引起表面吸附氣體解吸附并發(fā)生電離，進(jìn)而引發(fā)閃絡(luò)。另一著名模型為電子觸發(fā)極化松弛(electron triggered polarization relaxation,ETPR)模型。該模型認(rèn)為，介質(zhì)中的陷阱電荷在電場(chǎng)作用下極化后積聚能量，由于介質(zhì)材料不均勻且存在缺陷，使得空間電荷在外界擾動(dòng)情況下發(fā)生電荷脫陷和介質(zhì)去極化現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)閃絡(luò)。國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了大量研究，西安交通大學(xué)的張冠軍等人提出閃絡(luò)過(guò)程由材料體內(nèi)和體外2 個(gè)過(guò)程共同作用，并闡述了表面狀態(tài)對(duì)閃絡(luò)具有重大影響。華北電力大學(xué)的丁立健等人提出了基于微放電的絕緣子沿面閃絡(luò)發(fā)展模型。

　　然而，由于空間環(huán)境的復(fù)雜性，介質(zhì)材料在輻射環(huán)境下的表面放電特性遠(yuǎn)比大氣環(huán)境下和純粹真空下的復(fù)雜，上述理論也只介紹了空間環(huán)境下影響介質(zhì)材料表面閃絡(luò)電壓的諸多因素中的1種或2種，對(duì)于其他因素，國(guó)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了一些相關(guān)方面的研究。但由于技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)和保密等因素，近年來(lái)國(guó)際上與此相關(guān)的公開(kāi)文獻(xiàn)極少，且公開(kāi)文獻(xiàn)與本文所得研究結(jié)果有些不同；而國(guó)內(nèi)目前尚未檢索到相關(guān)方面的研究成果。

　　本文采用電子槍模擬空間環(huán)境中的低能電子輻射，研究電子能量、束流密度、試樣表面陷阱能級(jí)、陷阱密度以及聚合物表面交聯(lián)和脫氣對(duì)真空直流沿面閃絡(luò)電壓的影響規(guī)律，獲得了一些有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和數(shù)據(jù)。目前尚未檢索到與本文研究相似的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)。

　　1、實(shí)驗(yàn)

　　1.1、試樣制備

　　本研究采用中值粒徑為50 μm 的SKPI-MS30型PI 模塑粉；先將模塑粉在200 ℃鼓風(fēng)干燥箱里面干燥2 h 后，取適量粉末放入內(nèi)徑為100 mm 的模具中冷壓成型，成型壓力范圍為10~15 MPa，成型時(shí)間范圍為15~20 s；脫模取出試樣后采用高溫高壓成型工藝得到厚度為1 mm 的純PI 試樣。

　　將制作好的試樣先用無(wú)水乙醇清洗后，再放入超聲振蕩器中用去離子水清洗30 min，然后將其放入真空溫箱中(真空度10 Pa、溫度約120 ℃)進(jìn)行脫氣處理24 h，最后在干燥皿中靜置12 h。將處理完畢的試樣用離子濺射儀冷濺射2 個(gè)間隔1 mm、直徑20 mm、厚度約0.1 μm 的金膜薄電極。

　　1.2、實(shí)驗(yàn)裝置

　　本實(shí)驗(yàn)在高真空(極限真空度10^-5 Pa)高壓(DC，0~−40 kV)電子輻射介質(zhì)放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行。試樣直徑為100 mm，厚度為1 mm；電極直徑為20 mm，厚度為1 μm。采用德國(guó)STAIB 公司的EFGH40EFGH40-20W 型電子槍(能量范圍0~40 keV、束流在1~500 μA 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào))。測(cè)量裝置采用1 000:1 電阻分壓器和示波器，陽(yáng)極通過(guò)1 個(gè)50 Ω 的無(wú)感電阻接地，閃絡(luò)電流通過(guò)示波器采集到的無(wú)感電阻上的電壓信號(hào)換算得出，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

　　1.3、實(shí)驗(yàn)方案

　　1)真空DC 擊穿實(shí)驗(yàn)

　　在真空度優(yōu)于5×10^-4 Pa 的真空腔內(nèi)連續(xù)閃絡(luò)直到穩(wěn)定，加壓梯度為100 V/s，相鄰2 次閃絡(luò)時(shí)間間隔設(shè)定為30 s。

　　2)電子輻射環(huán)境下的表面DC 擊穿實(shí)驗(yàn)

　　電子束能量分別取0.5、1、5、10、20 keV，每個(gè)電子能量下取5 組不同束流密度，分別為0.175、0.35、1.05、1.75、3.5 μA/cm2(因設(shè)備實(shí)際功能所限，在0.5 keV 和1 keV電子束能量時(shí)只取0.175 μA/cm2和0.35 μA/cm2 2 組束流密度)。每次輻射300 s 后開(kāi)始負(fù)極性直流沿面擊穿實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電子束能量從低到高調(diào)節(jié)，負(fù)極性直流電源升壓梯度方式與無(wú)輻射時(shí)相同。

　　3)測(cè)量輻射前、后在干燥皿中(20 ℃)靜置12h 后試樣的介電常數(shù)。

　　4)測(cè)量介質(zhì)表面泄漏電流

　　為避免流經(jīng)試樣內(nèi)部體電流的干擾，采用GB/T1410—2006/IEC 60093:1980 中推薦的3 電極系統(tǒng)，電壓采用1 kV 直流電壓，測(cè)量電極與高壓電極間隙為2 mm，如圖2 所示。

圖2 表面泄漏電流測(cè)量原理圖

　　4、結(jié)論

　　1)有電子輻射時(shí)的真空直流沿面閃絡(luò)電壓高于無(wú)輻射情況下的閃絡(luò)電壓(當(dāng)輻射能量為10 keV時(shí)，其閃絡(luò)電壓比無(wú)輻射時(shí)提高了87%)；輻射電子能量越高，PI 材料沿面閃絡(luò)電壓越大；電子束流密度越大，PI 材料沿面閃絡(luò)電壓越小(當(dāng)輻射能量為10 keV時(shí)，1.75 μA/cm2 束流密度下的閃絡(luò)電壓值比0.35μA/cm2 束流密度下的閃絡(luò)電壓值降低了18%)。

　　2)隨著電子束輻射能量的增加，介質(zhì)表面正電荷密度和相對(duì)介電常數(shù)減小，陷阱深度增大，表面電場(chǎng)均衡性有所提高，這是沿面閃絡(luò)電壓增大的主要原因。

　　3)隨著電子輻射束流密度的增大，電場(chǎng)發(fā)生畸變，初始電子數(shù)和氣體解吸附量增加，進(jìn)而促進(jìn)了閃絡(luò)發(fā)展，降低了沿面放電電壓。