一种具有孔穴微槽织构化表面的绝缘子及其制备方法与流程

本发明属于高压电气绝缘材料技术领域，特别涉及一种具有孔穴微槽织构化表面的绝缘子及其制备方法。

背景技术：

绝缘子是一种用于电气绝缘和机械固定的部件，它的作用是将不同电位的导电体在机械上相互连接，在电气上相互绝缘。在真空高压电气设备中，随着工作电压的提高，发生在绝缘子表面的真空沿面闪络现象成为限制设备性能发展的瓶颈要素。沿面闪络使绝缘子的耐压能力远低于其体积击穿电压，并大大低于相同距离的真空间隙。随着高功率脉冲技术在国民经济和国防建设中作用的日益凸显，高功率微波源、强流粒子束加速器、高强度X射线源、高功率脉冲激光器等大型尖端设备向更高功率、高容量、小型化方向迅速发展，对真空绝缘器件的耐压能力提出了更高要求。因此，发展具有良好真空绝缘闪络特性的绝缘体具有重要的意义。

真空沿面闪络现象，事实上是一种在绝缘体表面气体脱附后形成的高气密环境中发生的贯穿性放电过程。通过改变绝缘体表面结构和微观形貌的方式改变二次电子的轨迹对提高绝缘体真空闪络特性有重要影响，在绝缘子表面刻制周期性凹槽能有效地减弱其电子倍增效应，抑制后续等离子体通道的形成，从而提高介质材料的闪络性能。程国新等人在《强激光与粒子束》2012年24卷4期发表的《刻槽绝缘子真空表面闪络特性分析》一文中，采用机械加工的方式在绝缘子表面制备了槽纹宽度2mm的周期性矩形凹槽，提高了介质材料的闪络时间延迟。由于受机械加工难易度的影响，目前制备的凹槽阵列槽宽尺寸较大，一般为毫米甚至厘米量级，难以完全抑制次级电子的产生及倍增，且加工过程中难以避免车刀在样品表面留下大量的不规则划痕，导致表面状态存在一定缺陷，因此现有的刻槽绝缘子普遍存在提高真空绝缘闪络电压幅度不大、可靠性不高、重复性差等不足。目前，尚未见通过在绝缘子表面设计和制备尺度为数十至数百微米量级的微槽阵列，并在微槽表面形成孔穴，实现微槽及其孔穴的共同作用，以提高真空沿面闪络电压的研究报道。

激光刻槽技术可以将能量聚焦到微小的空间，能够获得极高的辐照功率密度(10⁵～10¹⁵W/c m²)，利用这一高密度的能量可以实现非接触的刻槽加工。与传统的机械刻槽法相比，激光刻槽具有更高的切割精度、更灵活的切割方法和更高的生产效率等特点。因激光刻槽效果受激光波长、激光功率、扫描速度等工艺条件的制约，工艺条件的变化甚至会带来截然不同的应用效果。例如，当激光能量较低时，将无法实现刻槽，而仅仅出现熔融、孔穴等烧蚀效果。通过控制激光的工艺条件在聚合物绝缘子表面获得特殊形貌的织构化，并进一步提高聚合物绝缘子沿面闪络性能的研究尚无报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术的绝缘子耐表面击穿电压较低、可靠性不高、重复性差，难以满足高压装置对真空绝缘要求等技术问题，而提供一种孔穴、微槽织构化表面的聚合物绝缘子及其制备方法。本发明中微槽阵列由宽度为数十至数百微米平行的V形槽组成，微槽表面上均布有大量微米级尺寸的孔穴。本发明中微槽阵列的制备方法为激光烧蚀和刻槽法，通过选择合适的激光类型和刻槽工艺条件，不仅实现了微槽尺寸的精确控制，而且在微槽表面能获得具有微米级孔穴组成的表面形貌。通过上述设计和制备方法，实现了微槽及其孔穴表面结构的共同作用，使聚合物绝缘体表面击穿电压显著提高。

本发明的技术解决方案是：一种具有孔穴微槽织构化表面的绝缘子，包括绝缘子本体，其特殊之处在于：所述绝缘子本体为聚合物材质，其表面织构有周期性平行V形微槽阵列，微槽的表面均布有微米级尺寸的孔穴，所述微槽由激光刻制而成，所述孔穴由激光烧蚀而成。

上述技术解决方案中所述微槽的宽度优选为10～800微米，进一步优选为50～500微米；所述微槽的深度优选为20微米～2mm，进一步优选为50～500微米；所述微槽的间距优选为20微米～1mm，进一步优选为50～500微米。所述微槽阵列与两电极的连线以相互垂直为最佳。与传统的毫米量级的凹槽相比，本发明中采用尺寸较小的V形微槽能够增加电子与表面的碰撞几率，从而降低电子在电场中的加速距离，并更加有效的改变二次电子的方向，最终达到降低表观二次电子产额的效果。

