高梯度表面微带绝缘子及其制备方法与流程

本发明涉及高压绝缘技术领域，具体说是一种高梯度表面微带绝缘子及其制备方法。

背景技术：

沿面闪络从二十世纪五六十年代被发现以来，一直是电气领域的难题，现阶段随着高功率微波技术、高功率激光器、介质壁加速器等尖端设备的发展，对材料的绝缘能力提出了更高的要求，如何有效的解决沿面闪络问题越来越受到重视。

为解决该问题，人们根据二次电子发射理论设计了高梯度绝缘子(high gradient insulator，HGI)。HGI绝缘结构的概念最早由美国的Smith和Gray提出，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室从20世纪90年代开始开展了大量针对高梯度绝缘子的研究工作，在100ns的脉冲宽度下获得了最高绝缘强度达到约32MV/m的小尺寸HGI样品。在国内，中国科学院电工研究所也对高梯度绝缘子进行了相关研究，得到了表面闪络场强超过15MV/m的耐压强度，中国工程物理研究院流体物理研究所得到了16.1MV/m的耐压强度。为解决高梯度绝缘子力学性能差的缺点，CN201310148286.3一种多层高梯度绝缘子及其制备方法，在高梯度绝缘子的基础上，提出了一种高梯度表面微带绝缘子，即在绝缘子表面一定深度内形成周期性的金属层/绝缘层结构，而其中心部分为纯的绝缘材料。

对比国内外的研究成果，无论是高梯度绝缘子还是表面微带绝缘子基本都采用层压技术制备，即分别制备出金属薄片和绝缘材料薄片,或采用丝网印刷的制备工艺将金属制备在绝缘材料表面，然后将二者逐层叠加并热压成型，最后再进行机械加工、打磨获得产品。该类方法制造工艺复杂，且由于金属与绝缘材料热膨胀系数差别较大，加工过程中尺寸比例变化较大，造成两者结合不紧密，容易产生气隙；其次是在后期的加工和打磨中，容易使金属碎屑掺杂在非金属层，形成凸出或毛刺，在电场中成为电场增强点，使沿闪电压降低，造成产品性能重复性低、实用性差等不足；更为重要的是，所制备绝缘子的金属层仅能与绝缘子表面平齐，无法使金属层比绝缘表面凸出或凹陷。因此，高梯度表面微带绝缘子的表面绝缘性能无法最大程度发挥。

技术实现要素：

本发明的目的，在于解决现有技术存在的制备工艺复杂、绝缘子可靠性差、耐表面击穿电压较低，难以满足高压装置对真空绝缘要求等技术问题，而提供一种高梯度表面微带绝缘子及其制备方法，该方法制备工艺简单，所制作的绝缘子质量稳定、耐表面击穿电压较高，可满足高压装置对真空绝缘的要求。

本发明所提供的技术解决方案是，一种高梯度表面微带绝缘子，包括绝缘子本体，其特殊之处在于：所述绝缘子本体表面雕刻有周期性微槽阵列，所述微槽中有原位生长的金属微带。

上述技术解决方案中所述微槽的优选宽度为0.01～5mm，深度为0.01～

10mm，间距为0.02微米～10mm。

上述技术解决方案中所述微槽的进一步优选宽度为0.03～1mm，深度为

0.01～1mm，间距为0.05～1mm。

上述技术解决方案中所述的绝缘子本体的基体材料可以是尼龙、有机玻璃、交联聚苯乙烯、聚酰亚胺，环氧树脂或氧化铝陶瓷。

本发明还提供了一种高梯度表面微带绝缘子的制备方法，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绝缘子本体；

[2]在绝缘子本体表面雕刻出周期性微槽阵列；

[3]配制PdCl₂/PVP/乙醇或AgNO₃/PVP/乙醇胶液，对刻槽后的绝缘子本体进行浸渍或涂覆后自然晾干；

[4]采用激光诱导活化的方法在微槽表面上形成金属颗粒，也就是采用激光诱导活化的方法将激光作用于微槽底部，将Pd或Ag原位还原微槽表面，而后进行清洗，将表面多余的胶液去除，最终仅在微槽表面上形成金属颗粒；

[5]采用化学镀的方法在微槽中原位生长出金属微带。调整施镀时间，可得到金属顶端低于侧面，平于侧面，高于侧面三种形式的高梯度微带绝缘子。

上述步骤[2]所述在绝缘子本体表面雕刻出周期性微槽阵列中，优选微槽的宽度为0.01～5mm，深度为0.01～10mm，微槽间距为0.02微米～10mm；进一步优选微槽的宽度为0.03～1mm；深度为0.01～1mm；微槽间距为0.05～1mm。

上述步骤[2]所述在绝缘子本体表面雕刻出周期性微槽阵列可以是采用机械加工，也可以是采用激光刻槽加工。

上述步骤[1]所述绝缘子本体的基体材料可以是尼龙、有机玻璃、交联聚苯乙烯、聚酰亚胺，环氧树脂或氧化铝陶瓷。

上述步骤[4]所述激光诱导活化可以采用的激光器，为准分子激光器、光纤激光器或二氧化碳激光器。

该方法是通过激光诱导活化的方法对涂覆于微槽中的金属离子进行活化，获得金属颗粒镶嵌在绝缘子的微槽的表面；进一步采用化学镀的方法在微槽中原位生长出金属微带。通过控制化学镀的时间，可制备出金属微带与绝缘表面平齐、凸出或凹陷等不同形式的绝缘子。

