聚乙烯陷阱特性對(duì)真空直流沿面閃絡(luò)性能的影響

聶永杰，趙現(xiàn)平，張少泉，陳曉云，張?bào)阌辏w娜

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217）

0 前言

固體絕緣沿面閃絡(luò)一直是高電壓與絕緣技術(shù)領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)問(wèn)題，是發(fā)展先進(jìn)輸變電裝備、脈沖功率驅(qū)動(dòng)源、航天器電源系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸之一。固體絕緣與真空或氣體界面上的沿面閃絡(luò)電壓比同一間隙距離固體介質(zhì)或真空、氣體的擊穿電壓低幾倍到幾十倍，是電力裝備絕緣最薄弱的環(huán)節(jié)。因此，深入研究固體絕緣沿面閃絡(luò)特性和機(jī)理，提出提高固體絕緣沿面閃絡(luò)性能的理論方法，對(duì)于提高先進(jìn)輸變電裝備、脈沖功率驅(qū)動(dòng)源和航天器電源系統(tǒng)的電氣絕緣性能和運(yùn)行可靠性具有重要意義。目前，在解釋真空沿面閃絡(luò)機(jī)理方面占主導(dǎo)地位的SEEA[1]及ETPR[2]模型認(rèn)為，陰極三結(jié)合點(diǎn)處的初始發(fā)射電子在電場(chǎng)作用下會(huì)向陽(yáng)極遷移，初始電子在遷移過(guò)程中會(huì)與介質(zhì)表面、吸附氣體分子發(fā)生碰撞，導(dǎo)致電子倍增并形成電子雪崩。最終，在陰極和陽(yáng)極間形成貫穿的導(dǎo)電通道，導(dǎo)致沿面閃絡(luò)的發(fā)生。研究表明[3-6]，真空下的沿面閃絡(luò)過(guò)程的發(fā)展是電荷沿介質(zhì)表面的輸運(yùn)行為，與介質(zhì)的陷阱分布特性密切相關(guān)，陷阱通過(guò)影響載流子的入陷、脫陷、復(fù)合等過(guò)程，從而影響載流子的能量與數(shù)量及碰撞電離與電子倍增過(guò)程等，最終影響閃絡(luò)性能。

大量研究表明[5,7-11]，深陷阱可以提升絕緣介質(zhì)的真空沿面閃絡(luò)性能。Li[7-8]等研究了表面氟化處理以及電子束輻照對(duì)低密度聚乙烯（LDPE）及環(huán)氧（EP）真空沿面閃絡(luò)特性的影響，結(jié)果表明兩種表面處理方式在介質(zhì)表層引入了更多的深陷阱能級(jí)，深陷阱抑制了閃絡(luò)發(fā)展過(guò)程中的二次電子倍增，提升了閃絡(luò)電壓。Chen[9-10]等研究了納米電介質(zhì)的真空沿面閃絡(luò)特性，認(rèn)為納米摻雜引入了深陷阱，深陷阱可以捕獲二次電子，抑制了二次電子的發(fā)射和倍增，提高了閃絡(luò)電壓；而淺陷阱有利于電子的出陷，促進(jìn)二次電子的輸運(yùn)和倍增，從而降低了閃絡(luò)電壓。然而，也有研究表明，深陷阱有可能降低閃絡(luò)電壓，而淺陷阱會(huì)提高閃絡(luò)電壓[12-13]。Zhang[12]等研究了EP表層陷阱參數(shù)與真空沿面閃絡(luò)性能之間的關(guān)系時(shí)強(qiáng)調(diào)了淺電子陷阱的作用，認(rèn)為高密度的淺電子陷阱有助于沿面閃絡(luò)性能的提升，并且不會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)畸變；此外，該研究還認(rèn)為空穴陷阱可以和深電子陷阱中的電子復(fù)合，從而減小電場(chǎng)畸變效應(yīng)，促進(jìn)閃絡(luò)性能的提升。Du[13]等研究了EP/BN 納米復(fù)合材料的陷阱特性與直流閃絡(luò)性能的關(guān)系，認(rèn)為納米BN 的摻雜在復(fù)合材料表層引入了更多的深陷阱，深陷阱導(dǎo)致介質(zhì)表層電荷積聚，從而降低直流閃絡(luò)電壓。李成榕[14]等研究了氧化鋁陶瓷的表層陷阱分布對(duì)脈沖（0.7/4μs）閃絡(luò)電壓的影響，結(jié)果表明在陷阱深度變化不大的情況下，陷阱密度越大，表面帶電越多，沿面閃絡(luò)電壓越低。Chen[15]等研究EP微米復(fù)合材料在納秒脈沖下的沿面閃絡(luò)特性時(shí)認(rèn)為應(yīng)該將深淺、陷阱對(duì)閃絡(luò)的影響作用分開(kāi)考慮，并且還需要考慮陷阱密度的影響。

