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絕緣材料沿面耐壓性能與其表面電學參數(shù)密切相關(guān),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(shù)直接受材料表面物理形貌、化學成分等特性參數(shù)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(chǔ)上改變其表面物化特性,來實現(xiàn)對絕緣表面電氣性能的優(yōu)化與調(diào)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(shù)作為放電等離子體與高電壓絕緣領(lǐng)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(yōu)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?shù)入x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(fā)物理化學反應(yīng),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(yīng)媒質(zhì)、驅(qū)動電源、反應(yīng)器等參數(shù),能夠調(diào)節(jié)等離子體活性粒子分布及其引發(fā)的物理化學反應(yīng)過程,調(diào)控材料表面微觀形貌、化學成分、宏觀介電性能等,從而實現(xiàn)絕緣表面電氣性能的優(yōu)化提升。相較于其他方法,等離子體技術(shù)具有顯著優(yōu)勢:在處理效果方面,可以在絕緣表面微納尺度引發(fā)刻蝕、活化、交聯(lián)、沉積等物理化學反應(yīng),實現(xiàn)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(diào)控表面性能,便于實現(xiàn)大規(guī)模絕緣處理;在環(huán)境友好性上,等離子體技術(shù)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(chǎn)物排放等環(huán)境問題。

等離子體改性絕緣性能及應(yīng)用研究

等離子體通過多層次表面反應(yīng)會改變絕緣材料表面微觀物化特性參數(shù),進而會改變絕緣表面宏觀電氣性能。通過建立合適的反應(yīng)條件,等離子體處理可以有效實現(xiàn)絕緣表面耐候、耐電性能提升,并在受損絕緣修復(fù)、納米復(fù)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(huán)境,因此外絕緣需要具有優(yōu)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(yīng)媒質(zhì),可以通過接枝、聚合、交聯(lián)沉積等方式制備具有低表面能的薄膜,或利用刻蝕作用構(gòu)造微納米級“荷葉型”粗糙結(jié)構(gòu),為絕緣材料表面潤濕性調(diào)控提供了可行性。

沿面閃絡(luò)電壓

在高壓絕緣系統(tǒng)中,閃絡(luò)通常會對電力設(shè)備造成嚴重的損壞,而閃絡(luò)與表面電荷遷移特性有較大的關(guān)聯(lián)。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(diào)控陷阱分布,從而改善沿面絕緣性能。

等離子體改性納米復(fù)合絕緣

近些年,大氣壓等離子體在納米顆粒表面修飾、優(yōu)化復(fù)合絕緣的電-熱-力綜合性能方面,也展現(xiàn)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(jié)合力和浸潤性,增強填充型復(fù)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(yōu)化提升的切實需求,發(fā)展新型的絕緣材料表面改性及性能提升技術(shù)具有十分重要的意義。低溫等離子體技術(shù)因其高反應(yīng)活性、處理效果可控、綠色無污染等特點,在材料表面改性領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。