需要说明的是：

(1)激光器可选用准分子激光器、光纤激光器或二氧化碳激光器，不同物质对不同激光的吸收性质不同，要针对不同物质与金属层厚度需求选用不同激光器。一般来讲，三种激光器中，对于导电薄层需求较厚的的绝缘子，可选用二氧化碳激光器，对于较薄的可选用准分子激光器，或者光纤激光器。

(2)金属离子胶液PdCl₂/PVP/乙醇质量比0.05‐0.2:2:100，AgNO₃/PVP/乙醇质量比0.5‐2:2:100。其中，PVP为聚乙烯吡络烷酮。

(3)化学镀可选择各种金属的镀液，如铜、镍、钨等。以镀铜为例，其溶液的成分为甲醛(w38％)：12ml/kg，五水硫酸铜：16g/kg，酒石酸钾钠：15g/kg，EDTA2Na：28g/kg，氢氧化钠：14g/kg，温度60‐70℃。

(4)方法中所用的绝缘材料包含但不局限于：尼龙、有机玻璃、交联聚苯乙烯、聚酰亚胺，环氧树脂、氧化铝陶瓷等材料，只要其可应用于高压绝缘领域，并能够稳定有效提高沿面闪络电压即可。

采用本发明的方案，具有以下优点：

1、本发明通过原位生长的方法，容易控制微带的生长高度，可制备出金属微带与绝缘表面平齐、凸出或凹陷等不同形式的绝缘子。金属微带高于绝缘子表面时，金属微带的侧面将阻挡表面一次、二次电子运动，将电子分散于整个绝缘子，防止局部电荷积累；金属微带低于绝缘子表面时，金属片顶端隐藏于绝缘材料表面之下，从而将金属片电场增强点藏于绝缘子内部，有利于降低表面电场不均匀性，降低电子发射的概率。

2、在已加工好外形尺寸的绝缘子本体上进一步刻制微槽、生长金属微带，不仅保持了原有材料的强度、韧性等力学性能，避免了绝缘层和金属层热学性能不匹配而开裂的问题，而且不存在传统多层叠压等重复性的操作，显著降低了多层高梯度绝缘子制备的工艺难度和成本。

3、不存在机械加工等后处理过程，金属微带均匀平滑，不会出现金属屑、毛刺等缺陷，有效的均匀了电场，防止了电荷的局部积累，具有提高表面击穿电压效果显著、产品一致性好等特点。

附图说明

图1为本发明高梯度表面微带绝缘子实施例1的结构示意图；

图2为本发明的制备方法流程图；

图3为本发明高梯度表面微带绝缘子实施例的制备过程示意图。

图中标记说明如下：

1—绝缘子本体；2—微槽；3—金属微带。

具体实施方式

参见图1，该实施例1的高梯度表面微带绝缘子，绝缘子本体1为有机玻璃绝缘材料，在绝缘子本体1的表面雕刻有周期性微槽阵列，周期性微槽阵列的微槽2宽度为0.1mm，深度为0.5mm，微槽2间距为0.5mm，微槽2中有原位生长的铜金属微带3，金属微带3的外表面稍高于绝缘子本体1的圆柱体侧面。

参见图2、图3，高梯度表面微带绝缘子实施例的制备过程如下：

使用有机玻璃绝缘材料，机械加工出直径40mm，高10mm的圆柱体，然后采用机械加工的方法在圆柱体的侧面制备金属微带阵列，阵列的具体参数为：绝缘层/金属微带厚度比例为4:1，即设置单个绝缘层的宽度为0.4mm，单个金属微带的宽度为0.1mm。按照图2和图3的制备流程，具体操作：在距离圆柱体一侧端面0.5mm处开始刻出深0.5mm宽0.1mm的槽，而后间隔0.4mm刻出同样的槽；配制PdCl2/PVP/乙醇胶液，对刻槽后绝缘子进行浸渍后自然晾干；采用波长为1064nm的光纤激光作用于微槽底部，设定脉冲频率为1kHz、功率为3W、激光光束的扫描速率为5mm/s、扫描次数2次，将Pd原位还原于微槽表面，而后用乙醇对绝缘子进行清洗，将表面多余的胶液去除。最终仅在微槽表面上形成金属颗粒；把绝缘子放入镀铜溶液中，控制温度为65℃，采用化学镀的方法在微槽中原位生长出金属微带。调整施镀时间分别为3小时、1.5小时和2小时，得到金属微带高于绝缘子圆柱体侧面0.2mm(即实施例1)、低于侧面0.1mm，平行于侧面等三种高梯度表面微带绝缘子，分别记为微带绝缘子1、微带绝缘子2和微带绝缘子3。

将上述实施例中制备的样品和表面未加处理的有机玻璃绝缘子原始样品分别于脉宽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，采用本发明中的方法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50～80％，具体结果见表1。

表1实施例绝缘子与绝缘子原始样品性能对比