綜上所述，目前關(guān)于陷阱參數(shù)與真空沿面閃絡(luò)電壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系并沒(méi)有形成太一致的結(jié)論，其原因主要有測(cè)試材料的不一致性、陷阱表征手段的差異以及對(duì)閃絡(luò)發(fā)展過(guò)程的理解及認(rèn)識(shí)不同等。另外，以上研究中并沒(méi)有區(qū)分深、淺陷阱的不同作用及陷阱密度對(duì)閃絡(luò)發(fā)展過(guò)程的影響。本文認(rèn)為，絕緣介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)影響其體陷阱特性，體陷阱特性影響表面的電荷輸運(yùn)行為，最終影響真空沿面閃絡(luò)特性。因此，探尋一種可以控制聚合物微觀形態(tài)的方法，有助于研究聚合物材料微觀結(jié)構(gòu)、陷阱特性與宏觀閃絡(luò)性能之間的關(guān)聯(lián)。本文通過(guò)在半結(jié)晶聚合物L(fēng)DPE中摻雜成核劑酚酞，改變LDPE 的結(jié)晶行為及顯微結(jié)構(gòu)，控制其體陷阱參數(shù)，最終達(dá)到影響真空沿面閃絡(luò)性能的目的。

1 試樣制備及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

以LDPE為基體，酚酞粉末為添加劑，分別制備酚酞質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%、0.1%、0.4%、1%、5%的試樣，試樣按照濃度比例所對(duì)應(yīng)的編號(hào)為L(zhǎng)DPE-0.03、LDPE-0.1、LDPE-0.4、LDPE-1、LDPE-5。首先，按照試樣酚酞濃度要求，分別稱(chēng)量好固定質(zhì)量的LDPE 顆粒和酚酞粉末。隨后，將稱(chēng)好的LDPE放入轉(zhuǎn)矩流變儀中在130℃、50r/min 的流變轉(zhuǎn)速下攪拌20 min。待加入的LDPE顆粒完全熔融后，加入酚酞繼續(xù)攪拌，30 min 后停止攪拌并將混好的聚乙烯酚酞復(fù)合材料取出熱壓成一定形狀的試樣，放置在空氣中自然冷卻至室溫以備測(cè)試。為了確保酚酞在LDPE中有好的分散性，本實(shí)驗(yàn)中采用“母液分步稀釋法”制備含有不同濃度酚酞的聚乙烯復(fù)合材料。即：先制備酚酞摻雜濃度大的試樣，然后逐步稀釋大濃度試樣得到小濃度試樣。

1.2 真空沿面閃絡(luò)性能測(cè)試

真空直流沿面閃絡(luò)電壓測(cè)試系統(tǒng)由直流源、平板電極系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等組成。電極為直徑40 mm、厚10 mm 的不銹鋼平板電極，測(cè)試試樣為直徑25 mm、高5 mm 的圓柱形試樣。在整個(gè)沿面閃絡(luò)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，真空腔內(nèi)的真空度保持在5×10-3Pa 以下。測(cè)試時(shí)，從0 kV 均勻的增加直流電壓，直至發(fā)生閃絡(luò)時(shí)關(guān)掉直流源并記錄閃絡(luò)發(fā)生時(shí)的電壓。間隔1 min 后，繼續(xù)以同一方式施加電壓直至發(fā)生閃絡(luò)。每個(gè)試樣閃絡(luò)10次，每種試樣取3片。所得的數(shù)據(jù)取平均值，即為試樣的真空直流沿面閃絡(luò)電壓。

