低气压环境下聚酰亚胺材料沿面闪络特性

2022-09-05原青云孙永卫张希军王平平

航空学报 2022年7期

原青云，孙永卫，张希军，王平平

陆军工程大学石家庄校区电磁环境效应重点实验室，石家庄 050003

沿面闪络是指在绝缘材料与空气、真空等介质交界面形成贯穿性击穿放电的现象。由于沿面闪络的放电电压远小于绝缘材料的击穿放电电压，因此沿面闪络成为空间环境中航天器表面静电放电的主要形式之一，对航天器安全有着严重的威胁，世界各国对其研究给予了高度重视。

国内外学者对沿面闪络特性和机制进行了很多研究。Anderson和Brainard提出的二次电子发射雪崩(Secondary Electron Emission Avalanche，SEEA)模型及Blaisé和Le Gressus提出的电子触发极化松弛模型对沿面闪络机制进行了解释。Harris利用SEEA模型推出了很多方法，这些方法可用于提高真空绝缘体的电压耐受能力。Naruse和Yamamoto提出了一种真空绝缘体沿面闪络电压的计算方法，该方法考虑了SEEA引起的绝缘体表面电荷分布情况。Asari等利用附着在不同金属化区域的柱状氧化铝样品研究了金属化层附近条件与真空中沿面闪络特性之间关系，结果表明沿面闪络从金属层边缘开始，下一个闪络发生在不同的位置。胡多等研究了表面粗糙度对聚合物材料真空沿面闪络特性的影响，结果表明表面粗糙度对样品表面电位及陷阱参数的影响与粗糙度及材料种类有关，同时粗糙度也对材料的二次电子发射系数也有一定影响。谢庆等以硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯为例，用韦伯分布统计方法探索了沿面闪络电压的规律，用原子力显微镜等测试技术对闪络前后的表面特性进行了分析；结果表明闪络电压随气压与放电距离的增加而升高，且此过程中不同阶段二者对闪络电压影响程度不同；随闪络次数增加，材料的粗糙度增大；材料老化后决定其闪络电压大小的主要因素是材料表面的微观形貌和化学特性。Zhao等研究了表面粗糙度对硅橡胶沿面闪络特性的影响，结果表明表面粗糙度的增加会导致硅橡胶疏水性的降低。聂永杰等研究了聚乙烯陷阱特性对真空直流沿面闪络性能的影响，分析陷阱深度及陷阱密度与闪络电压之间的U形关系可知，陷阱深度及陷阱密度在影响闪络性能过程中起着相互协调、配合及转化的作用。谢庆等通过原子力显微镜研究了不同闪络次数、不同放电位置的环氧树脂表面形貌特征，结果表明随闪络损伤增强，试样表面形貌依次经历了毛刺状、颗粒状、山峰状和连续山峦状的演变过程，表面粗糙度不断增大，且极不均匀电场下闪络对表面形貌的影响更为显著；通过控制打磨砂纸的数量研究不同粗糙度对有机玻璃样品沿面闪络的影响，实验发现当打磨程度较低时闪络电压较低，当打磨程度较高时闪络电压明显升高。范亚杰等研究了真空中电子辐照下聚四氟乙烯沿面闪络电压特性，研究结果表明相比无辐照时的聚四氟乙烯闪络电压，有电子辐照时闪络电压更高，且辐照电子能量越高、束流密度越小，闪络电压越高。高宇等针对表面电荷对绝缘材料闪络电压影响进行了研究，选用聚四氟乙烯、环氧树脂和硅橡胶3种材料为试样，结果表明样品表面积聚的电荷通过改变电场、引发电场畸变影响材料的沿面闪络特性。

总之，国内外研究学者在绝缘材料沿面闪络特性研究方面取得了很多研究成果，但由于航天器所处太空环境的复杂性，低气压环境下绝缘材料沿面闪络特性和机制尚不完全清楚，需系统地开展低气压环境下沿面闪络实验研究，并结合理论模型分析沿面闪络过程中绝缘材料表面、表层或内部电荷的协同作用机制。因此本文利用建立的航天器表面带电模拟系统，以航天器常用绝缘材料——聚酰亚胺为研究对象，研究低气压环境下聚酰亚胺沿面闪络特性，希望可为航天器静电防护设计提供依据。

1 沿面闪络的理论计算

在SEEA模型中，由于材料表面正电荷的积累，形成了一个垂直于材料表面的电场。的表达式为

=(2)

(1)

