客户成果丨安徽工业大学《Applied Physics Letters》3D打印具有功能梯度晶格的陶瓷绝缘子二次电子发射特性研究

陶瓷绝缘子广泛应用于各种需要严格真空条件和高电场下运行的电气设备中。陶瓷/真空界面的沿面闪络是限制紧凑化设计和更高电压发展的关键挑战之一。模拟和实验表明，由于种子电子在外加电场的驱动下持续轰击陶瓷表面而产生雪崩，所形成的二次电子倍增效应是导致陶瓷绝缘子电气降低的主要原因。因此，降低陶瓷绝缘子的二次电子产率（SEY）是缓解电子倍增效应的可行方法。激光刻蚀、线嵌、分子自组装、原子层沉积、等离子体沉积等多种方法已被证明能有效地降低陶瓷材料的SEY值。然而，上述方法都需要涉及到陶瓷绝缘子的后处理，并且陶瓷/真空界面所形成的宏观尺度上仍然存在，这就限制了二次电子倍增的抑制效果。

近日，安徽工业大学陈兆权教授联合西安交通大学张冠军教授，带领研究团队开发了一种使用功能梯度晶格结构（FGLS）来调控陶瓷表面二次电子倍增的策略。安徽工业大学王超副教授为论文第一作者，该成果以“Secondary electron emission characteristics of 3D-printed ceramic insulators with functionally graded lattice structures”为题，发表在期刊《Applied Physics Letters》上。

相比初始的块体结构，梯度晶格结构由一个重复单元胞组成的三维开胞结构，周期性和渐变密度的结构特性有效避免了陶瓷/真空界面宏观界面的存在。首先，对二次电子倍增过程进行了PIC-MCC模拟研究。仿真结果表明，电子与FGLS的相互作用阻碍了二次电子雪崩的发生。此外，由于FGLS消除了绝缘子与真空之间的宏观界面，因此在陶瓷表面积累少量正电荷。当介质表面没有FGLS结构时，电子倍增过程迅速发展，导致电子迅速到达阳极，如图1(a)所示。相反，在有FGLS结构的情况下(图1(b) -1 (e)），固体介电介质的离散分布导致其与二次电子的复杂相互作用。准确地说，梯度晶格结构充当了从真空侧到真空侧的“过渡相”固体的一面。频繁发生的碰撞加剧了二次电子的能量损失，增加了逃逸到真空侧或漂移到固体侧的难度。可以注意到，晶格数N的增加使电子的自由程变短，显著减缓了二次电子倍增的发展速度。

图1 电子密度PIC-MCC仿真二维简化模型。(a)传统的介电/真空界面；(b)、(c)、(d)和(e)分别是晶格数N＝8、10、12和14。

为了实验研究FGLS对电子倍增过程的影响，首先设计了具有“Kelvin”型单胞的FGLS。与其他类型的晶格相比，开尔文晶格结构更加规则，内部大多是钝角，这有助于改善电场分布。随后，采用立体光刻3D打印技术制备了FGLS陶瓷绝缘子，该Al2O3陶瓷结构是利用托托科技 PL-3D-05 （精度：5 μm）3D打印设备加工而成，最大厚度为0.8 mm，最小厚度为0.1 mm。通过托托科技立体光刻3D打印技术打印模型，经过后续的脱脂、烧结制备了具有FGLS结构的Al2O3陶瓷绝缘件。由图2可知，周期晶格的厚度从底部到顶部逐渐减小。最大和最小厚度分别为0.8 mm和0.1 mm，SEM显示晶格单元的尺寸随着晶格数N的增加而减小。微观尺度上，Al2O3晶粒结构致密，粒度在2-6 μm之间。

图2 FGLS设计模型及打印样品。(a) FGLS三维视图设计模型。(b)烧结后试样。(c)侧视模型图。(d)烧结后试样侧视图。(e)和(f)为SEM 放大图（100 X和2 KX）

采用三枪法测量系统，对制备样品的总二次电子产率进行表征，结果显示（图3）：随着一次入射电子Ep能量的增加，SEY值先快速增大后缓慢减小。晶格数N的增加有利于SEY的降低，这应该归因于二次电子与表面微观结构之间碰撞概率的增加。

图3 SEY表征结果

综上，通过3D打印制备的具有FGLS表面结构的氧化铝陶瓷绝缘子，可有效用于抑制二次电子雪崩。仿真和实验结果均证实了电子倍增的良好抑制效果。这种对陶瓷绝缘子的SEY的显著抑制，对于次级电子倍增主导放电过程的电气/电子设备是极其重要的特性。

作者信息：安徽工业大学“电力电子与运动控制”安徽省重点实验室-陈兆权教授和西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室-张冠军教授是本文的通讯作者，安徽工业大学王超副教授为论文第一作者。该研究由国家自然科学基金和安徽工业大学青年基金项目资助。

原文链接：https://doi.org/10.1063/5.0256365