上述技术解决方案中所述微槽的表面均匀分布着大量孔穴，孔穴的直径优选为0.5～10微米。通过在微槽的表面上制备孔穴，可以将射入孔穴的电子束缚于孔穴中，形成类似“电子陷阱”的功能，从而显著降低二次电子的产生。

通过上述微槽阵列及孔穴的双重作用，可以有效降低表观二次电子产额，达到提高绝缘子沿面闪络的功效。

上述技术解决方案中所述的绝缘子本体可以采用尼龙、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂或聚苯硫醚等聚合物，也可以采用其他绝缘性能比较好，且便于加工的聚合物。

上述技术解决方案中所述的微槽阵列可以由平行线凹槽组成，也可以是其他形式的凹槽，但选用前者效果更好，也更为易于加工。

同时，本发明还提供了一种上述绝缘子的制备方法，其技术解决方案是，一种具有孔穴微槽织构化表面的绝缘子制备方法，其特殊之处在于，包括以下制备步骤：

[1]按照设计的绝缘子外形尺寸加工出聚合物绝缘子本体；

[2]采用激光刻槽，在绝缘子本体表面刻制出微槽阵列；

[3]采用激光烧蚀，在微槽表面形成孔穴；

[4]将织构化加工后的绝缘子清洗、烘干，即可获得具有孔穴、微槽织构化表面的绝缘子。

上述制备方法中所述的激光刻槽和烧蚀，根据微槽的宽度可选取不同波长的激光，对于微槽宽度为10～50微米，优选紫外激光器(如波长为355nm)；对于微槽宽度为50～100微米，优选光纤脉冲激光器(如波长为1064nm)；对于微槽宽度不小于100微米，优选二氧化碳激光器(如波长为10640nm)。根据微槽的宽度选用不同波长的激光，可以充分利用不同波长激光的最佳作用宽度，达到改善刻槽质量、提高作用效率目的。

上述制备方法中所使用的激光器激光功率优选为1～50W。为实现孔穴微槽的特殊结构，具体制备方法由两个步骤构成：第一步为激光刻槽，采用激光功率为20～50W，使处于激光焦点处的聚合物直接分解、气化，从而在聚合物表面形成微槽；第二步为激光烧蚀，采用1～20W的较低激光功率重新作用于微槽表面，使微槽表面的聚合物熔融、部分裂解、少量气化，从而在微槽表面形成孔穴。采用两个步骤的方式能够高效的在聚合物表面实现具有孔穴的微槽阵列，且由于激光的热熔融效应，可以避免出现毛刺等突起。

上述制备方法中所使用的激光器的激光频率优选100～200KHz，以提高微槽均匀性；激光扫描速度优选30～500mm/s，以保持激光作用稳定性；作用次数优选3～8次。通过这种高频率、快速扫描、多次作用的方式能够有效提高作用的均匀性，获得外形形貌和尺寸较为一致的微槽阵列。

采用激光刻槽、烧蚀法实现上述孔穴微槽阵列的制备，其制备原理是：根据聚合物的种类及微槽的尺寸，选择一定波长的激光，将其聚焦于聚合物绝缘子的表面，聚合物吸收激光能量后，发生一系列的融化、气化和分解等现象，从而形成具有凹槽和孔穴等抑制二次电子发射作用的织构表面。通过调节激光束的能量、扫描速度、频率、作用次数等参数实现微槽尺度及其孔穴表面形貌的控制，通过控制激光束或工作平台的移动在材料表面获得特定形状的微槽阵列。

激光设备主要由紫外激光器、光纤脉冲激光器或二氧化碳激光器、XY扫描振镜、聚焦透镜、计算机控制系统及工作平台等几部分组成，可采用已知的并适合于使用的激光设备。采用波长为650μm的红外光进行定位，能够准确定位工作激光输出的位置，保证激光直写的准确度。激光器产生的激光束先后经过X轴振镜、Y轴振镜、平面透镜后作用到物体表面，通过控制X轴振镜、Y轴振镜的偏转，控制激光束在物体表面的X轴和Y轴方向移动，通过工作平台实现样品的旋转或平移。最终实现设计图形的制备。

采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

1、与传统刻槽相比，本发明提供的聚合物绝缘子孔穴微槽阵列的表面织构，不仅具有更小的凹槽尺度，能够更加有效地限制次级电子的产生及倍增，而且，凹槽表面具有大量微米级尺寸的孔穴，进一步抑制了次级电子的倍增。通过多级尺寸的复合设计，实现了微槽及其孔穴表面结构的双重作用，使聚合物绝缘体表面击穿电压得到显著提高。

2、本发明采用的激光刻槽、烧蚀法在聚合物表面制备的微槽阵列，不仅可实现微细槽宽和深度的精确控制，而且通过控制激光功率在微槽表面形成了大量微米级尺寸的孔穴。该方法可在聚合物绝缘子表面直接制备出周期性孔穴/微槽阵列，具有易控制，操作简单，影响因素少，提高表面击穿电压效果显著等特点。

3、本发明提出的激光刻槽技术具有应用面广的特点，不仅可应用于聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂等聚合物体系，而且对聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚苯醚等高分子聚合物绝缘子材料也具有有效性。

