I. Il "principale colpevole" della resistenza dell'isolante al degrado della tensione: il fenomeno del flashover superficiale
Gli isolanti in allumina svolgono contemporaneamente funzioni di isolamento elettrico e supporto meccanico in apparecchiature ad alta-potenza e dispositivi ad alto-vuoto/vuoto elettrico, rendendoli componenti chiave indispensabili. Tuttavia, in condizioni di alto vuoto e di elevata intensità di campo, il collo di bottiglia nella tensione di tenuta spesso non risiede nel materiale sfuso ma nei processi superficiali, il più tipico dei quali è la rottura da scarica superficiale (ovvero, flashover superficiale). Il flashover superficiale si riferisce al fenomeno in cui, sotto un forte campo elettrico, la superficie di un isolante solido e il suo mezzo adiacente (gas/liquido; nel vuoto, accompagnato da gas desorbito superficiale ed emissione di elettroni) diventano ionizzati o conduttivi. Un canale di scarica si sviluppa lungo la superficie solida, attraversa lo spazio tra gli elettrodi e alla fine provoca la rottura e il guasto dell'isolamento. Questo fenomeno non solo indebolisce in modo significativo la tensione di resistenza e l'affidabilità operativa delle apparecchiature dielettriche ad alta-tensione, causando potenziali perdite economiche, ma costituisce anche un collo di bottiglia che limita la compattezza e la miniaturizzazione degli isolanti solidi. Dal punto di vista del confronto delle soglie, la tensione di innesco/intensità del campo per il flashover superficiale è in genere molto inferiore al livello di rottura per la rottura di massa o per i gap dielettrici puri. Ad esempio: quando si utilizza il vuoto come mezzo isolante, l'intensità critica del campo di rottura è di circa 35 kV/mm; per la ceramica di allumina come mezzo isolante sfuso, l'intensità di campo di rottura del volume critico è generalmente 30–40 kV/mm; mentre in un sistema di isolamento sotto vuoto di allumina-, l'intensità del campo applicato spesso raggiunge solo un-decimo o una frazione di questi valori critici prima di innescare un flashover superficiale sull'isolante, causando potenzialmente anche danni locali alla superficie di Al₂O₃.
II. Fattori che influenzano la tensione di flashover superficiale
La ricerca indica che i fattori che influenzano il flashover superficiale includono principalmente: forma d'onda e ampiezza del campo elettrico applicato, livello di vuoto e composizione del gas residuo, struttura e materiale dell'elettrodo, geometria e dimensioni dell'isolante, materiale isolante e caratteristiche della superficie (rugosità, pulizia, adsorbimento/contaminazione, rivestimento), pre-scarica/cottura e altri pretrattamenti, nonché stato di carica superficiale e adsorbimento di gas superficiale. Dal punto di vista della ricerca sui materiali, l'attenzione è posta sulla composizione, la forma e le caratteristiche superficiali della ceramica utilizzata nell'elettronica del vuoto. I parametri elettrici chiave che influenzano il flashover superficiale includono la costante dielettrica ε, la conduttività elettrica σ e il coefficiente di emissione di elettroni secondari δ (SEE). In generale: ① Una costante dielettrica più elevata tende ad aumentare la distorsione del campo elettrico nella tripla giunzione elettrodo-isolante-vuoto, abbassando la soglia di flashover superficiale. ② Entro un intervallo appropriato, una maggiore conduttività superficiale accelera la dissipazione della carica superficiale e inibisce l'innesco, ma una conduttività eccessivamente elevata aumenta la corrente di dispersione e può portare all'instabilità termica, che è dannosa per la resistenza alla tensione. ③ Secondo il modello SEEA, la riduzione del coefficiente di emissione degli elettroni secondari superficiali sopprime la moltiplicazione degli elettroni, aumentando così la tensione di flashover superficiale.
Per quanto riguarda il modello SEEA (modello del meccanismo di scarica basato sul SEE-): il modello della valanga di emissione di elettroni secondari (SEEA) è stato proposto per la prima volta dagli studiosi americani Anderson e Brainard. Questo modello suggerisce che sotto un’alta tensione applicata, gli elettroni iniziali emessi dalla tripla giunzione elettrodo-isolante-vuoto guadagnano energia, vengono accelerati e bombardano la superficie dell’isolante. Quando l'energia di questi elettroni impattanti raggiunge una certa soglia, si verifica l'emissione di elettroni secondari, lasciando contemporaneamente cariche positive sulla superficie dell'isolante. Questi elettroni secondari, sotto l'influenza del campo elettrico, bombardano nuovamente la superficie dell'isolante, generando più elettroni secondari. Questo processo si ripete, portando infine a una valanga di elettroni secondaria.
III. Tecniche di soppressione del flashover superficiale per ceramiche di allumina
La chiave per migliorare le prestazioni di isolamento dei materiali isolanti solidi risiede nel mantenere le proprietà di isolamento complessivo cercando al contempo di migliorare la tensione di scarica superficiale. Sulla base dei meccanismi esistenti, i principali percorsi di miglioramento rientrano in due categorie: ① Ridurre il coefficiente di emissione di elettroni secondari superficiali δ per sopprimere la moltiplicazione degli elettroni; ② Progettare la resistività superficiale all'interno di una finestra adatta per accelerare la dissipazione della carica superficiale, evitando così un'eccessiva concentrazione di campo locale e instabilità termica. Parallelamente a questi due approcci basati sui "parametri elettrici del materiale", l'ingegneria spesso impiega una serie complementare di misure di controllo della geometria/distribuzione del campo per ridurre l'intensità del campo della tripla-giunzione e ritardare la formazione dei canali. Ad esempio, la lavorazione di ondulazioni periodiche (o scanalature) sulla superficie degli isolanti ceramici di allumina può aumentare la distanza di dispersione, attenuare le linee equipotenziali, ridurre l'intensità del campo tangenziale alla tripla giunzione senza aumentare le dimensioni esterne, interrompendo anche i percorsi di ritorno degli elettroni e riducendo l'effettivo guadagno SEE, ritardando così la formazione del canale e aumentando la tensione di flashover superficiale. Le creste delle ondulazioni dovrebbero essere arrotondate per evitare di introdurre un miglioramento del campo locale in corrispondenza di nuovi spigoli vivi.