I. El "principal culpable" de la degradación del voltaje soportado del aislador: fenómeno de descarga disruptiva de la superficie
Los aisladores de alúmina desempeñan simultáneamente funciones de aislamiento eléctrico y soporte mecánico en equipos de alta-potencia y dispositivos de alto-vacío eléctrico/vacío, lo que los convierte en componentes clave indispensables. Sin embargo, en condiciones de alto vacío y alta intensidad de campo, el cuello de botella en la tensión soportada a menudo no reside en el material a granel sino en los procesos superficiales; el más típico es la ruptura de la descarga superficial (es decir, descarga disruptiva superficial). La descarga eléctrica superficial se refiere al fenómeno en el que, bajo un fuerte campo eléctrico, la superficie de un aislante sólido y su medio adyacente (gas/líquido; en el vacío, acompañado de gas desorbido en la superficie y emisión de electrones) se ionizan o son conductores. Se desarrolla un canal de descarga a lo largo de la superficie sólida, se extiende por la separación del electrodo y, en última instancia, provoca una rotura y un fallo del aislamiento. Este fenómeno no solo debilita significativamente el voltaje soportado y la confiabilidad operativa de los equipos dieléctricos de alto-voltaje, causando posibles pérdidas económicas, sino que también sirve como un cuello de botella central que limita la compacidad y miniaturización de los aisladores sólidos. Desde una perspectiva de comparación de umbrales, el voltaje de iniciación/intensidad de campo para la descarga disruptiva en la superficie suele ser mucho más bajo que el nivel de ruptura para la ruptura masiva o los espacios dieléctricos puros. Por ejemplo: cuando se utiliza vacío como medio aislante, la intensidad del campo de ruptura crítica es de aproximadamente 35 kV/mm; para la cerámica de alúmina como medio aislante a granel, la intensidad del campo de ruptura del volumen crítico es generalmente de 30 a 40 kV/mm; mientras que en un sistema de aislamiento al vacío de alúmina-, la intensidad del campo aplicado a menudo alcanza sólo una-décima parte a una fracción de estos valores críticos antes de provocar una descarga repentina en la superficie del aislador, lo que podría incluso causar daños locales a la superficie de Al₂O₃.
II. Factores que influyen en el voltaje de descarga disruptiva de la superficie
Las investigaciones indican que los factores que afectan la descarga eléctrica en la superficie incluyen principalmente: forma de onda y amplitud del campo eléctrico aplicado, nivel de vacío y composición del gas residual, estructura y material del electrodo, geometría y dimensiones del aislador, material del aislante y características de la superficie (rugosidad, limpieza, adsorción/contaminación, recubrimiento), pre{0}}descarga/horneado y otros tratamientos previos, así como el estado de carga de la superficie y la adsorción de gas en la superficie. Desde la perspectiva de la investigación de materiales, la atención se centra en la composición, forma y características de la superficie de las cerámicas utilizadas en la electrónica de vacío. Los parámetros eléctricos clave que influyen en la descarga disruptiva de la superficie incluyen la constante dieléctrica ε, la conductividad eléctrica σ y el coeficiente de emisión de electrones secundarios δ (VER). En general: ① Una constante dieléctrica más alta tiende a mejorar la distorsión del campo eléctrico en la unión triple electrodo-aislante-vacío, lo que reduce el umbral de descarga disruptiva de la superficie. ② Dentro de un rango apropiado, el aumento de la conductividad superficial acelera la disipación de la carga superficial e inhibe la iniciación, pero una conductividad excesivamente alta aumenta la corriente de fuga y puede provocar inestabilidad térmica, lo que es perjudicial para soportar la tensión. ③ Según el modelo SEEA, la reducción del coeficiente de emisión de electrones secundarios de la superficie suprime la multiplicación de electrones, aumentando así el voltaje de descarga disruptiva de la superficie.
En cuanto al modelo de mecanismo de descarga basado en SEEA (VER-): El modelo de avalancha de emisión de electrones secundarios (SEEA) fue propuesto por primera vez por los académicos estadounidenses Anderson y Brainard. Este modelo sugiere que bajo un alto voltaje aplicado, los electrones iniciales emitidos desde la triple unión electrodo-aislante-vacío ganan energía, se aceleran y bombardean la superficie del aislante. Cuando la energía de estos electrones impactantes alcanza un cierto umbral, se produce una emisión secundaria de electrones, dejando simultáneamente cargas positivas en la superficie del aislante. Estos electrones secundarios, bajo la influencia del campo eléctrico, bombardean nuevamente la superficie del aislante, generando más electrones secundarios. Este proceso se repite y, en última instancia, conduce a una avalancha de electrones secundaria.
III. Técnicas de supresión de descargas superficiales para cerámicas de alúmina
La clave para mejorar el rendimiento del aislamiento de los materiales aislantes sólidos radica en mantener las propiedades de aislamiento en masa mientras se esfuerza por mejorar el voltaje de descarga disruptiva de la superficie. Según los mecanismos existentes, las principales vías de mejora se dividen en dos categorías: ① Reducir el coeficiente de emisión de electrones secundarios de la superficie δ para suprimir la multiplicación de electrones; ② Diseñe la resistividad de la superficie dentro de una ventana adecuada para acelerar la disipación de la carga de la superficie, evitando así una concentración excesiva del campo local y la inestabilidad térmica. Paralelamente a estos dos enfoques de "parámetros eléctricos materiales", la ingeniería a menudo emplea un conjunto complementario de medidas de control de distribución de campo/geometría para reducir la intensidad del campo de la triple-unión y la formación de canales de retardo. Por ejemplo, mecanizar corrugaciones (o ranuras) periódicas en la superficie de aisladores cerámicos de alúmina puede aumentar la distancia de fuga, suavizar las líneas equipotenciales, reducir la intensidad del campo tangencial en la unión triple sin aumentar las dimensiones externas, al tiempo que interrumpe las rutas de retorno de electrones y reduce la ganancia SEE efectiva, retrasando así la formación de canales y aumentando el voltaje de descarga disruptiva de la superficie. Las crestas de las corrugaciones deben redondearse para evitar introducir una mejora local del campo en nuevos bordes afilados.