式中：为表面电荷密度；为自由介电常数，=8.85×10F/cm。

合成电场与材料表面夹角为

(2)

式中：为水平电场(初始击穿电场)；为电子碰撞能量，eV；为发射电子能量，假设为4.7 eV。

垂直于材料表面的电流密度可表示为

(3)

单位面积内闪络放电解吸附气体分子的临界值为

=[()]

(4)

式中：为脱附概率，分子/电子；为电子电荷，=1.6×10C；为绝缘材料表面解吸附气体分子脱附的平均速度，cm/s；为固体绝缘子长度，cm。

根据材料表面解吸附气体理论及式(1)～式(4)，可得直流表面闪络击穿电场和闪络电压的理论表达式：

(5)

(6)

由式(6)可得解吸附气体、绝缘材料长度、入射电子能量和入射角度等因素均会影响材料的闪络电压。

2 沿面闪络实验

2.1 实验装置

利用建立的航天器表面带电模拟系统开展了低气压环境下聚酰亚胺沿面闪络特性的实验研究。其中航天器表面带电模拟系统的主要技术指标如下：工作真空度为1.4×10Pa，电子枪能量范围0～30 keV，束流密度为0～3 nA/cm，可用于研究电子辐照对介质材料表面带电及闪络特性的影响(实验过程中电子枪没有运行)，温度范围为173～373 K。采用铜质指型电极建立直流电场，其长度为4 cm，厚度为1 mm，曲率半径为5 mm。利用直流高压源(GLOW28720，电压为0～35 kV)通过限流电阻(200 MΩ)为阴极提供直流高压，利用静电动态电位测试仪实时监测阴极处电压，利用电压探头(UT-P12，带宽为100 MHz)和电流探头(CT-1，带宽为25 kHz～1 GHz)配合示波器(LINI-T UTD2052CEL，带宽为50 MHz，实时采集速率为1 GS/s)测量放电电压和电流波形。聚酰亚胺材料的尺寸为10 cm(长)×5 cm(宽)×0.1 cm(厚)，实验前采用无水乙醇对样品表面进行擦拭，先放置在烤箱中烘烤24 h，再于真空系统中将样品与指型电极和实验支架固定好进行实验，样品电极间每次发生闪络后先利用等离子体消电器对样品表面进行消电，再进行下一次闪络，共进行15次闪络，闪络次数1表示第1次闪络，闪络次数2表示第2次闪络，以此类推，闪络次数15表示第15次闪络。整个实验装置如图1所示。

图1 实验装置Fig.1 Experimental setup

2.2 实验结果

利用图1所示的实验装置开展了低气压环境下聚酰亚胺沿面闪络实验。实验时指型电极间距分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm，考虑到气压很低(小于10Pa或者更低)时放电电压与电极的材料、形状等有关，空气分子的影响可忽略不计，实验中气压范围为1×10～1×10Pa。

图2给出了当气压为3×10Pa时，不同电极间距下聚酰亚胺沿面闪络电压随闪络次数的变化情况。图3为聚酰亚胺沿面闪络平均场强(气压为3×10Pa，电压取第15次闪络电压)随电极间距的变化情况。图4为电极间距为1 mm时，不同气压下聚酰亚胺沿面闪络电压分布情况。

图2 不同电极间距下聚酰亚胺沿面闪络电压随闪络次数的变化Fig.2 Variation of surface flashover voltage of kapton with number of discharge at different electrode spacings

图3 不同电极间距下聚酰亚胺沿面闪络场强Fig.3 Flashover field intensity of kapton with different electrode spacing

图4 不同气压下聚酰亚胺沿面闪络电压Fig.4 Surface flashover voltage of kapton under different pressure

从图2中可看出当气压和闪络次数一定时，聚酰亚胺沿面闪络电压(绝对值)随电极间距增加而升高，以第15次闪络为例，电极间距1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm对应的闪络电压分别为-7.18、-7.91、-8.65、-9.37、-10.63 kV。当气压和电极间距一定时，聚酰亚胺闪络电压(绝对值)随闪络次数的增加呈先增大后稳定的趋势，如当电极间距为1.0 mm时，第1次闪络电压为-6.12 kV，第5次闪络电压为-6.50 kV，第13、14、15次闪络电压分别为-7.13、-7.20、-7.18 kV；当电极间距为3.0 mm时，第1次闪络电压为-8.47 kV，第5次闪络电压为-9.72 kV，第13、14、15次闪络电压分别为-10.50、-10.64、-10.63 kV。