1.3 結(jié)晶行為及顯微結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用差示掃描量熱法（DSC）測(cè)試試樣的結(jié)晶行為，獲得酚酞改性對(duì)LDPE 的結(jié)晶度、熔融溫度、片晶厚度等參數(shù)的影響。整個(gè)DSC測(cè)試過(guò)程經(jīng)歷兩個(gè)循環(huán)，具體為：先將試樣從室溫冷卻到-30 ℃保溫5 min，然后以10 ℃/min 的升溫速率從-30 ℃升溫到170 ℃并保溫10 min，之后以10℃/min 的降溫速率降至-30℃并保溫3 min，開(kāi)始下一個(gè)升溫—降溫的循環(huán)。為消除試樣制備過(guò)程中的熱歷史，采用第二個(gè)循環(huán)中的DSC曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用DSC法測(cè)試材料的結(jié)晶度時(shí)，需要確定材料升溫過(guò)程中的熔融焓，利用總熱焓法[16]計(jì)算結(jié)晶度（Xc）、熔融溫度（Tm）、片晶厚度（L）等參數(shù)，計(jì)算過(guò)程如文獻(xiàn)[16]。

掃描電子顯微鏡（SEM）用來(lái)觀測(cè)試樣的晶粒形狀及晶粒尺寸。SEM測(cè)試前，先把試樣浸在硫酸和高錳酸鉀的質(zhì)量比為20:1的溶液中腐蝕30 min，之后在SEM下觀測(cè)其顯微形貌并統(tǒng)計(jì)球晶尺寸。本實(shí)驗(yàn)中，采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法，通過(guò)對(duì)每種試樣約50個(gè)球晶的尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出每種試樣的平均晶粒尺寸，計(jì)算方法如下：

式中：Di是第i個(gè)晶粒的尺寸/μm；n為統(tǒng)計(jì)的晶粒的總數(shù)量；Dn為計(jì)算出的試樣的平均球晶尺寸/μm。

1.4 熱刺激電流測(cè)試

本文采用熱刺激電流法（TSDC）提取試樣的陷阱參數(shù)，熱刺激電流測(cè)試過(guò)程中的設(shè)置條件如圖1 所示。得到熱刺激電流曲線后，采用“起始上升法”[17]計(jì)算各陷阱峰對(duì)應(yīng)的陷阱深度。

圖1熱刺激電流測(cè)試過(guò)程

采用陷阱電荷量的定量表示陷阱密度，陷阱電荷量的計(jì)算方法如下所示[4]：

式中：I為試樣熱激過(guò)程中形成的電流/A；T0、T為試樣熱激時(shí)的起始溫度及實(shí)時(shí)溫度/K；β為升溫速率/℃/min；Q為陷阱電荷量（可視為陷阱密度）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果

圖2是LDPE 及酚酞改性試樣的SEM 圖片?？梢钥闯觯S著酚酞含量的增加，試樣的球晶尺寸逐漸減小，并且球晶尺寸大小分布趨于均勻。統(tǒng)計(jì)出的球晶尺寸如表1所示，從表1中球晶尺寸數(shù)據(jù)看出，同純LDPE相比，酚酞摻雜量最大的LDPE-5試樣的球晶尺寸減小了39.7%。

圖2酚酞改性試樣的SEM圖片

對(duì)以上球晶尺寸隨酚酞含量的變化可做如下解釋?zhuān)焊呔畚锏慕Y(jié)晶過(guò)程由晶核的形成和晶粒的生長(zhǎng)兩個(gè)階段構(gòu)成，而晶核的形成可以分為均相成核和異相成核兩種方式。均相成核是處于無(wú)定形態(tài)的高分子由于熱漲落而形成晶核的過(guò)程，異相成核是指高分子被吸附在某種外來(lái)雜質(zhì)的表面上而成核。根據(jù)以上成核過(guò)程定義，本文中純LDPE 的成核過(guò)程是均相成核。對(duì)純LDPE，主要依靠LDPE分子鏈的熱漲落形成晶核，這種成核方式下形成的晶核數(shù)量相對(duì)較少。球晶將沿著這些少量的晶核生長(zhǎng)，直至長(zhǎng)大的球晶相互碰撞從而停止生長(zhǎng)，這種方式下容易生成大球晶。正如圖2(a)所示，LDPE的球晶尺寸比較大，且晶粒分布不均。對(duì)酚酞改性的LDPE，酚酞作為成核劑使得成核方式為異相成核，這種情況下，晶核數(shù)量明顯增多，生成的球晶將很快由于相互碰撞而停止生長(zhǎng)，限制了球晶的長(zhǎng)大，如圖2(b)～2(f)所示，因此，酚酞改性試樣的球晶尺寸隨酚酞濃度增加逐漸減小。

