绝缘材料沿面耐压性能与其表面电学参数密切相关,如表面电阻、泄漏电流、表面电场分布、表面电荷消散速率等。而上述电学性能参数直接受材料表面物理形貌、化学成分等特性参数的影响,如绝缘表面粗糙度会改变电子爬电距离、绝缘表面化学成分会改变陷阱能级分布。因此,通过绝缘表面处理能在不影响绝缘本体性能的基础上改变其表面物化特性,来实现对绝缘表面电气性能的优化与调控。目前,绝缘表面改性方法主要有物理打磨、表面涂敷、真空氟化、电子束辐照、低温等离子体等方法。与其他方法相比,大气压低温等离子体技术作为放电等离子体与高电压绝缘领域的交叉研究方向,在绝缘材料表面处理与改性提升方面具有独特优势,见图1。在电源激励作用下,中性气体分子被电离形成大量活性粒子,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绝缘材料表面的化学键键能(C—H:4.29eV;C—O:3.0eV),因此当等离子体作用于材料表面时,可以打开材料表面化学键同步引发物理化学反应,在表面纳米至微米量级达到改性效果而不影响材料的本体性能。特别地,通过改变工作气体、反应媒质、驱动电源、反应器等参数,能够调节等离子体活性粒子分布及其引发的物理化学反应过程,调控材料表面微观形貌、化学成分、宏观介电性能等,从而实现绝缘表面电气性能的优化提升。相较于其他方法,等离子体技术具有显著优势:在处理效果方面,可以在绝缘表面微纳尺度引发刻蚀、活化、交联、沉积等物理化学反应,实现绝缘表面综合性能的提升;在处理效率上,等离子体中具有大量高能活性粒子,分钟级处理即可改变表面物化特性、调控表面性能,便于实现大规模绝缘处理;在环境友好性上,等离子体技术是典型的干法工艺,采用空气、惰性气体作为工作气体,有效避免化学试剂残留、有害副产物排放等环境问题。

等离子体改性绝缘性能及应用研究

等离子体通过多层次表面反应会改变绝缘材料表面微观物化特性参数,进而会改变绝缘表面宏观电气性能。通过建立合适的反应条件,等离子体处理可以有效实现绝缘表面耐候、耐电性能提升,并在受损绝缘修复、纳米复合绝缘合成、金属电极改性等方面也取得了新的进展。

表面亲/疏水性

户外绝缘材料直接面临降雨、凝露、水分侵入等恶劣工作环境,因此外绝缘需要具有优异的疏水性能,以保证其耐候性与运行的可靠性。在等离子体中添加合适反应媒质,可以通过接枝、聚合、交联沉积等方式制备具有低表面能的薄膜,或利用刻蚀作用构造微纳米级“荷叶型”粗糙结构,为绝缘材料表面润湿性调控提供了可行性。

沿面闪络电压

在高压绝缘系统中,闪络通常会对电力设备造成严重的损坏,而闪络与表面电荷迁移特性有较大的关联。等离子体表面改性可以通过改变表面粗糙度改变电子爬电距离,同时引入化学官能团等方式在材料表面调控陷阱分布,从而改善沿面绝缘性能。

等离子体改性纳米复合绝缘

近些年,大气压等离子体在纳米颗粒表面修饰、优化复合绝缘的电-热-力综合性能方面,也展现出极大的潜力。等离子体处理颗粒可以通过改变其表面化学成分和物理形貌,增加表面的极性官能团和粗糙度,从而改善了粉末与树脂基体之间的界面结合力和浸润性,增强填充型复合材料的绝缘性能。

面向绝缘材料对表面耐电、耐候等综合性能优化提升的切实需求,发展新型的绝缘材料表面改性及性能提升技术具有十分重要的意义。低温等离子体技术因其高反应活性、处理效果可控、绿色无污染等特点,在材料表面改性领域展现出独特优势。