4、本发明提供的绝缘子及其制备方法可用于真空高压绝缘器件领域及其他环境下高压绝缘领域。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图；

图2为图1实施例绝缘子的微槽结构示意图；

图3为本发明制备方法的流程图；

图4为本发明一个实施例的孔穴微槽三维轮廓代表性照片；

图5为本发明一个实施例的孔穴微槽电子扫描显微代表性照片。

图中各标号的说明如下：

1—绝缘子本体；2—微槽；3—孔穴。

具体实施方式

参见图3，激光刻槽法制备绝缘子孔穴微槽的具体步骤为：

步骤1：按照设计尺寸，通过机械加工的方式获得绝缘子本体。

步骤2：聚合物绝缘子表面微槽的制备。首先，根据实际工作状况和微槽的尺寸参数确定激光刻槽的加工工艺参数。具体包括：根据微槽的宽度选取激光型号，其中，对于微槽宽度为10～50微米，优选紫外激光器；对于微槽宽度为50～100微米，优选光纤脉冲激光器；对于微槽宽度不小于100微米，优选二氧化碳激光器；根据微槽的深度选取激光束的功率(20～50W)、频率(100～200KHz)、扫描速度(30～500mm/s)、作用次数(3～8次)等加工参数。其次，在激光控制软件系统中设置上述激光加工参数。再次，将绝缘子本体清洗、烘干后，安装在工作平台上，调节激光光束聚焦于样品表面。最后，通过激光控制软件系统，即可在绝缘子本体表面刻制出均匀分布的微槽阵列。

步骤3：微槽表面微米级孔穴的制备。选用与刻槽相同波长的激光，设定激光功率范围为1～20W，使较低功率的激光重新作用于步骤2制备的微槽表面，使微槽表面的聚合物熔融、部分裂解、少量气化，从而在微槽表面形成大量微米级的孔穴。

步骤4：将织构化加工后的绝缘子经去离子水清洗、烘干，最终获得一种表面具有孔穴/微槽表面织构的聚合物绝缘子。

实施例1：

参见图1、图2，在室温下，按照图3所示的流程图开展聚合物绝缘子的表面织构化加工。首先，将机械加工的直径为40mm、高度为10mm的有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)圆柱形绝缘子本体1清洗干净，安装在旋转工作台上。其次，采用波长为10640nm的二氧化碳激光器，设定脉冲频率为150kHz、功率为30W、激光光束的扫描速率为50mm/s、扫描次数5次。将光束聚焦于材料表面，在材料中心刻制平行线型微槽2阵列，其中，单个微槽2宽度为150微米、深度为100微米、间距为50微米；微槽阵列离圆柱体两侧端面的最近距离皆为1mm，共计有40个平行的微槽圆环构成。再次，选用波长为10640nm的二氧化碳激光器，设定激光功率为5W，使较低功率的激光作用于上述微槽表面，使微槽表面的聚合物熔融、部分裂解、少量气化，从而在微槽表面形成大量微米级的孔穴3。最后，将织构化加工后的绝缘子经去离子水清洗、烘干。刻制结束后，采用三维轮廓仪测量微槽轮廓及其表面孔穴结构，其效果见图4，采用上述条件制备的微槽表面的孔穴直径为3～10微米。采用电子扫描显微镜进一步观察微槽的表面形貌，其效果见图5，可以看出激光在材料表面刻制出微槽后，表面出现大量凹坑和孔穴等活化区域，而未活化区域表面光整，没有毛刺等易形成场增强的缺陷产生。

实施例2：

在室温下，将机械加工的直径为40mm、高度为10mm的环氧树脂圆柱形绝缘子本体清洗干净，安装在旋转工作台上。采用波长为1064nm的光纤激光器，设定脉冲频率为100kHz、功率为20W、激光光束的扫描速率为30mm/s、扫描次数3次。将光束聚焦于材料表面，在材料中心刻制平行线型微槽阵列。其中，单个微槽宽度为80微米、深度为100微米、间距为80微米；微槽阵列离圆柱体端面的最近距离皆为1mm，共计有50个平行的微槽圆环构成。刻制结束后，降低激光功率至3W，对微槽表面进行造孔处理。采用三维轮廓仪测量微槽轮廓及其表面孔穴尺寸，采用上述条件制备的微槽表面的孔穴直径为1-5微米。将刻制微槽后的绝缘子经去离子水清洗、烘干，最终获得一种表面具有孔穴微槽阵列的环氧树脂绝缘子。

将上述实施例1、实施例2中制备的样品和对应的未进行表面织构化处理的纯聚合物样品，在脉宽0.5微秒的脉冲真空绝缘沿面闪络特性测试台上进行真空闪络电压测试。结果表明，采用本发明中制备的绝缘子真空闪络电压，比对应的纯聚合物材料真空闪络电压提高了40～55％，具体结果见表1。

表1实施例1、实施例2绝缘子与纯聚合物绝缘子性能对比