由图3可得当气压和闪络次数一定时，聚酰亚胺闪络平均场强随电极距离增加呈降低趋势。其原因可能是电极距离越大，闪络传播所需能量越大，外加电源的幅值也越大；电极距离的增大导致电极之间的电场变得不均匀，极易发生击穿，电压增加幅值小于距离增加的幅值，导致场强减小。

由图4可得，聚酰亚胺闪络电压随气压的降低呈先降低、后增大、再稳定的规律。从图4中可看出当气压低于10Pa时，闪络电压随气压增加的变化不明显；当气压从10Pa升至10Pa时，沿面闪络电压呈现降低的变化规律；当气压由10Pa升至常压时，沿面闪络电压呈升高趋势。根据帕邢定律可知，当外界气体和电极一定时，气体间隙击穿电压是气压和极间距离乘积的函数，即

(7)

(8)

式中：为玻尔兹曼常数；为温度；为气体分子半径。假设气体分子直径为10m，温度为300 K，当气压高于10Pa时气体的平均自由程小于最小电极间距1 mm，此时背景气体参与材料沿面闪络，并遵循帕邢定律；当气压由10Pa降至10Pa时，一方面背景气体含量不断减少，另一方面气体的平均自由程逐渐增大，碰撞电离几率逐渐减低，致使参与沿面闪络的气体减少，闪络电压升高；当气压降至10Pa以下高真空区域时，气体分子的平均自由程约为2.25 m，远大于电极间距，此时分子碰撞电离几乎不会在闪络中发生作用。根据二次电子发射雪崩理论，参与真空闪络过程的电离气体分子主要来自介质表面解吸附气体，由于材料表面微观结构凹凸不平，实际面积远大于观测面积，且一般情况下吸附气体并非只有一层，因此介质表面吸附气体解吸附完全可以满足高真空条件下沿面闪络需求，同时产生解吸附的原因是电子碰撞与激励，与气压无关，因此高真空条件下材料的闪络电压不随气压变化而改变。

2.3 分析与讨论

针对低气压环境下聚酰亚胺沿面闪络变化规律，从解吸附气体、粗糙度、化学变化3个方面对沿面闪络电压的影响因素进行分析。

2.3.1 解吸附气体

在低气压环境中，由于真空度较高(如3×10Pa)，绝缘材料表面的空气含量远小于大气环境，背景环境气体分子的平均自由程远大于电极间距，此时参与材料沿面闪络的气体主要来自介质表面解吸附气体。解吸附是通过电子的能量转移及电子激励等途径将低能态气体分子激发到高能态，进而克服材料表面壁垒进入背景环境的现象。当电子与介质表面吸附气体发生碰撞时，电子能量将传递给气体分子。假设电子与吸附气体分子发生弹性碰撞，根据能量守恒定理，气体分子获得最大动能Δ为

(9)

式中：为电子能量；为气体分子质量；为电子质量。由于气体分子质量远大于电子质量，因此电子、气体分子质量之和可近似地看做气体分子质量。当电子与气体分子发生非弹性碰撞时，气体分子获得能量为

(10)

由式(9)和式(10)可见，由于电子质量远小于分子质量，在碰撞过程中能量传递非常少，因此电子能量转移并非造成吸附气体解吸附的主要原因。

根据Franch-Condon原理，电子跃迁是一个非常迅速的过程，当电子发生跃迁时不会改变原子核的运动，因此在电子与气体分子碰撞时电子激励作用远大于能量传递。电子的激励作用不仅会使气体分子得到、失去电子，成为带电离子，还会使分子内部电子跃迁至更高能级，改变气体分子与周围固体分子的作用力，致使气体分子挣脱固体表面束缚。

在图4中，当气压高于10Pa时，即电子的平均自由程小于电极间距时，背景环境气体在材料沿面闪络过程中发挥作用，而材料表面解吸附气体与背景气体相比数量很小，其影响可忽略不计；随气压降低背景气体含量减少，解吸附气体含量增加，在气压为10～10Pa阶段，解吸附气体含量已接近背景气体含量，此时电子的平均自由程与电极间距量值相当，闪络电压最低；当气压进入高真空乃至超高真空阶段，电子的平均自由程远大于电极间距，电子碰撞电离已不可能发生，解吸附气体成为主要气体负荷。从式(6)可看出解吸附气体分子的临界值和分子脱附的平均速度都会影响闪络电压。气体分子脱附的平均速度越大，闪络电压越高。因此10Pa和10Pa即成为闪络电压随气压变化的转折点。所以对于低气压环境，材料表面吸附气体的解吸附效应是沿面闪络的重要环节，且引起解吸附的主要方式为电子激励作用。由于解吸附过程需要一定能量，且激发出来的气体含量远远小于常压环境中气体含量，因此3×10Pa下绝缘材料闪络电压高于常压环境下的闪络电压。

