交联聚苯乙烯表面氟化处理及其性能研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

脉冲功率技术是纳秒脉冲电子学、高电压技术、应用物理学和材料学相结合的产物，近年来发展迅速，应用领域日益广阔[1]。交联聚苯乙烯塑料凭借其高电压绝缘性、高抗辐射能力、良好的力学性能等在电力设备及脉冲功率设备中得到了广泛应用，并逐步取代了传统的丙烯酸酯类材料。交联聚苯乙烯在真空设备中作为绝缘支撑件，将设备中的导电体相互连接，起到电气绝缘和机械固定的作用。一般来说，绝缘支撑件存在高的体击穿强度，但在真空与绝缘介质的真空-固体交界面上存在着沿面放电现象。在一定高压情况下，放电发展成贯穿性击穿，称为沿面闪络[2]。这使得引入绝缘支撑体后的真空设备的耐压能力大幅降低，影响设备正常运行，并且可能由于耐压失败而造成经济损失。随着脉冲功率技术的地位日益凸显，绝缘介质的沿面耐压不足这个问题制约着其发展，特别是更多设备有着进一步高功率化和小型化的需求，因而真空沿面闪络现象一直以来都是重点关注的课题。

目前真空沿面闪络的微观发生机理尚无统一定论。被广泛接受的主要有两种理论：一是二次电子崩理论，其观点的核心是初级电子碰撞绝缘材料表面产生二次电子，同时还可能使绝缘材料中的吸附气体解吸附受到电子碰撞发生电离引起二次电子发射雪崩而形成放电通道；另一种是电子触发极化松弛理论，其核心观点认为材料中缺陷的存在引起的电荷俘获在外条件改变情况下发生极化电荷松弛引起闪络发生[3-6]。虽然研究者们在闪络发生机理上存在较大分歧，但基于实验研究成果，对影响闪络特性的几种重要物理因素的认识是趋同的。这些因素包括施加电压波形、磁场、绝缘材料介电常数、绝缘体几何形状、绝缘体表面状态等。其中材料表面处理工艺对闪络性能的影响十分复杂，研究者进行了大量的研究。对绝缘材料表面尤其是接近阴极的部位进行粗糙处理后闪络电压将会提高[7]。使用激光在氧化铝陶瓷表面进行刻线，在表面形成有规律的凹坑结构，将其闪络电压提升了约20%，主要是由于凹坑存在增加了电子在运动过程中的碰撞路径，可能降低了二次电子发射系数[8]。对聚碳酸酯，有机玻璃等聚合物表面进行8000次火花塞放电处理同样也提高了沿面闪络电压，且至少提高50%，二次电子发射系数减小是提高耐压性能的主要原因[9]。低温等离子体技术被广泛应用于材料表面改性，低温等离子体中的活性粒子具有的能量一般都接近或超过c-c或其它含碳键的键能，因此活性粒子碰撞到材料表面后，材料表面将发生表面刻蚀，表面聚合以及引入新的官能团等，改变其表面活性；同时高能活性粒子的作用也会减少材料表面吸附的气体。这些特性都是影响绝缘子沿面闪络电压的重要因素。除此之外，低温等离子体对材料表面的处理深度仅为几至几百纳米，在改变材料表面特性的同时又不影响其本体特性[10]。因此，对材料进行低温等离子体改性处理，研究材料真空沿面闪络电压变化及其机理，对于提高材料闪络电压和拓宽低温等离子体应用具有重要的意义。目前采用等离子体对材料表面进行亲水性/疏水性、粘接性、以及薄膜沉积等的研究已经相当广泛，也有通过等离子体处理改善闪络电压特性的研究。王长全等[11]在空气中采用介质阻挡放电（dbd）对聚苯乙烯表面进行处理，在材料表面引入含氧、含氮基团，使其表面润湿性能得到改善。穆海宝等[12]对聚丙烯薄膜在空气中进行介质阻挡电晕放电处理，提高了薄膜的亲水浸渍性，并使聚丙烯薄膜的击穿电压提高了12%。mercado等[13]采用dbd在ar和he气体氛围下增强了聚丙烯纤维的亲水性。方志等[14]在玻璃表面涂抹二甲基硅油之后使用dbd等离子体处理，获得了憎水结果，并提出了等离子体剂量对改性结果的影响，实现了玻璃表面湿闪电压的提高。her等[15]使用cf4作为刻蚀气体，在有机玻璃(pmma)表面构建了宽度小于200nm，高度约为500nm的柱状结构，然后在表面涂覆一层sion涂层，形成超憎水结构。西核所柯昌凤等[16]在不同温度下对交联聚苯乙烯绝缘子进行表面氟化处理，将其表面沿面闪络电压提高40%~60%。

总体上，国内外研究者在改善绝缘子沿面闪络方法和工艺上进行了大量的研究工作，多种方法有一定的改进效果，但大部分不显著，部分方法仍有缺陷，如表面打磨抛光，不同的材料表现出不同的特性，具有较大的随机性。类金刚石薄膜的沉积虽然效果较好，但制备工艺难度较大，大尺寸复杂制件的表面镀膜极困难。激光处理也只适合陶瓷类无机材料。采用氟等离子体处理材料表面，不仅可以在聚合物表面形成含氟基团，改善聚合物表面惰性，同时在高能粒子的作用下，也会使表面吸附气体含量减少，而这两种特征都是影响绝缘子沿面闪络电压的重要因素。因此，本项目采用氟等离子体对交联聚苯乙烯表面进行氟化，并实现真空闪络性能的提高，理论依据充分，科学意义明确。对提高我国的脉冲功率技术水平意义重大。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

材料制备：利用苯乙烯及二乙烯基苯为原料，通过程序控温下的自由基交联共聚反应制备交联聚苯乙烯材料；

材料表面处理：对交联聚苯乙烯材料表面进行等离子体氟化处理，改变处理参数（电压、频率、气体流量、时间等）测量处理后表面水接触角，确定等离子体接枝氟元素的最佳工艺条件；

3. 研究计划与安排

3．进度安排

第1-3：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－6周：完成交联聚苯乙烯材料的制备及样品加工，制定等离子体实验处理方案。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]郑建毅,何闻.脉冲功率技术的研究现状和发展趋势综述[j].机电工程.2008,25(4):1-4.

[2]yanp,shaot,wangj,etal.experimentalinvestigationofsurfaceflashoverinvacuumusingnanosecondpulses[j].ieeetransactionsondielectricselectricalinsulation,2007,14(3):634-642.

[3]blaiseg,legressusc.chargingandflashoverinducedbysurfacepolarizationrelaxationprocess[j].japplphys,1991,69(9):6334-6339.