為了提高聚酰亞胺材料(PI)在復雜工程環境下的可靠性，實驗研究了真空電子輻射下PI 的直流沿面閃絡特性，并采用熱刺激電流(TSC)法測試輻射前后試樣的陷阱參數。結果表明，當輻射電子能量在0.5~20 keV 范圍內時，試樣表面的閃絡電壓高于無輻射情況下的閃絡電壓；電子能量越高，介質表面正電荷密度和相對介電常數越小，陷阱深度增大，表面電場均衡性有所提高，因此閃絡電壓越高；在輻射電子能量不變情況下，束流密度越大，初始電子數越多，泄漏電流越大，則閃絡電壓越低。

　　引言

　　聚酰亞胺(polyimide, PI)是一種具有良好耐輻射、耐高低溫、抗電暈腐蝕性能的優良電氣絕緣材料，在航空航天工業、電力系統絕緣、航海電氣設備結構、微電子及其他精密機械方面均得到了廣泛應用。應用于航天器的PI 材料不僅受到原子氧腐蝕、強紫外線輻射、高低溫轉換等復雜條件的考驗，在空間各種帶電粒子的輻射下還會產生表面和深層帶電現象，最終引發介質材料靜電放電現象。在空間復雜輻射環境中，絕緣介質表面在極低直流電場下發生沿面閃絡現象，這是當前發展高電壓、大功率航天器所面臨的一個瓶頸。

　　近幾年，學術界提出了多種真空中固體介質沿面閃絡放電機理模型，國際上較認可的是二次電子發射雪崩(secondary electron emission avalanche, SEEA)模型。SEEA 模型認為，外加電場下由三結合點處(陰極末端、真空、介質表面三者結合處)場致發射初始電子并轟擊介質表面引起二次電子發射；產生的二次電子在向陽極運動的過程中碰撞介質表面引起電子增殖過程，進而產生電子崩；電子刺激引起表面吸附氣體解吸附并發生電離，進而引發閃絡。另一著名模型為電子觸發極化松弛(electron triggered polarization relaxation,ETPR)模型。該模型認為，介質中的陷阱電荷在電場作用下極化后積聚能量，由于介質材料不均勻且存在缺陷，使得空間電荷在外界擾動情況下發生電荷脫陷和介質去極化現象，進而引發閃絡。國內學者也進行了大量研究，西安交通大學的張冠軍等人提出閃絡過程由材料體內和體外2 個過程共同作用，并闡述了表面狀態對閃絡具有重大影響。華北電力大學的丁立健等人提出了基于微放電的絕緣子沿面閃絡發展模型。

　　然而，由于空間環境的復雜性，介質材料在輻射環境下的表面放電特性遠比大氣環境下和純粹真空下的復雜，上述理論也只介紹了空間環境下影響介質材料表面閃絡電壓的諸多因素中的1種或2種，對于其他因素，國外學者已經進行了一些相關方面的研究。但由于技術競爭和保密等因素，近年來國際上與此相關的公開文獻極少，且公開文獻與本文所得研究結果有些不同；而國內目前尚未檢索到相關方面的研究成果。

　　本文采用電子槍模擬空間環境中的低能電子輻射，研究電子能量、束流密度、試樣表面陷阱能級、陷阱密度以及聚合物表面交聯和脫氣對真空直流沿面閃絡電壓的影響規律，獲得了一些有價值的實驗規律和數據。目前尚未檢索到與本文研究相似的國內外文獻。

　　1、實驗

　　1.1、試樣制備

　　本研究采用中值粒徑為50 μm 的SKPI-MS30型PI 模塑粉；先將模塑粉在200 ℃鼓風干燥箱里面干燥2 h 后，取適量粉末放入內徑為100 mm 的模具中冷壓成型，成型壓力范圍為10~15 MPa，成型時間范圍為15~20 s；脫模取出試樣后采用高溫高壓成型工藝得到厚度為1 mm 的純PI 試樣。

　　將制作好的試樣先用無水乙醇清洗后，再放入超聲振蕩器中用去離子水清洗30 min，然后將其放入真空溫箱中(真空度10 Pa、溫度約120 ℃)進行脫氣處理24 h，最后在干燥皿中靜置12 h。將處理完畢的試樣用離子濺射儀冷濺射2 個間隔1 mm、直徑20 mm、厚度約0.1 μm 的金膜薄電極。

　　1.2、實驗裝置

　　本實驗在高真空(極限真空度10^-5 Pa)高壓(DC，0~−40 kV)電子輻射介質放電實驗系統中進行。試樣直徑為100 mm，厚度為1 mm；電極直徑為20 mm，厚度為1 μm。采用德國STAIB 公司的EFGH40EFGH40-20W 型電子槍(能量范圍0~40 keV、束流在1~500 μA 范圍內連續可調)。測量裝置采用1 000:1 電阻分壓器和示波器，陽極通過1 個50 Ω 的無感電阻接地，閃絡電流通過示波器采集到的無感電阻上的電壓信號換算得出，該實驗系統示意圖見圖1。

圖1 實驗系統示意圖

　　1.3、實驗方案

　　1)真空DC 擊穿實驗

　　在真空度優于5×10^-4 Pa 的真空腔內連續閃絡直到穩定，加壓梯度為100 V/s，相鄰2 次閃絡時間間隔設定為30 s。

　　2)電子輻射環境下的表面DC 擊穿實驗

　　電子束能量分別取0.5、1、5、10、20 keV，每個電子能量下取5 組不同束流密度，分別為0.175、0.35、1.05、1.75、3.5 μA/cm2(因設備實際功能所限，在0.5 keV 和1 keV電子束能量時只取0.175 μA/cm2和0.35 μA/cm2 2 組束流密度)。每次輻射300 s 后開始負極性直流沿面擊穿實驗，實驗過程中電子束能量從低到高調節，負極性直流電源升壓梯度方式與無輻射時相同。

　　3)測量輻射前、后在干燥皿中(20 ℃)靜置12h 后試樣的介電常數。

　　4)測量介質表面泄漏電流

　　為避免流經試樣內部體電流的干擾，采用GB/T1410—2006/IEC 60093:1980 中推薦的3 電極系統，電壓采用1 kV 直流電壓，測量電極與高壓電極間隙為2 mm，如圖2 所示。

圖2 表面泄漏電流測量原理圖

　　4、結論

　　1)有電子輻射時的真空直流沿面閃絡電壓高于無輻射情況下的閃絡電壓(當輻射能量為10 keV時，其閃絡電壓比無輻射時提高了87%)；輻射電子能量越高，PI 材料沿面閃絡電壓越大；電子束流密度越大，PI 材料沿面閃絡電壓越小(當輻射能量為10 keV時，1.75 μA/cm2 束流密度下的閃絡電壓值比0.35μA/cm2 束流密度下的閃絡電壓值降低了18%)。

　　2)隨著電子束輻射能量的增加，介質表面正電荷密度和相對介電常數減小，陷阱深度增大，表面電場均衡性有所提高，這是沿面閃絡電壓增大的主要原因。

　　3)隨著電子輻射束流密度的增大，電場發生畸變，初始電子數和氣體解吸附量增加，進而促進了閃絡發展，降低了沿面放電電壓。