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絕緣材料沿面耐壓性能與其表面電學參數密切相關,如表面電阻、泄漏電流、表面電場分布、表面電荷消散速率等。而上述電學性能參數直接受材料表面物理形貌、化學成分等特性參數的影響,如絕緣表面粗糙度會改變電子爬電距離、絕緣表面化學成分會改變陷阱能級分布。因此,通過絕緣表面處理能在不影響絕緣本體性能的基礎上改變其表面物化特性,來實現對絕緣表面電氣性能的優化與調控。目前,絕緣表面改性方法主要有物理打磨、表面涂敷、真空氟化、電子束輻照、低溫等離子體等方法。與其他方法相比,大氣壓低溫等離子體技術作為放電等離子體與高電壓絕緣領域的交叉研究方向,在絕緣材料表面處理與改性提升方面具有獨特優勢,見圖1。在電源激勵作用下,中性氣體分子被電離形成大量活性粒子,如Ar*(11.5~11.7eV)、He*(19.8~20.6eV)、N2+(X)(15.63eV)等,且其能量均高于典型絕緣材料表面的化學鍵鍵能(C—H:4.29eV;C—O:3.0eV),因此當等離子體作用于材料表面時,可以打開材料表面化學鍵同步引發物理化學反應,在表面納米至微米量級達到改性效果而不影響材料的本體性能。特別地,通過改變工作氣體、反應媒質、驅動電源、反應器等參數,能夠調節等離子體活性粒子分布及其引發的物理化學反應過程,調控材料表面微觀形貌、化學成分、宏觀介電性能等,從而實現絕緣表面電氣性能的優化提升。相較于其他方法,等離子體技術具有顯著優勢:在處理效果方面,可以在絕緣表面微納尺度引發刻蝕、活化、交聯、沉積等物理化學反應,實現絕緣表面綜合性能的提升;在處理效率上,等離子體中具有大量高能活性粒子,分鐘級處理即可改變表面物化特性、調控表面性能,便于實現大規模絕緣處理;在環境友好性上,等離子體技術是典型的干法工藝,采用空氣、惰性氣體作為工作氣體,有效避免化學試劑殘留、有害副產物排放等環境問題。

等離子體改性絕緣性能及應用研究

等離子體通過多層次表面反應會改變絕緣材料表面微觀物化特性參數,進而會改變絕緣表面宏觀電氣性能。通過建立合適的反應條件,等離子體處理可以有效實現絕緣表面耐候、耐電性能提升,并在受損絕緣修復、納米復合絕緣合成、金屬電極改性等方面也取得了新的進展。

表面親/疏水性

戶外絕緣材料直接面臨降雨、凝露、水分侵入等惡劣工作環境,因此外絕緣需要具有優異的疏水性能,以保證其耐候性與運行的可靠性。在等離子體中添加合適反應媒質,可以通過接枝、聚合、交聯沉積等方式制備具有低表面能的薄膜,或利用刻蝕作用構造微納米級“荷葉型”粗糙結構,為絕緣材料表面潤濕性調控提供了可行性。

沿面閃絡電壓

在高壓絕緣系統中,閃絡通常會對電力設備造成嚴重的損壞,而閃絡與表面電荷遷移特性有較大的關聯。等離子體表面改性可以通過改變表面粗糙度改變電子爬電距離,同時引入化學官能團等方式在材料表面調控陷阱分布,從而改善沿面絕緣性能。

等離子體改性納米復合絕緣

近些年,大氣壓等離子體在納米顆粒表面修飾、優化復合絕緣的電-熱-力綜合性能方面,也展現出極大的潛力。等離子體處理顆粒可以通過改變其表面化學成分和物理形貌,增加表面的極性官能團和粗糙度,從而改善了粉末與樹脂基體之間的界面結合力和浸潤性,增強填充型復合材料的絕緣性能。

面向絕緣材料對表面耐電、耐候等綜合性能優化提升的切實需求,發展新型的絕緣材料表面改性及性能提升技術具有十分重要的意義。低溫等離子體技術因其高反應活性、處理效果可控、綠色無污染等特點,在材料表面改性領域展現出獨特優勢。