I. Den "primære skyldige" til isolatoren tåler spenningsdegradering: Overflateoverslagsfenomen
Alumina-isolatorer fungerer samtidig som elektrisk isolasjon og mekanisk støtte i høy-effektutstyr og høy-vakuum-/elektriske vakuumenheter, noe som gjør dem til uunnværlige nøkkelkomponenter. Imidlertid, under forhold med høyt vakuum og høy feltstyrke, ligger flaskehalsen i motstandsspenning ofte ikke i bulkmaterialet, men i overflateprosesser – det mest typiske er overflateutladningssammenbrudd (dvs. overflateoverslag). Overflateoverslag refererer til fenomenet der, under et sterkt elektrisk felt, overflaten til en solid isolator og dets tilstøtende medium (gass/væske; i vakuum, ledsaget av overflatedesorbert gass og elektronemisjon) blir ionisert eller ledende. En utladningskanal utvikles langs den faste overflaten, spenner over elektrodegapet og fører til slutt til gjennombrudd og isolasjonssvikt. Dette fenomenet svekker ikke bare motstandsspenningen og driftssikkerheten til høyspenningsdielektrisk utstyr betydelig, noe som forårsaker potensielle økonomiske tap, men fungerer også som en kjerneflaskehals som begrenser kompaktheten og miniatyriseringen av solide isolatorer. Fra et terskelsammenligningsperspektiv er initieringsspenningen/feltstyrken for overflateoverslag typisk mye lavere enn sammenbruddsnivået for bulksammenbrudd eller rene dielektriske gap. For eksempel: når vakuum brukes som isolasjonsmedium, er den kritiske nedbrytningsfeltstyrken ca. 35 kV/mm; for alumina keramikk som bulkisolasjonsmedium er den kritiske volumnedbrytningsfeltstyrken vanligvis 30–40 kV/mm; mens i et aluminiumoksydvakuumisolasjonssystem, når den påførte feltstyrken ofte bare en-del av disse kritiske verdiene før den utløser overflateoverslag på isolatoren, og kan til og med forårsake lokal skade på Al₂O₃-overflaten.
II. Faktorer som påvirker overflateoverslagsspenning
Forskning indikerer at faktorene som påvirker overflateoverslag primært inkluderer: bølgeform og amplitude av det påførte elektriske feltet, vakuumnivå og restgasssammensetning, elektrodestruktur og -materiale, isolatorgeometri og dimensjoner, isolatormateriale og overflatekarakteristikker (ruhet, renhet, adsorpsjon/forurensning, belegg), for{0}}for-{0}}forutladning og forutladning og overflategass, samt overflategasser adsorpsjon. Fra et materialforskningsperspektiv settes fokus på sammensetningen, formen og overflateegenskapene til keramikk brukt i vakuumelektronikk. Viktige elektriske parametere som påvirker overflateoverslag inkluderer dielektrisk konstant ε, elektrisk ledningsevne σ og sekundær elektronemisjonskoeffisient δ (SEE). Generelt: ① En høyere dielektrisitetskonstant har en tendens til å øke elektrisk feltforvrengning ved trippelkrysset elektrode-isolator-vakuum, og senke terskelen for overflateoverslag. ② Innenfor et passende område akselererer økt overflateledningsevne spredning av overflatelading og hemmer initiering, men for høy ledningsevne øker lekkasjestrømmen og kan føre til termisk ustabilitet, som er skadelig for å tåle spenning. ③ I følge SEEA-modellen undertrykker reduksjon av den sekundære elektronemisjonskoeffisienten på overflaten elektronmultiplikasjon, og øker dermed overflateoverslagsspenningen.
Når det gjelder SEEA-modellen (SEE-basert utladningsmekanisme): Modellen Secondary Electron Emission Avalanche (SEEA) ble først foreslått av amerikanske forskere Anderson og Brainard. Denne modellen antyder at under en påført høyspenning får innledende elektroner som sendes ut fra elektrode-isolator-vakuum trippelkryss energi, akselereres og bombarderer isolatoroverflaten. Når energien til disse påvirkende elektronene når en viss terskel, oppstår sekundær elektronemisjon, som samtidig etterlater positive ladninger på isolatoroverflaten. Disse sekundære elektronene, under påvirkning av det elektriske feltet, bombarderer igjen isolatoroverflaten og genererer flere sekundære elektroner. Denne prosessen gjentar seg, og fører til slutt til et sekundært elektronskred.
III. Overflateoverslagsdempingsteknikker for alumina-keramikk
Nøkkelen til å forbedre isolasjonsytelsen til solide isolasjonsmaterialer ligger i å opprettholde bulkisolasjonsegenskapene samtidig som man streber etter å forbedre overflateoverslagsspenningen. Basert på eksisterende mekanismer faller hovedveiene for forbedring inn i to kategorier: ① Reduser overflatens sekundære elektronemisjonskoeffisient δ for å undertrykke elektronmultiplikasjon; ② Design overflateresistiviteten innenfor et passende vindu for å akselerere spredning av overflatelading, og unngår derved overdreven lokal feltkonsentrasjon og termisk ustabilitet. Parallelt med disse to "materielle elektriske parametere"-tilnærmingene, bruker ingeniørfaget ofte et komplementært sett med kontrolltiltak for geometri/feltfordeling for å redusere feltstyrken for trippel-kryss og forsinkelseskanaldannelse. For eksempel kan bearbeiding av periodiske korrugeringer (eller riller) på overflaten av keramiske isolatorer av aluminiumoksyd øke krypeavstanden, jevne ut ekvipotensiallinjer, redusere den tangentielle feltstyrken ved trippelkrysset uten å øke ytre dimensjoner, samtidig som den avbryter elektronreturveier og reduserer den effektive SEE-forsterkningen, og dermed forsinker overflatespenningskanalen. Korrugeringenes topper bør være avrundet for å unngå å introdusere lokal feltforsterkning ved nye skarpe kanter.