王飞鹏，张涛，文刚，范帆，李剑，崔万照

1.重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044 2.中国空间技术研究院 西安分院 空间微波技术重点实验室，西安 710100



表面电荷对聚四氟乙烯沿面击穿特性的影响

王飞鹏1,*，张涛1，文刚1，范帆1，李剑1，崔万照2

1.重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044 2.中国空间技术研究院 西安分院 空间微波技术重点实验室，西安 710100

聚四氟乙烯(Polytetrafluorethylene,PTFE)因其高绝缘性而极易在表面积累空间电荷,且电荷衰减周期长。认识表面电荷对PTFE沿面击穿性能的影响，对设计相关的绝缘系统具有重要指导意义。使用针-板电极装置，采用从6 kV变化到10 kV的正、负极性针电压对PTFE样品膜进行电晕充电积累表面电荷，使用静电电位计测量样品膜表面电位并估算得到表面电荷面密度。对具有不同表面电荷密度的PTFE样品膜，试验研究常压及真空中样品的负极性直流沿面击穿场强。结果表明，不同充电电压可以有效调控PTFE表面电荷密度。负极性较正极性电晕充电能够更有效地在PTFE表面积累高密度电荷；正极性表面电荷在常压和真空中均导致PTFE的负极性直流沿面击穿场强降低，而负极性表面电荷则具有影响程度较小的相反效果，即仅在一定程度上提高PTFE的负极性直流沿面击穿场强，且表面电荷在真空中对沿面击穿场强的影响弱于常压环境。

表面电荷；聚四氟乙烯；常压；真空；沿面击穿

聚四氟乙烯(Polytetrafluorethylene, PTFE)因其优异的耐高低温性能、良好的机械稳定性、极佳的化学稳定性和电气绝缘性以及优异的耐空间辐照性能，已广泛应用于电力电子、航空航天、精密机械等领域[1-2]。在空间技术领域，PTFE的高绝缘性保证了电子电气设备的绝缘安全，然而也因其高绝缘性使得PTFE表面极易因载流子注入而积累电荷，且电荷衰减周期较长，从而可能导致系统绝缘强度出现明显下降甚至发生放电击穿事故[3]。绝缘介质材料的沿面击穿电压(场强)在几乎所有情形上均大大低于其体击穿电压，同时首次沿面击穿电压也均低于稳态值。空间环境中带电粒子引起航天器内绝缘介质充电，这使得绝缘介质材料电场尤其是表面电场畸变，极易产生表面微放电甚至引发沿面击穿，威胁设备运行安全甚至导致设备系统失效[4-7]。尤其重要的是，空间技术与其他领域不同：首次放电即可能导致设备失效。因而，研究表面电荷对PTFE等高绝缘介质材料的沿面放电和击穿特性的影响具有重要意义。

PTFE等介质表面电荷主要来源包括摩擦产生的静电荷，宇宙射线及粒子辐照等产生的表层充电，高电位电极注入电荷及极不均匀局部电场产生的电晕放电等[8-10]，且在设备运行过程中介质带电量及电荷极性具有不确定性。表面电荷可能严重畸变绝缘介质表面电场分布特征，从而对沿面击穿场强产生明显影响。对此问题，研究人员获得的试验结果和数据分析结论仍存在较大分歧[11-17]。分歧主要在于对表面带电电荷极性和密度对沿面放电和击穿特性影响的趋势及力度的试验数据及分析存在不同看法。Kumara等[12-13]研究了直流、脉冲电压下电荷对聚合物绝缘介质闪络性能的影响，认为负极性电荷的积累可以一定程度上提升沿面击穿场强，正电荷则起到相反结果，而Jun X[14]等则在脉冲电压下得到相反结论。Qi B[15]等认为电荷的积累会导致绝缘介质交直流沿面击穿场强下降。

目前关于PTFE沿面放电的研究主要关注其放电规律及放电后电荷分布特性[17]，关于常压与真空中表面电荷对PTFE沿面放电的影响研究较少，但设备运行过程中积累的电荷极有可能影响系统绝缘性能。针对目前存在的这类问题和空间技术领域实际需求，本文采用针-板电极对PTFE薄膜进行不同极性和针电压值的电晕充电，以研究积累的表面电荷极性、电荷密度等参数对常压及真空中PTFE样品膜沿面击穿特性的影响。

