一种具有高沿面闪络电压的真空绝缘陶瓷及其制备方法

本发明属于绝缘陶瓷材料制备，具体涉及一种应用于高脉冲功率系统中具有高沿面闪络电压的真空绝缘陶瓷及其制备方法。

背景技术：

1、脉冲功率技术是通过长时储能(数秒-数分钟)、短时(数纳秒-百纳秒)释放的方式对能量在时间上进行压缩，以实现高的峰值功率(gw-100tw)，进而完成强流粒子加速、高能等离子体产生及超强激光激发等过程的技术。目前已逐渐成为大型科学装置的基础技术，广泛被应用于闪光x射线照相、等离子体物理与受控核聚变、强流电子束、强电磁脉冲、高功率微波、强激光等研究领域。其中，真空绝缘材料是指能够在真空环境中耐受高电压(百kv-mv)的固态绝缘介质材料，作为真空绝缘子在脉冲功率系统中发挥着重要的支撑与电压隔绝作用，它伴随脉冲功率技术的快速发展而发展。然而，由于真空沿面闪络(真空沿面闪络是发生在绝缘体与真空界面上的一种贯穿性放电现象，当绝缘介质与真空构成高电压绝缘系统，且在此高电压绝缘系统的两端作用的电压升高到一定的数值时，绝缘介质与真空的接触面上会先发生放电现象。当作用电压继续升高，表面放电现象会形成传导通道，进而引发贯穿性的击穿，此过程就称为沿面闪络)的存在，固态绝缘材料在较低的电压下就会发生沿材料表面的击穿放电，放电击穿引起的表面烧蚀、碳化会造成绝缘材料失效，严重时将影响装置运行的稳定性。因此，真空绝缘材料较低的沿面耐压水平已成为限制脉冲功率技术发展的瓶颈。研发高沿面耐压的真空绝缘材料，是适应脉冲功率技术快速发展的关键。

2、目前，真空绝缘领域所采用的绝缘材料可分为聚合物绝缘材料与陶瓷绝缘材料两大类。常用的聚合物绝缘材料主要包括有机玻璃、聚四氟乙烯、环氧树脂、聚丙烯树脂、聚酰亚胺、聚苯乙烯等。除聚四氟乙烯的沿面耐压强度略高外，多数绝缘聚合物在表面状态一致(粗糙度、表面微结构等)的情况下，真空沿面耐压强度相差基本在20％以内。因此，在器件设计中，更多考虑的是其力学性能、耐热性能等工程应用参数。聚合物绝缘材料在真空中使用时，一般都需经过一定的表面改性处理或体相掺杂处理以提升其沿面耐压性能。在工程应用上，聚合物材料易于大尺寸成型，在大型脉冲功率装置的绝缘系统中应用较为广泛。但是，聚合物存在释气率、透气率高等问题，导致密封性能差，且聚合物绝缘材料的耐温性能较差。陶瓷绝缘材料具有低透气率和低释气率的特性，能够与其它材料焊接从而实现密封封装；此外，陶瓷绝缘材料独特的耐高温性能，使其能够适应高温服役环境。这是陶瓷绝缘材料相比于聚合物绝缘材料的极大优势。

3、当前，真空绝缘陶瓷的应用和研究主要是以氧化铝为主，氧化铝在纯度较高时，其二次电子发射系数为4-6，但在烧结过程中一般会加入氧化镁作为烧结助剂，该氧化物烧结助剂具有更高的二次电子发射系数(9-10)，造成目前氧化铝陶瓷的二次电子发射系数达到8-9。此外，氧化铝是离子晶体陶瓷，表面具有较高的极性，会吸附大量的气体分子，从而造成表面在电子轰击下产生较多的气体释放，在较低的电压下发生沿面击穿。因此，目前通常使用的氧化铝陶瓷绝缘材料的沿面耐压阈值较低，难以满足实际应用需求。采用市售纯氧化铝陶瓷进行沿面闪络耐压测试，发现测试过程中极易发生沿面击穿，因而未测得沿面闪络电压(低于该设备测试沿面闪络电压的最小值32kv/cm)。研究人员通过对氧化铝陶瓷进行成分调控，添加少量氧化镁和氧化钛，其沿面闪络电压提高至35.98kv/cm，但仍与实际需求相差较大。氮化硅(si3n4)陶瓷是共价键晶体材料，其表面能低，气体吸附量少，二次电子发射系数低，体击穿强度高，同时具有很好的高温稳定性和化学稳定性，但目前本领域习惯性以氧化铝陶瓷作为真空绝缘陶瓷，尚未发现氮化硅陶瓷优异的沿面闪络性能，且与氧化铝陶瓷相比，氮化硅陶瓷的工业化程度不高、生产企业较少、成本较高，因而目前对氮化硅陶瓷的沿面闪络性能研究涉及极少。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有高沿面闪络电压的真空绝缘陶瓷及其制备方法和应用，能够制备出可以替代氧化铝真空绝缘陶瓷的具有高沿面闪络电压的si3n4绝缘陶瓷，这种si3n4绝缘陶瓷具有低二次电子发射系数、高沿面闪络电压，同时其力学性能优异，抗击穿电压高。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开了一种具有高沿面闪络电压的真空绝缘陶瓷的制备方法，原料包括si3n4粉体、sio2粉体和y2o3粉体，其中以si3n4粉体为主要原料，以sio2粉体和y2o3粉体为烧结助剂，通过配料、混料、烘干、过筛以及烧结得到致密si3n4陶瓷。

