一种基于3D打印的绝缘子及其制备方法和应用技术

本申请公开了一种基于3D打印的绝缘子及其制备方法和应用，属于高电压绝缘技术领域。所述绝缘子采用绝缘介质并通过3D打印制备得到，所述绝缘子在第一表面上开设有多个通孔，且所述绝缘子内部设置有空腔，多个所述通孔均与所述空腔连通，所述第一表面为沿电场的表面。该绝缘子的沿电场的表面开设有多个通孔，闪络过程中电子穿过通孔进入至空腔内，进入空腔的电子在空腔底面激发的电子很难穿过通孔而返回至绝缘子表面，从而使得该绝缘子具有更好的表面二次电子崩抑制效果和更高的真空沿面耐电强度。面耐电强度。面耐电强度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印的绝缘子及其制备方法和应用


[0001]本申请涉及一种基于3D打印的绝缘子及其制备方法和应用，属于高电压绝缘


技术介绍

[0002]固体绝缘子是真空绝缘系统中不可或缺的关键部件，主要起到隔离高低电位以及机械支撑的作用。然而，真空中绝缘子表面的沿面击穿电压远低于同等间距的真空间隙或材料的体击穿电压，是真空绝缘系统中的薄弱环节，成为制约航天器、脉冲功率装备、高能粒子加速器、半导体制造与加工等装备向大功率、小型化和集成化方向发展的关键技术瓶颈之一。因此，开发具有高真空表面耐电强度的绝缘子对真空绝缘系统相关装备的安全运行、可靠性及性能提升均具有重要意义。
[0003]真空沿面闪络是一种由二次电子崩引发沿固体介质表面低气压等离子体放电的现象，其发展过程可分为起始阶段(阴极场致电子发射)、发展阶段(二次电子倍增)和击穿阶段(气体解吸附电离与击穿)。因此，要提升真空绝缘系统的沿面耐电强度，就必须要抑制闪络过程中的至少一个阶段的发展。基于该理论，国内外研究者提出了众多抑制闪络的方法。
[0004]为了抑制闪络起始的发展，提出了绝缘结构优化、体/表面介电功能梯度材料(functionally graded materials，FGM)等抑制阴极场致电子发射的方法。其中，FGM通过调控绝缘材料介电参数(电导率、介电常数)的空间分布来主动匀化电场，缓解局部电场畸变，达到提升整体耐电强度目的，被认为是最具潜力的方法。然而，尽管做了众多尝试(如叠层法、离心法、柔性浇注及3d打印等)，但FGM的制备仍是FGM工程应用中的亟需解决的技术难题。为抑制闪络的发展阶段，降低二次电子倍增过程，提出了包括基体改性(如纳米复合、化学接枝、分子改性等)和表面处理(如氟化、等离子体处理、复合涂层、镀膜以及表面微结构等)方法。但这些方法大多存在提升效果有限、工艺复杂、不能大批量生产等问题，难以实现大规模的工业化应用。对于抑制闪络的击穿阶段，主要是采用高真空或热处理的方式去除表面吸附的气体，降低击穿阶段的气体解吸附量与电离，这种方法虽然简单，但提升效果较为有限。因此，仍需开发提升效果显著、机械性能好、工艺简单、能大规模制备，适用于实际应用的沿面耐电提升新技术。
[0005]3D打印技术具有无需模具、能够打印异形结构、打印精度高等优势，在高性能绝缘子的制备中展现出巨大的潜力。但3D打印的常规绝缘子结构的沿面耐电强度依然较低，严重阻碍了3D打印技术在电气绝缘领域中的应用。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，提供了一种基于3D打印的绝缘子，该绝缘子的沿电场的表面开设有多个通孔，闪络过程中电子穿过通孔进入至空腔内，进入空腔的电子在空腔底面激发的电子很难穿过通孔而返回至绝缘子表面，从而使得该绝缘子具有更好的表面二次电子
崩抑制效果和更高的真空沿面耐电强度。
[0007]根据本申请的一个方面，提供了一种基于3D打印的绝缘子，所述绝缘子采用绝缘介质并通过3D打印制备得到，所述绝缘子在第一表面上开设有多个通孔，且所述绝缘子内部设置有空腔，多个所述通孔均与所述空腔连通，所述第一表面为沿电场的表面。
[0008]该绝缘子通过3D打印制备得到，制备过程中直接制备获得带有通孔和空腔的绝缘子，将该绝缘子用于电场中，由于绝缘子沿电场的表面设置有通孔，则闪络过程中电子崩中的电子会穿过通孔进入空腔，进入空腔的电子轰击在空腔底面会激发较少的电子，进入空腔的电子具有较低的能量而难以穿过通孔返回绝缘子表面，达到显著抑制电子倍增过程的目的，最终获得具有高沿面耐电强度的绝缘子。
[0009]可选地，所述空腔的深度为1～10mm，优选的，所述空腔的深度为3～5mm。空腔的深度越深，则空腔内的电子越难以返回至绝缘子表面，从而绝缘子的真空沿面耐电强度更高，若空腔的深度大于10mm，则会造成绝缘子机械强度的下降，空腔深度在3～5mm时能够达到最佳的抑制电子倍增效果和维持绝缘子机械强度的效果。