1 试验系统

1.1 充电及表面电荷测量

本文采用边长60 mm，厚50 μm的PTFE正方形薄膜作为试样。所有样品膜均需在试验前使用去离子水和无水乙醇(分析纯)多次清洁后再在60°C下真空干燥2 h以去除可能的残余水分。

试验使用如图1所示电晕充电装置，其中钨钢电晕针尖曲率半径为50 μm，针-膜间距为4 mm。在室温RT=25°C，相对湿度RH=50%的实验室环境中对PTFE样品膜进行针电压分别为6 kV、8 kV和10 kV，时长t=2 min的正或负极性电晕充电。样品膜表面电位使用由Trek 341B静电电位计和Kelvin静电探头构成的表面电位测量系统来确定。对于薄膜或薄片状试样，样品表面电位Vs与表面电荷密度ρ近似呈线性关系，估算薄膜表面电荷密度[11]：

(1)

式中：ε0和εr分别为真空介电常数和PTFE的相对介电常数；d近似取值为样品膜厚度。

1.2 直流沿面击穿场强的测量

图2为依照GB/T 1408.1-2006和GB/T 1408.2-2006自制的沿面击穿场强测量装置。试验使用直径φ20 mm，高度h=10 mm的一对圆柱铜电极放置于样品膜上表面电晕充电区域内，并保持两者边缘间距3 mm以使沿面放电和击穿发生在间隙区内，并且将装置置于带有高压套管且气压可调的不锈钢罐体中。由于铜电极中的一个在试验中保持接地，因此在图3中通过有限元仿真获得的两铜电极之间电场分布呈现一定程度的局部不对称现象[12]。本文中由于铜电极间距较小且电极直径较大，因此可近似认为间隙区内保持均匀电场。由于在高真空范围内(10-1～10-5Pa)内绝缘介质的沿面击穿特性几乎不随气压的变化而改变[18]，为研究常压及真空中表面电荷对PTFE沿面击穿特性的影响规律，分别选取105Pa及10-1Pa作为常压和真空中的沿面击穿场强测试气压。真空试验前需采用电晕充电装置在常压下对样品膜电晕充电，并在充电完毕后5 min内将腔内气压抽真空至10-1Pa，由于PTFE优异的电荷稳定性，其表面电荷密度在抽气过程中保持不变。本文在105或10-1Pa气压下，并在两铜电极间隙施加200 V/s线性上升的负极性直流电压直至沿面击穿发生。击穿行为以在电极间隙内出现连续或不连续流注放电为发生判据。

1.3 样品膜表面化学成分变化

为确定样品膜表面由电晕充电可能引起的化学成分变化，本文使用傅里叶变换红外光谱(德国Bruker Alpha)来监测PTFE薄膜表面在电晕充电前后的成分变化。每次测量均在同一位置扫描24次取平均值，波数分辨率为1 cm-1。

2 试验结果和分析

2.1 电晕充电时间对表面化学成分变化的影响

图4为10 kV负极性电晕充电前后PTFE薄膜的傅里叶红外光谱，其中对比示出了电晕充电时间从2 min增加到20 min的测量结果。电晕充电前后PTFE样品表面成分几乎没有明显变化。然而电晕充电时间从2 min延长到20 min后却引起1 143 cm-1和1 200 cm-1处的两个峰(对应于CF2基团的对称和不对称伸缩振动)的强度降低，如图4(b)所示。由于电晕充电均可在几十秒内达到饱和[19]，因此可排除该双峰强度变化由表面电荷电场所致，而可能是由于较长时间电晕作用引起PTFE微弱退氟化[20]。本文所使用电晕充电时间t=2 min不会改变PTFE样品膜表面化学成分。

2.2 电晕充电中表面电荷的积累

在电晕充电过程中，针电极附近空气分子因强局部电场而被电离，产生的带电粒子在针-板电极间电场作用下被注入到样品膜表面，被表面陷阱俘获的带电粒子与介质材料间发生电荷转移。随着时间延长，样品膜表面积聚电荷快速增加，从而建立起表面电位并最终达到饱和表面电位值。与此同时，部分表面陷阱电荷通过热激发脱陷并注入到介质体内，在自建电场作用下，通过导带向接地背电极迁移，致使表面电荷不断减少及表面电位衰减[21]。对PTFE而言，其极佳的电荷储存稳定性和极低的体电导率使得其表面电位衰减速率极低[3]。

