I. O "principal culpado" da degradação da tensão suportável do isolador: fenômeno de flashover de superfície
Os isoladores de alumina desempenham simultaneamente funções de isolamento elétrico e de suporte mecânico em equipamentos de alta-potência e dispositivos de alto-vácuo/elétrico, tornando-os componentes-chave indispensáveis. No entanto, sob condições de alto vácuo e alta intensidade de campo, o gargalo na tensão suportável muitas vezes não reside no material a granel, mas em processos de superfície – o mais típico é a ruptura por descarga superficial (isto é, flashover superficial). Flashover de superfície refere-se ao fenômeno onde, sob um forte campo elétrico, a superfície de um isolador sólido e seu meio adjacente (gás/líquido; no vácuo, acompanhado por gás dessorvido na superfície e emissão de elétrons) tornam-se ionizados ou condutores. Um canal de descarga se desenvolve ao longo da superfície sólida, atravessa a lacuna do eletrodo e, por fim, leva à ruptura e à falha do isolamento. Esse fenômeno não apenas enfraquece significativamente a tensão suportável e a confiabilidade operacional de equipamentos dielétricos de alta-tensão, causando possíveis perdas econômicas, mas também serve como um gargalo central que limita a compactação e a miniaturização de isoladores sólidos. De uma perspectiva de comparação de limiar, a tensão de iniciação/intensidade do campo para descarga superficial é normalmente muito inferior ao nível de ruptura para ruptura em massa ou lacunas dielétricas puras. Por exemplo: quando o vácuo é usado como meio isolante, a intensidade crítica do campo de ruptura é de aproximadamente 35 kV/mm; para cerâmica de alumina como meio isolante em massa, a intensidade crítica do campo de ruptura do volume é geralmente de 30–40 kV/mm; enquanto em um sistema de isolamento-a vácuo de alumina, a intensidade do campo aplicada geralmente atinge apenas um-décimo de uma fração desses valores críticos antes de desencadear descargas superficiais no isolador, potencialmente até mesmo causando danos locais à superfície de Al₂O₃.
II. Fatores que influenciam a tensão de descarga superficial
A pesquisa indica que os fatores que afetam a descarga superficial incluem principalmente: forma de onda e amplitude do campo elétrico aplicado, nível de vácuo e composição do gás residual, estrutura e material do eletrodo, geometria e dimensões do isolador, material isolante e características da superfície (rugosidade, limpeza, adsorção/contaminação, revestimento), pré-descarga/cozimento e outros pré-tratamentos, bem como estado de carga superficial e adsorção de gás superficial. Do ponto de vista da pesquisa de materiais, o foco é colocado na composição, forma e características da superfície das cerâmicas usadas na eletrônica de vácuo. Os principais parâmetros elétricos que influenciam a descarga superficial incluem constante dielétrica ε, condutividade elétrica σ e coeficiente de emissão de elétrons secundários δ (SEE). Em geral: ① Uma constante dielétrica mais alta tende a aumentar a distorção do campo elétrico na junção tripla eletrodo-isolante-vácuo, diminuindo o limiar de descarga superficial. ② Dentro de uma faixa apropriada, o aumento da condutividade superficial acelera a dissipação da carga superficial e inibe a iniciação, mas a condutividade excessivamente alta aumenta a corrente de fuga e pode levar à instabilidade térmica, o que é prejudicial para suportar a tensão. ③ De acordo com o modelo SEEA, a redução do coeficiente de emissão de elétrons secundários de superfície suprime a multiplicação de elétrons, aumentando assim a tensão de descarga superficial.
Em relação ao modelo de mecanismo de descarga baseado em SEEA ({0}}SEE): O modelo de avalanche de emissão de elétrons secundários (SEEA) foi proposto pela primeira vez pelos estudiosos americanos Anderson e Brainard. Este modelo sugere que sob uma alta tensão aplicada, os elétrons iniciais emitidos da junção tripla eletrodo-isolante-vácuo ganham energia, são acelerados e bombardeiam a superfície do isolador. Quando a energia desses elétrons impactantes atinge um certo limite, ocorre a emissão de elétrons secundários, deixando simultaneamente cargas positivas na superfície do isolador. Esses elétrons secundários, sob a influência do campo elétrico, bombardeiam novamente a superfície do isolante, gerando mais elétrons secundários. Este processo se repete, levando a uma avalanche de elétrons secundária.
III. Técnicas de supressão de flashover de superfície para cerâmica de alumina
A chave para melhorar o desempenho do isolamento de materiais isolantes sólidos reside na manutenção das propriedades de isolamento em massa, ao mesmo tempo que se esforça para aumentar a tensão de descarga superficial. Com base nos mecanismos existentes, os principais caminhos para melhoria se enquadram em duas categorias: ① Reduzir o coeficiente de emissão de elétrons secundários de superfície δ para suprimir a multiplicação de elétrons; ② Projete a resistividade da superfície dentro de uma janela adequada para acelerar a dissipação da carga superficial, evitando assim a concentração excessiva de campo local e a instabilidade térmica. Paralelamente a essas duas abordagens de "parâmetros elétricos de material", a engenharia geralmente emprega um conjunto complementar de medidas de controle de distribuição de geometria/campo para reduzir a força do campo de junção tripla e a formação de canal de atraso. Por exemplo, a usinagem de corrugações periódicas (ou ranhuras) na superfície de isoladores cerâmicos de alumina pode aumentar a distância de fuga, suavizar as linhas equipotenciais, reduzir a intensidade do campo tangencial na junção tripla sem aumentar as dimensões externas, ao mesmo tempo que interrompe os caminhos de retorno dos elétrons e reduz o ganho SEE efetivo, atrasando assim a formação do canal e aumentando a tensão de descarga superficial. As cristas das ondulações devem ser arredondadas para evitar a introdução de realce de campo local em novas arestas vivas.