圖3是LDPE 及酚酞改性試樣的DSC曲線?？梢钥闯觯犹獡诫s前后，各種試樣的DSC曲線均為單一的熔融峰，峰形大致相同，只是峰的寬窄和位置發(fā)生了明顯的變化。DSC 曲線中，熔融峰的寬窄表示了熔程的長(zhǎng)短，而熔融峰的位置表示材料內(nèi)結(jié)晶區(qū)域完全熔融時(shí)需要的溫度。熔程的長(zhǎng)短和熔融峰的中心溫度取決于材料的結(jié)晶度、球晶尺寸等顯微結(jié)構(gòu)。

表1酚酞摻雜試樣的DSC熔融溫度、結(jié)晶度、片晶厚度、球晶尺寸

表1是根據(jù)DSC曲線及SEM提取的各試樣的熔融溫度（Tm）、熔融焓（?H）、結(jié)晶度（Xc）、片晶厚度（L）及球晶尺寸等結(jié)晶行為與微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。圖4是根據(jù)表1提取的結(jié)晶行為參數(shù)及顯微結(jié)構(gòu)與酚酞含量的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著酚酞摻雜含量的增加，LDPE 及酚酞復(fù)合材料的結(jié)晶度先增大后減小，并在0.4%酚酞含量時(shí)達(dá)到最大值。相比LDPE，結(jié)晶度最大增大了10.89%。同時(shí)也可以看出，片晶厚度隨酚酞含量增加的變化規(guī)律與結(jié)晶度隨酚酞濃度增加的變化趨勢(shì)相同。以上結(jié)果說(shuō)明，在聚乙烯中摻雜不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的酚酞后，明顯改變了聚乙烯這種半結(jié)晶聚合物材料的結(jié)晶行為，如結(jié)晶度、球晶尺寸、片晶厚度等。

圖4酚酞摻雜對(duì)LDPE結(jié)晶行為的影響

2.2 真空直流沿面閃絡(luò)特性測(cè)試結(jié)果

表2是LDPE 及酚酞改性試樣的直流沿面閃絡(luò)電壓測(cè)試結(jié)果。表2表明，酚酞改性試樣的真空沿面閃絡(luò)電壓隨著酚酞濃度的增加先增大后減小，在1 wt%酚酞含量處達(dá)到最大值。六種試樣的閃絡(luò)電壓分別為30.17 kV、

31.33 k V、36.70 k V、41.67 k V、46.50 k V、43.60 kV，最大增長(zhǎng)了（LDPE-1試 樣）48.42%。以上結(jié)果說(shuō)明，酚酞摻雜可以改善LDPE半結(jié)晶聚合物的真空沿面閃絡(luò)性能。

表2試樣的真空直流沿面閃絡(luò)電壓

2.3 TSDC測(cè)試結(jié)果

圖5是LDPE及酚酞改性試樣的TSDC曲線。從圖5可以看出，除LDPE 及LDPE-5試樣分別在低溫及高溫處的電流峰不明顯外，幾乎每種試樣的TSDC 曲線都出現(xiàn)3個(gè)電流峰。本文中，對(duì)這3個(gè)電流峰從高溫到低溫做出了定義：處于350 K～370 K 區(qū)間的電流峰定義為α峰，處于310 K～350 K 之間的電流峰定義為β峰，處于250 K～280 K 低溫段的峰稱(chēng)為γ峰?？梢钥闯觯练逵须S著酚酞濃度的增加逐漸減小的趨勢(shì)，而γ峰的峰寬和峰高隨著酚酞含量增加逐漸變大，且γ峰的峰中心溫度逐漸向高溫移動(dòng)。這說(shuō)明，α峰的陷阱密度有隨酚酞摻雜量的增多逐漸減小的趨勢(shì)，而γ峰所對(duì)應(yīng)的陷阱深度和密度都有隨酚酞含量增多而增大。