[0010]可选地，所述通孔的开口面积为0.25mm2‑
25mm2，相邻所述通孔的间距为0.5
‑
5mm，所述通孔的深度不大于5mm。通孔的开口面积和相邻通孔的间距结合，既有利于该绝缘子的3D打印加工，确保3D打印后通孔清晰可见，又能够保证电子落入至空腔内，同时防止空腔内的电子再次返回绝缘子表面，进一步提高对电子倍增的抑制效果。若通孔的开口面积过小，则电场的电子会绕过孔行走，导致电子无法进入空腔内，从而无法抑制电子倍增。
[0011]可选地，通孔在第一表面为周期或非周期分布的阵列，所述通孔的形状选自圆形、正方形、长方形、多边形或不规则形状中的任意一种或多种。
[0012]可选地，多个所述通孔的总开口面积占所述第一表面总面积的30
‑
80％。该通孔的总面积占比能够保证大部分的电子落入至空腔内，并且与空腔的深度配合将进入空腔内的电子留在空腔中，实现抑制绝缘子表面闪络过程中电子崩的发展。
[0013]可选地，所述绝缘子为平板型绝缘子或支柱型绝缘子。
[0014]可选地，所述绝缘子的表面和至少所述空腔的底面覆盖有低二次电子发射系数的薄膜。
[0015]闪络过程中电子崩中的电子轰击在具有低二次电子发射系数的空腔底面和绝缘子的表面，能够激发较少的电子，使得电子的数量下降，进一步降低二次电子返回绝缘子表面的概率，达到显著抑制电子倍增的目的，最终获得具有更高沿面耐电强度的绝缘子。
[0016]优选的，所述薄膜的厚度为20
‑
1000nm。该薄膜的厚度能够降低电子激发的概率，若薄膜厚度低于20nm，则对空腔内电子的抑制激发效果不明显，若薄膜的厚度高于1000nm，则薄膜易出现局部脱落，无法保证绝缘子的长期使用。
[0017]可选地，所述薄膜包括金属氧化物、无机非金属或含氟材料中的任意一种或多种。
[0018]优选的，所述薄膜选自氧化铜、氧化钴、氧化锌、氧化铬、氮化钛中的任意一种或多种。这几种材料的制备工艺也相对简单，同时具有更低的二次电子发射系数，对电子激发的抑制作用更为明显。
[0019]更优选的，所述薄膜选自氧化铬和氮化钛，其中氮化钛的在整体薄膜中的占比为10％
‑
15％，该设置下氮化钛能够均匀分散在氧化铬中，形成致密且均一的薄膜，经过多次实验验证，电子轰击在氧化铬和氮化钛上，数量下降最显著，在通孔和空腔的规格相同下，
采用此材质薄膜的绝缘子真空沿面耐电强度达到最高。
[0020]可选地，薄膜的覆膜方法选自磁控溅射、喷涂、原子层沉积、化学气相沉积、物理气相沉积中的任意一种或多种。
[0021]优选的，薄膜的覆膜方法采用磁控溅射，采用磁控溅射的方法制备空腔底面的薄膜层，该方法工艺成熟简单、成本较低，得到的薄膜厚度均匀，薄膜材质的分散性好，且能大规模生产，具有较好的工业化大规模制备的前景。
[0022]可选地，所述3D打印选自立体光固化3D打印(SLA)、激光选取熔融(SLS)、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印的绝缘子，其特征在于，所述绝缘子采用绝缘介质并通过3D打印制备得到，所述绝缘子在第一表面上开设有多个通孔，且所述绝缘子内部设置有空腔，多个所述通孔均与所述空腔连通，所述第一表面为沿电场的表面。2.根据权利要求1所述的基于3D打印的绝缘子，其特征在于，所述空腔的深度为1～10mm。3.根据权利要求1所述的基于3D打印的绝缘子，其特征在于，所述通孔的开口面积为0.25mm2‑
25mm2，相邻所述通孔的间距为0.5
‑
5mm，所述通孔的深度不大于5mm。4.根据权利要求1所述的基于3D打印的绝缘子，其特征在于，多个所述通孔的总开口面积占所述第一表面总面积的30
‑
80％；和/或所述绝缘子为平板型绝缘子或支柱型绝缘子。5.根据权利要求1所述的基于3D打印的绝缘子，其特征在于，所述绝缘子的表面和至少所述空腔的底面覆盖有低二次电子发射系数的薄膜；优选的，所述薄膜的厚度为20
‑
1000nm。6.根据权利要求5所述的基于3D打印的绝缘子，其特征在于，所述薄膜包括金属氧化物、无机非金属或含氟材料中的任意一种或多种；优选的，所述薄膜选自氧化铜、氧化钴、氧化锌、氧化铬、氮化钛中的任意一种或多种。7.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：张冠军，杨雄，宋佰鹏，黄昆，邹方正，连汝慧，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：