4、进一步地，该制备方法包括：以si3n4粉末为原料，添加sio2和y2o3作为烧结助剂，在氮气气氛中热压烧结，烧结温度为1700-1800℃，烧结压力为30mpa，制得致密si3n4陶瓷，即具有高沿面闪络电压的真空绝缘陶瓷。

5、进一步地，si3n4粉末包括但不限于微米粉。

6、进一步地，sio2粉末包括但不限于纳米粉。

7、进一步地，y2o3粉末包括但不限于纳米粉。

8、进一步地，烧结助剂的总含量占原料与烧结助剂总质量的5％-30％。

9、进一步地，在热压烧结过程中，1000℃以下保持真空状态，温度大于1000℃时充入氮气20kpa保持微正压。

10、进一步地，在热压烧结过程中，温度大于1000℃时向粉末施加30mpa压力。

11、本发明公开的具有高沿面闪络电压的真空绝缘陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

12、1)配料，按si3n4粉：sio2粉：y2o3粉＝(70-95)：(3-18)：(2-12)的质量比进行配料；

13、2)混料，将步骤1)的原料球磨混合均匀；

14、3)过筛，将步骤2)混合均匀后的混料干燥后过200目筛；

15、4)烧结，在氮气气氛下进行热压烧结制备得到致密si3n4陶瓷；其中，烧结温度为1700-1800℃，保温时间为1小时，氮气压力为20kpa，烧结过程中对粉末施加压力30mpa压力。

16、进一步地，步骤1)中，si3n4粉末的质量占总质量的70％～95％；sio2和y2o3占总质量的5％～30％；

17、更进一步地，添加12％sio2和8％y2o3作为烧结助剂。

18、进一步地，步骤3)中干燥采用烘干，烘干温度为80℃。

19、进一步地，步骤4)烧结完成后，还包括操作：将烧结后的致密si3n4陶瓷通过机械加工成符合标准的圆柱形样件。

20、本发明还公开了采用上述的制备方法制得的具有高沿面闪络电压的真空绝缘陶瓷，该具有高沿面闪络电压的真空绝缘陶瓷由si3n4相和si2n2o相组成。

21、优选地，该具有高沿面闪络电压的真空绝缘陶瓷的二次电子发射系数介于2.41-2.66，初次闪络电压介于39.68-58.24kv/cm，条件闪络电压介于48.67-77.76kv/cm。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

23、本发明为了解决现有技术中氧化铝绝缘陶瓷材料(al2o3)沿面闪络电压较低的问题，首次将氮化硅作为真空绝缘陶瓷材料的主料来替代现有的氧化铝材料，同时选用具有低二次电子发射系数的氧化物为烧结助剂，制备获得致密si3n4陶瓷绝缘材料，该陶瓷绝缘材料的二次电子发射系数显著降低，较低的二次电子发射系数可以显著提高沿面闪络电压。与现有绝缘陶瓷材料相比，本发明提出的方法能够显著地提高绝缘陶瓷的脉冲下真空沿面闪络电压，且可以进行大尺寸样件制备，力学性能优异，适用范围更加广泛。

24、进一步地，本发明中添加总重量20％的烧结助剂(sio2:y2o3＝12％:8％)对si3n4绝缘陶瓷的沿面闪络电压提升程度最高，结果显示：脉冲电压下试样的首次闪络电压和条件闪络电压分别达到58.24kv/cm和77.76kv/cm。