I. Den "primära boven" för isolatorn motstår spänningsförsämring: Ytöverslagsfenomen
Aluminiumoxidisolatorer fungerar samtidigt som elektrisk isolering och mekaniska stödfunktioner i hög-effektutrustning och hög-vakuum/elektriska vakuumenheter, vilket gör dem till oumbärliga nyckelkomponenter. Men under förhållanden med högt vakuum och hög fältstyrka ligger flaskhalsen i motstå spänning ofta inte i bulkmaterialet utan i ytprocesser – det mest typiska är yturladdningsnedbrytning (dvs. ytöverslag). Ytöverslag hänvisar till fenomenet där, under ett starkt elektriskt fält, ytan på en fast isolator och dess intilliggande medium (gas/vätska; i vakuum, åtföljd av ytdesorberad gas och elektronemission) blir joniserad eller ledande. En urladdningskanal utvecklas längs den fasta ytan, spänner över elektrodgapet och leder till slut till genombrott och isoleringsfel. Detta fenomen försvagar inte bara avsevärt motståndsspänningen och drifttillförlitligheten hos hög-dielektrisk utrustning, vilket orsakar potentiella ekonomiska förluster, utan fungerar också som en kärnflaskhals som begränsar kompaktheten och miniatyriseringen av solida isolatorer. Ur ett tröskeljämförelseperspektiv är initieringsspänningen/fältstyrkan för ytöverslag typiskt mycket lägre än nedbrytningsnivån för bulknedbrytning eller rena dielektriska gap. Till exempel: när vakuum används som isoleringsmedium är den kritiska nedbrytningsfältstyrkan cirka 35 kV/mm; för aluminiumoxidkeramik som bulkisoleringsmedium är den kritiska volymnedbrytningsfältstyrkan i allmänhet 30–40 kV/mm; medan i ett vakuumisoleringssystem av aluminiumoxid, når den applicerade fältstyrkan ofta bara en-del av dessa kritiska värden innan den utlöser ytöverslag på isolatorn, vilket potentiellt kan orsaka lokal skada på Al₂O₃-ytan.
II. Faktorer som påverkar ytöverslagsspänning
Forskning visar att de faktorer som påverkar ytövertändning i första hand inkluderar: vågform och amplitud av det applicerade elektriska fältet, vakuumnivå och restgassammansättning, elektrodstruktur och material, isolatorgeometri och dimensioner, isolatormaterial och ytegenskaper (råhet, renhet, adsorption/kontamination, beläggning), för{0}}för{0}}såsom föruppladdning och ytgaser, samt ytuppladdning och ytgas. adsorption. Ur ett materialforskningsperspektiv läggs fokus på sammansättning, form och ytegenskaper hos keramik som används i vakuumelektronik. Viktiga elektriska parametrar som påverkar ytöverslag inkluderar dielektrisk konstant ε, elektrisk konduktivitet σ och sekundär elektronemissionskoefficient δ (SEE). I allmänhet: ① En högre dielektricitetskonstant tenderar att förstärka distorsion av elektriskt fält vid trippelövergången elektrod–isolator–vakuum, vilket sänker ytöverslagströskeln. ② Inom ett lämpligt område accelererar ökad ytledningsförmåga avledning av ytladdning och förhindrar initiering, men överdrivet hög konduktivitet ökar läckströmmen och kan leda till termisk instabilitet, vilket är skadligt för att motstå spänning. ③ Enligt SEEA-modellen undertrycker en minskning av ytsekundära elektronemissionskoefficienten elektronmultiplikation och ökar därigenom ytöverslagsspänningen.
Angående SEEA-modellen (SEE-baserad urladdningsmekanism): Modellen för sekundär elektronemissionslavin (SEEA) föreslogs först av de amerikanska forskarna Anderson och Brainard. Denna modell antyder att under en pålagd hög spänning får initiala elektroner som emitteras från elektrod-isolator-vakuum trippelövergång energi, accelereras och bombarderar isolatorytan. När energin hos dessa påverkande elektroner når ett visst tröskelvärde sker sekundär elektronemission, vilket samtidigt lämnar positiva laddningar på isolatorytan. Dessa sekundära elektroner, under påverkan av det elektriska fältet, bombarderar återigen isolatorytan och genererar fler sekundära elektroner. Denna process upprepas, vilket i slutändan leder till en sekundär elektronlavin.
III. Ytöverslagsdämpningstekniker för aluminiumoxidkeramik
Nyckeln till att förbättra isoleringsprestandan hos fasta isoleringsmaterial ligger i att bibehålla bulkisoleringsegenskaperna samtidigt som man strävar efter att förbättra ytöverslagsspänningen. Baserat på befintliga mekanismer delas huvudvägarna för förbättring in i två kategorier: ① Minska ytsekundära elektronemissionskoefficienten δ för att undertrycka elektronmultiplikation; ② Utforma ytresistiviteten inom ett lämpligt fönster för att påskynda avledning av ytladdning och därigenom undvika överdriven lokal fältkoncentration och termisk instabilitet. Parallellt med dessa två tillvägagångssätt för "elektriska materialparametrar" använder ingenjörsteknik ofta en kompletterande uppsättning styråtgärder för geometri/fältfördelning för att minska den trippel-korsningsfältstyrkan och fördröjningskanalbildningen. Till exempel kan bearbetning av periodiska korrugeringar (eller spår) på ytan av aluminiumoxidkeramiska isolatorer öka krypavståndet, jämna ut ekvipotentiallinjer, minska den tangentiella fältstyrkan vid trippelövergången utan att öka yttre dimensioner, samtidigt som elektronreturvägarna avbryts och den effektiva SEE-förstärkningen reduceras, vilket fördröjer ytans överspänningskanalbildning och fördröjer överspänningskanalen. Korrugeringarnas toppar bör vara rundade för att undvika att införa lokal fältförstärkning vid nya skarpa kanter.