2.3.2 粗糙度

绝缘材料在发生沿面闪络的过程中，闪络电流对材料表面具有一定的灼烧、破坏作用，闪络发生前后材料表面粗糙度发生很大变化。图5为金相显微镜和原子力显微镜(右上小图)下聚酰亚胺表面闪络前后的样貌(电极间距为2 mm)。

图5 闪络前后聚酰亚胺表面样貌Fig.5 Surface appearance of kapton before and after flashover

从图5(a)中可看出未发生沿面闪络时聚酰亚胺表面整体比较均匀，只存在少量加工、运输过程中产生的微小缺陷，此时表面粗糙程度最小(为25 nm)，闪络电压较低(为-7.01 kV，如图2所示)。随闪络放电的发生，闪络电流灼烧材料表面，如图5(b)所示，材料表面出现明显的闪络灼痕，呈现不均匀的山状突起，材料表面粗糙程度增大(47 nm)，延长了闪络爬电距离，凹凸不平的样品表面减少了参与沿面闪络的二次电子比例，同时入射电子角度的改变使电子在跃迁过程中受电场作用减弱、获能减少，降低了材料二次电子发射率，结合式(6)分析可知闪络电压升高(为-7.80 kV，如图2所示)。随闪络次数进一步增加，材料表面突起增大(如图5(c)所示)，同时出现较大的沟壑状凹痕，闪络痕迹更加明显，灼痕范围更宽，甚至出现多条灼痕交错相连的现象，此时表面粗糙度再次增大(为82 nm)，闪络电压更高(为-8.65 kV，如图2所示)。由此可见，随闪络的重复进行，低气压环境下聚酰亚胺表面形貌不断变换，依次经历均匀、较大山丘状凸起、沟壑状凹痕3种形态。

结合图2中聚酰亚胺闪络电压变化规律发现，材料表面粗糙度对沿面闪络有直接影响：① 闪络电流灼烧材料表面，使表面粗糙度增大，随粗糙度增大，灼痕内部的凸起和凹陷直接增大了二次电子的通过距离，阻碍了二次电子崩的形成和闪络通道的产生，导致聚酰亚胺闪络电压升高；② 材料表面中的凹陷对电子具有一定的束缚作用，使部分电子与表面碰撞产生二次电子束缚，在凹陷内部无法参与形成闪络，间接地削弱了二次电子倍增过程；③ 材料表面的凸起也会影响二次电子发射轨道，电子撞击粗糙表面时会发生漫反射，造成参与沿面闪络的电子数目减少，因而出现闪络电压升高的现象。当闪络次数达到一定时，材料表面粗糙变化对电子和闪络形成的影响达到最大，对闪络电压影响效果不再明显，从而出现电压逐渐平稳的现象(如图2所示)。这个结论与文献[22]得到的氧化铝陶瓷材料沿面闪络电压随粗糙度增加而降低的规律和文献[23]得到的有机玻璃闪络电压随表面粗糙度增加呈U形变化的规律不同，但与文献[9]得到的规律一致。结果的差异可能与试验样品的种类、表面处理程度、电极形状及试验条件等因素有关。

2.3.3 化学变化

在绝缘材料沿面闪络发生过程中，闪络电流灼烧改变材料表面样貌的同时，材料表面化学成分也发生变化。利用X-射线光电子谱(X-ray Photoelectric Spectroscopy，XPS)对沿面闪络前后聚酰亚胺表面化学成分进行分析。

图6为闪络前后聚酰亚胺XPS分析。横坐标代表电子束缚能或动能，直接反映电子能级结构，纵坐标代表相对光电子流强度，利用X射线光电子手册中各元素的峰位确定图6中强峰代表的分别是C1s(285 eV)、O1s(531 eV)、N1s(398 eV)和Si2p(100 eV)。从图6中可看出聚酰亚胺的主要成分为C和O，其中C1s为此状态下的主线，此外在聚酰亚胺表面观察到少量的N和Si元素。Si元素可能来自于材料加工过程中掺入的杂质；而N元素一部分来自于材料本身C—N键，另一部分来自样品表面吸收的N。