学术简报｜低温等离子体表面改性电极材料对液体电介质电荷注入的影响

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摘要

重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室、中国科学院电工研究所的研究人员吴世林、杨庆、邵涛，在2019年第16期《电工技术学报》上撰文指出，在强电场作用下电极材料向液体电介质注入一定量的空间电荷，会造成电场畸变，影响液体电介质绝缘性能。

为了探究低温等离子体改性电极对液体电介质绝缘性能的影响，采用真空溅射镀膜法分别对铝、铜和不锈钢三种电极材料溅射TiO2对其表面进行改性，测试改性前后液体电介质的击穿电压，并利用Kerr电光效应测量了改性前后三种电极材料向液体电介质注入空间电荷的分布情况。

结果表明，在铝、铜和不锈钢三种电极材料表面改性后，液体电介质的击穿电压有明显的提高，提升幅度依次分别为6.7%、4.1%和9.0%。溅射的TiO2膜增加了铝和铜电极表面屏蔽层，削弱了阴极的电场畸变，导致注入液体空间电荷量的降低；其次溅射过程中产生的粒子撞击电极改变了电极表面的微观结构，不锈钢电极下液体电介质形成了双极电荷注入。

液体电介质具有较高的击穿强度，良好的绝缘恢复特性和散热特性，因此广泛地应用于电力设备。近年来，输电电压等级不断提高，对液体电介质击穿性能的要求也越来越高，液体电介质的绝缘性能对于电力系统的安全稳定运行具有重要意义。

目前国内外大多数学者也从不同的方面对提高液体绝缘性能进行了大量的研究。影响液体绝缘性能的关键在于液体本身的性质以及液体中空间电荷的影响两个方面因素，而空间电荷的影响则制约了电介质的耐压强度。空间电荷对绝缘性能的影响主要是从电荷的注入和电荷的转移两方面体现。

一方面，大多数学者通过对液体本身性能的改变来提高液体的击穿强度，如Zou P. 等利用纳米粒子改性液体电介质，研究发现纳米粒子作用能够引入势阱，捕获快速移动的电子从而抑制流注的发展，提高液体的绝缘性能。但是纳米颗粒易沉积，很难形成稳定的纳米流体应用于电力系统中。

另一方面，许多学者从电极材料入手，抑制电极向液体注入空间电荷从而提高其绝缘性能。研究发现电极材料不同时，高纯水、硝基苯以及变压器油等电荷注入有差别，选用合适的电极材料能够抑制电荷注入，从而提高液体的绝缘性能。因此对电极材料进行合适的改性能够抑制其电荷注入的能力，从而实现对液体绝缘性能的改善。

低温等离子体技术在材料改性方面得到广泛的应用，有研究表明通过表面改性技术改变绝缘材料表面化学特性及物理形貌能够抑制表面电荷积聚，进而提升绝缘材料的耐压特性。

• 何金良等利用高真空磁控溅射在环氧树脂表面溅射Cr2O3薄膜，从而抑制电极注入电荷量并且减少表面电荷能级；

• 赵文博、郝春成等使用溅射镀膜法在纯铜片上溅射金属Mo，发现注入XLPE内的空间电荷量减少，溅射电压为440V时，XLPE内部几乎没有空间电荷积聚，镀Mo后，随着溅射电压的升高，被陷阱捕获的空间电荷量逐渐减小。

• 邵涛、王瑞雪等利用介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge, DBD）等离子体对绝缘材料表面进行氟化处理和类SiO2薄膜沉积，可提高沿面闪络电压；采用弥散放电处理铜金属表面后再沉积TiO2薄膜，能够抑制微放电。

因此，利用低温等离子体对电极材料进行表面改性有待进一步深入研究，进而探究电极向液体电介质空间电荷注入行为，以及其对提高液体绝缘性能的影响机制。

Kerr电光效应是通过光学手段获取液体在外加电场下形成双折射的光波相位差信息，以获取液体中电场及空间电荷的分布特性，具有测量精度高、响应速度快、能有效避免电磁干扰等优点。TiO2是一种过渡金属氧化物，TiO2膜具有高折射率、优良的电学特性、高化学稳定性，也是一种宽禁带无机半导体材料，具有较高的功函数，适合作为本文研究抑制电荷注入的介质薄膜。磁控溅射TiO2所用的设备简单，易于控制且重复性相当好，又能在低温下制备结晶良好的薄膜，在材料改性中的应用相当广泛。 

本文选用无色无味、Kerr系数大的碳酸丙烯酯作为液体电介质，分别对铜、铝、不锈钢三种电极材料进行低温等离子体表面改性，采用真空磁控溅射镀膜法对三种电极材料溅射TiO2膜，实验测量电极改性前后液体的击穿强度，并利用Kerr效应法测量改性前后液体的电场和注入空间电荷的分布，根据测量结果对低温等离子体对电极表面改性抑制电荷注入的影响机理进行了分析，为提高液体电介质绝缘性能提供新思路。

图1  磁控溅射实验示意图

图2  测量液体电介质中击穿电压和空间电荷的实验装置

总结

本文采用了溅射镀膜法对铝、铜和不锈钢三种电极材料溅射TiO2膜进行表面改性，对电极表面改性前后在碳酸丙烯酯液体中进行了冲击击穿实验和空间电荷测量实验，并且用SEM测试了电极改性前后的表面形貌。

实验结果表明：铜、铝和不锈钢三种电极在表面改性后，液体的击穿电压都有所提升，其中铝电极下液体的击穿电压提高了6.7%，铜电极下提高了4.1%，不锈钢电极下提高了9.0%；同时，在表面改性后，铝和不锈钢电极的电场畸变程度有所下降，空间电荷量在极板的分布有不同程度下降，空间电荷的注入受到抑制，对于不锈钢电极阴极的电荷量增加，由单极正电荷注入变成了双极电荷注入。

这归功于以下原因：电极表面溅射TiO2膜增加了表面屏蔽层，削弱了阴极的电场畸变，导致空间电荷量的降低；其次，溅射过程中产生的电子撞击电极改变了电极表面的微观结构，导致不锈钢功函数有所降低，形成了双极电荷注入，因此不锈钢的击穿电压得到提升。

本文利用低温等离子体对电极表面进行改性，对电极向液体电介质注入的空间电荷产生了影响，从而提高液体的击穿性能，推广了等离子体改性技术的应用领域，也为提高液体绝缘性能提供了新思路。

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