试验分别采用6 kV、8 kV和10 kV的正或负极性直流针电压对样品膜进行电晕充电，以调控PTFE表面电荷密度，研究表面电荷密度对PTFE沿面放电及击穿特性的影响。图5中结果为不同针电压电晕充电后样品膜的初始表面电荷密度。显而易见，随着充电电压增加，样品表面电位逐渐增加，对应的电荷密度逐渐上升。然而，相同针电压电晕充电后样品膜表面电位还与电压极性相关。例如，经10 kV负电晕充电后的样品膜的表面电位约为4.0 kV，相同条件下正电晕充电后的样品表面电位仅约2.1 kV，试验结果与文献[3]结果相近。这一方面可能是由于PTFE储存负电荷的能力较强，另一方面是负电晕所形成的大量自由电子的迁移速率远较正离子高，这使得电子迅速迁移并得以更有效注入在样品表面[20]。此外，所有样品表面电位在数小时内几乎不呈现明显衰减。

2.3 表面电荷对聚四氟乙烯直流沿面击穿的影响

表面电荷可能明显影响绝缘介质的直流沿面击穿特性。高宇等[11]认为样品表面的正极性电荷将导致接地端电极附近电场得以加强，从而易于引发空气电离，诱发沿面击穿。因此将降低正极性沿面放电时样品的沿面击穿场强。而Kumara等[12]则从理论和试验两方面证明在负极性直流沿面放电时，负极性表面电荷可提高样品沿面击穿场强；正极性表面电荷则产生相反效果，因畸变放电电极间电场分布而降低样品沿面击穿场强。

图6为真空与常压下样品膜负极性沿面击穿场强与正或负电晕充电针电压之间的关系，图7则绘出样品膜的负极性沿面击穿场强与样品表面电荷密度的依赖关系。图6中结果指出，真空与常压样品膜沿面击穿场强与电晕充电针电压皆呈现准线性依赖关系，随正电晕充电电压增加而逐渐降低，随负电晕充电电压增加而逐渐提高。该现象与文献[12]所报道的变化趋势一致，但本文中负极性电荷对沿面击穿场强的影响更微弱。结果表明，真空中PTFE沿面击穿场强明显高于常压，这主要是因为真空中气体分子密度较低，电子在电场中运动与气体分子碰撞几率较低，使击穿场强升高[22]，但表面电荷对真空中沿面击穿场强影响较弱。表面负电荷密度每增加1 pC/mm2，常压及真空中样品沿面击穿场强分别增加约0.19 kV/cm和0.13 kV/cm，而同样幅度变化的正电荷则导致沿面击穿场强分别降低约1 kV/cm和0.49 kV/cm。10 kV正电晕使常压及真空中沿面击穿场强下降7.86 kV/cm与3.68 kV/cm，相同条件下负电晕使得击穿场强增加3.75 kV/cm与2.53 kV/cm，可能的原因是常压下包含负极性表面电荷的样品最高沿面击穿场强已接近相同间隙下空气的击穿场强(30 kV/cm)，因此使得表面电荷对电场畸变效果减弱。而目前关于真空沿面放电的机理尚不明确，基于电子激励解吸附原理的二次电子雪崩模型(Secondary Electron Emission Avalanche，SEEA)被认为能够解释大部分真空沿面击穿现象[16]，其核心思想是阴极三结合点场致电子发射和介质表面气体释放在其沿面绝缘失效过程中起到至关重要的作用，介质在真空中的沿面击穿本质上仍同于气体击穿。

文献[12-13]提出常压下沿面放电电极间产生流注放电需满足：

(2)

式中：α，η和ρ(单位bar)分别为电离系数、附着系数和空气压力；C(bar·mm/kV2)，A(mm-1·bar-1)，(E/p)M(kV·mm-1·bar-1)则为由气体参数决定的常数。对空气而言，C=1.605 3 bar·mm/kV2，A=0.287 3 /(mm·bar)，(E/p)M=2.165 kV/(mm·bar)。当有效电离系数α-η>0时，(E/p)M的值等于2.588[kV/(mm·bar)]。而负极性流注的传播必须满足间隙之间的平均场强大于11.5 kV/cm。在计算中，有效电离系数大于0的区域被认为是活性区域，计算活性区域电场分布，并且以活性区域的边界线作为积分路径，在任一给定的初始电压下：

(3)

