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探究氧化铝陶瓷真空电绝缘性能的影响因素

May 10, 2019 氧化铝陶瓷 63

氧化铝陶瓷因其优异的机电性能而被广泛应用于特种电真空装置中,并起到高压绝缘,真空密封和支撑固定的作用。当绝缘介质被引入高压真空装置时,耐压性通常远低于相同距离的真空间隙。这种现象是由真空中绝缘介质的闪络引起的。表面闪络现象的存在限制了许多电真空装置的电气性能,氧化铝陶瓷甚至影响尖端电气设备的运行,造成巨大的损失。

因此,提高氧化铝陶瓷绝缘子的表面绝缘能力已成为电真空领域亟待解决的问题和亟待解决的问题。通过改变绝缘体的形状和电极结构,表面涂层,表面处理和表面改性,改善了氧化铝陶瓷的真空电阻和陶瓷表面性能。从绝缘材料的角度来看,表面改性可以在不改变陶瓷固有性能的前提下改善表面性能,从而达到提高表面绝缘性能的目的,具有很大的优势。从应用和可行性的角度来看,大量掺杂是最容易实现的,并且不像涂层那样容易脱落。 Cr2O3是氧化铝陶瓷的常用添加剂。它可以无限地溶解在氧化铝中并促进烧结,并且可以可靠地降低二次电子发射系数。然而,没有系统研究添加的Cr 2 O 3的量。以铝基陶瓷为基体,通过添加Cr2O3来研究陶瓷对真空烧结性能的影响。

  样品制备

使用Ca-Al-Si-Mg四元系95氧化铝陶瓷作为基材,通过外部元素掺杂进行Cr 2 O 3的添加。加入0〜1.Swt%的三氧化铬,填料用蒸馏水作为研磨介质,在行星式球磨机上球磨180h,保温6h,干燥后加入5%的PVA溶液进行造粒。在冷等静压下将生坯压成生坯,在硅碳棒炉中通过在600℃下保温2小时除去PVA,然后将温度进一步升高至1550℃持续2小时。获得红色氧化铝陶瓷。 2样本性能表征

用阿基米德排水法测试样品的表观孔隙率和堆积密度;将样品适当地清洗干净,并用导电胶将样品粘附到样品台上。喷涂金后,用TM3000扫描电子显微镜观察样品的表面形貌。 。通过高电阻计测量陶瓷样品的体积电阻以计算电阻率;使用Agilent 8722 ET网络分析仪测试介电常数,测试频率范围为5至10 GHz,共振模式为TE011。

  真空耐压试验

真空耐压试验在真空耐受试验装置中进行。样本大小为420毫米和时间;在两个平行板电极之间放置20mm,并且样品的上侧和下侧是银。该实验的电源是Marx电源,最大输出电压为200kV。为了减少样品吸附气体的影响和测试的分散,该测试特别使用一种装置在真空下脱气并传输到电极。实验前,先用丙酮,纯水和酒精超声波冲洗3分钟,氧化铝陶瓷然后将样品放入右腔,启动真空泵组,等待左右腔真空度低于5次;在Pa之后,开始加热以在450℃下脱气,并且脱气时间为3小时。样品冷却后,将样品转移到电极上,用气动输送机进行测试。测试起始电压为70kV,相同电压负载5次。如果样品在5加压过程中没有在表面上闪烁,则增加电压幅度,每次增加约5kV,直到样品第一次出现。沿表面闪烁,将电压定义为第一击穿电压(Vfb);然后重复前一过程,直到样品在特定电压下出现三次连续闪络,定义为经验电压(Vco)。在样品达到经验电压后,它开始将负载电压降低5kV,直到样品不闪一次。该电压定义为耐压(Vho)。

      思考

可以看出,在较低的烧结温度(1550℃)下,表观孔隙率随Cr203掺杂量的增加而降低,Cr2O3和Al2O3具有相同的特性,Cr3 +的半径略大于Al3 +的半径,电子结构,电性负性能也不同,二者可形成连续的固溶体,具有一定的变形特性,促进陶瓷的致密化。然而,随着掺杂含量增加,气体L速率和体积密度变化不大。随着Cr含量的增加,95氧化铝陶瓷的体电阻率和介电常数略有下降,但变化不大,掺杂不会过度降低样品的体电性能。掺杂Cr3 +的氧化铝陶瓷为红色,随着Cr含量的增加,红色加深。这是因为铬元素是过渡元素,外电子不饱和,铬离子对溶解在Al2O3晶格中可见光450-550nm波段(蓝绿色)具有很强的选择性吸收,这使得瓷器显得红。

  真空耐压性能分析

在相同的实验条件下,掺铬的氧化铝陶瓷样品具有比未掺杂的陶瓷样品明显更高的第一击穿电压y。未掺杂的95%氧化铝陶瓷的耐电压仅为21.1kV/cm。随着铬掺杂量的增加,样品的蠕变电压有明显的增加,然后呈下降趋势。 Cr2O3含量为0.5。最大值为65kV/cm(重量%)。当掺杂量大于1重量%时,样品已经不能承受测试的初始电压(70kV)并且被破坏。

因此,添加Cr2O3可以有效地降低氧化铝陶瓷的二次电子发射系数,从而提高表面耐压能力。在实际的氧化铝陶瓷绝缘体中,由于掺杂和缺陷以及烧结过程中引入的内应力,在禁带中存在局部水平或陷阱。晶界结构的缺陷和晶粒的大小将影响陷阱的分布。陷阱的存在增加了绝缘体的表面电荷。导致闪络发展的主要因素,介质的二次电子发射过程和载流子的俘获解吸功能有助于闪络发展过程,直接影响表面充电和微放电,从而降低闪络电压绝缘子尽管Cr203的掺杂可以降低整个样品的二次电子发射系数并降低样品的孔隙率,但过量掺杂的Cr2O3会导致晶格畸变,同时固溶到Al2O3的晶格中,造成许多缺陷和陷阱。陷阱电荷越大,表面电荷密度越大,陶瓷的真空闪络电压越低。

  实验结论:

1、在保持95%氧化铝陶瓷体绝缘性能的前提下,Cr3 +掺杂显着降低了95%氧化铝陶瓷的孔隙率,促进了陶瓷的烧结,制备了掺铬氧化铝陶瓷样品颗粒。分布更小,更均匀。

2、掺杂量为0.5wt%的Cr203真空闪络电压最高,达到65kV/cm。主要原因是铬的掺杂降低了样品的孔隙率和二次电子发射系数。这导致更多的晶体结构缺陷,这又降低了陶瓷绝缘体的真空耐压。

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