如果施加的电场场强能够满足流注产生和发展的条件，且K≥9.15，则可得理论沿面击穿电压。如果K<9.15，则需提高电压重新计算。为对计算结果进行修正，也可以通过设定无电荷沉积的沿面击穿电压值作为理论计算值对K值进行修正[11]。由此可见沿面击穿主要受气氛、试样材料、电极之间的电场分布的影响。而电荷注入主要影响电极之间的电场分布，从而可能对沿面击穿电压产生显著影响。

文献[12]的计算结果表明，在电极之间施加负极性直流电场，负极性电荷的注入会使得沿着临界线的电场强度减小，而正极性电荷则会使相应的电场强度增加。而在其他的参数保持不变的情况下，K值主要受到电场强度E的影响，因此有表面电荷存在时，需施加更高的电压以消除负极性电荷对电场的削弱作用，而正电荷则使得较低电压下的电场也能够达到临界值从而使电极间隙被击穿。在真空及常压下表面电荷积累主要改变电极间电场分布，真空中介质内气体释放受介质本征特性控制较强，被电场分布的影响不显著，因此相同表面电荷密度的变化对真空中沿面击穿场强的影响较常压环境时较小。

3 结束语

本文采用针-板电极研究了PTFE薄膜样品经不同极性和不同针电压电晕充电后积累的表面电荷对沿面放电及击穿特性的影响。结果表明，不同充电电压可以有效调控其表面电荷密度，负极性较正极性电晕充电可在PTFE表面更有效积累较高电荷密度，在-10 kV充电电压下积累的电荷密度高出+10 kV充电时所积累的电荷密度1倍；正极性表面电荷导致PTFE的负极性直流沿面击穿场强显著降低，而负极性表面电荷则具有影响程度较小的相反效果，即仅在一定程度上提高其沿面负极性击穿场强。经+10 kV电晕充电后积累的正极性表面电荷导致负极性常压沿面击穿场强降低30%，真空沿面击穿场强下降10.7%；而-10 kV电晕充电后积累的负极性表面电荷使负极性常压沿面击穿场强提高15%，真空沿面击穿场强仅提高约7%。应用PTFE作为空间技术领域的绝缘介质，应结合其具体应用场合，充分考虑空间环境中绝缘介质表面电荷积累效应及其对沿面击穿性能的影响，以合理设计绝缘结构和表面电荷电场分布，避免发生沿面放电。

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(编辑：高珍)

Effect of space charge on surface-breakdown behavior of polytetrafluoroethylene

WANG Feipeng1,*，ZHANG Tao1，WEN Gang1，FAN Fan1，LI Jian1，CUI Wanzhao2

1.StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipment&SystemSecurityandNewTechnology,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China2.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonSpaceMicrowave,ChinaAcademyofSpaceTechnology(Xi′an),Xi′an710100,China

Owing to the low conductivity, polytetrafluoroethylene (PTFE) tends to accumulate surface charge which is caused by various factors，e.g. friction, space charge carriers, cosmic rays, etc. Additionally, the decay of surface charge takes long time. It is certainly significative to investigate the role of surface charge on influencing the surface-breakdown behavior. This work endows PTFE sample films with variable surface-charge density by needle-plate corona-charging electrodes. Negative DC surface breakdown voltage was then measured on all samples at atmospheric pressure and in vacuum. Experimental results show that the surface charge density is tailorable by needle voltages;however,the negative corona accumulates surface charge faster than the positive corona. The positive surface charge benefits to reduce negative DC surface breakdown voltage, while negative surface charge slightly leads to an opposite way, i.e. enhancing the surface breakdown voltage for a certain extent. Additionally, the influence of space charge on the breakdown voltage in vacuum is weaker than that at atmospheric pressure.

surface space charge；polytetrafluoroethylene；atmospheric pressure; vacuum; surface breakdown

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0001

2016-06-26；

2017-02-28；录用日期：2017-03-17；网络出版时间：2014-03-21 15:43:35

http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170321.1543.007.html

国家自然科学基金重点项目(U1537211)；国家重点基础研究发展计划(973)(2015CB251003)；中央高校科研业务费项目(106112015CDJXY150006)

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TM201.4+4

A

http:∥zgkj.cast.cn

*通讯作者：王飞鹏(1977-)，男，研究员，fpwang@cqu.edu.cn，研究方向为工程电介质，电功能聚合物及其应用