圖5 TSDC曲線

表3是采用起始上升法對(duì)圖5中的TSDC曲線提取的陷阱參數(shù)。從表3可以看出，六種試樣的α峰的陷阱深度隨酚酞濃度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最大陷阱深度出現(xiàn)在酚酞添加量為1 wt%處，但陷阱電荷量隨酚酞濃度變化不是很有規(guī)律。β峰所對(duì)應(yīng)的陷阱深度及陷阱密度隨著酚酞濃度的增加整體上變化不明顯。γ峰的陷阱深度及陷阱密度隨酚酞含量增加逐漸變大，這和TSDC圖中表現(xiàn)出來(lái)的電流峰中心溫度右移是一致的。以上結(jié)果說(shuō)明，酚酞摻雜改變了LDPE半結(jié)晶聚合物的陷阱分布特性，增加了深陷阱（α）的深度及淺陷阱（γ）的陷阱深度及陷阱密度。

表3酚酞改性LDPE試樣的陷阱參數(shù)

2.4 半結(jié)晶聚合物顯微結(jié)構(gòu)與陷阱參數(shù)關(guān)聯(lián)

已經(jīng)有較多研究者對(duì)LDPE的TSDC電流峰的起源機(jī)制做了細(xì)致的研究，其中日本Ieda[18]對(duì)LDPE 中TSDC所有電流峰給予了盡可能全面的解釋。Ieda 在LDPE的TSDC圖譜中發(fā)現(xiàn)了5個(gè)電流峰，并且認(rèn)為這些電流峰是由于LDPE 中不同區(qū)域（晶區(qū)、非晶區(qū)）分子鏈及鏈段的運(yùn)動(dòng)引起。在Ieda 的關(guān)于LDPE的TSDC研究中，從低溫到高溫的五個(gè)電流峰依次命名為P1、P2、P3、P4、P5，電流峰中心溫度依次為120 K、160 K、250 K、300 K、340 K。本實(shí)驗(yàn)中三個(gè)電流峰從低溫到高溫依次為250 K、320 K 及360 K。可以看出，本實(shí)驗(yàn)的α、β和γ峰的出峰位置和Ieda 文獻(xiàn)中的P5、P4、P3峰很接近，P1、P2峰在本實(shí)驗(yàn)中未出現(xiàn)以及其它電流峰和本實(shí)驗(yàn)中電流峰中心位置的微小差異可能是由于測(cè)試的實(shí)驗(yàn)條件不同引起。因此，本文用Ieda 研究成果中的P5、P4、P3電流峰來(lái)解釋本實(shí)驗(yàn)中α、β、γ電流峰的起源機(jī)制。

Ieda 認(rèn)為，陷阱的形成和聚合物中分子鏈以及鏈段的局部排列狀態(tài)相關(guān)，而TSDC電流峰是這些分子鏈的運(yùn)動(dòng)引起。α峰（和P5峰相對(duì)應(yīng)）是由于聚乙烯晶區(qū)內(nèi)分子鏈的運(yùn)動(dòng)引起；γ峰（和P3峰相對(duì)應(yīng)）是由于非晶區(qū)的分子鏈段運(yùn)動(dòng)引起；β峰（和P4峰相對(duì)應(yīng)）和晶區(qū)以及非晶區(qū)的界面處分子運(yùn)動(dòng)有關(guān)。聚合物的結(jié)晶過(guò)程可以看成是分子鏈重新排列以及排除缺陷的過(guò)程。因此，聚乙烯在摻雜酚酞后的重新結(jié)晶過(guò)程中，伴隨著球晶的形成，聚乙烯內(nèi)分子鏈的排列狀態(tài)或者方式將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致陷阱深度和陷阱密度也發(fā)生變化。在TSDC的升溫過(guò)程中，這些不同區(qū)域的、不同排列方式的分子鏈或者鏈段隨著溫度的升高將開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)），從而表現(xiàn)出不同的電流峰特性。因此，TSDC圖譜中不同位置的電流峰對(duì)應(yīng)著材料內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)分子鏈的信息。前文已講過(guò)，結(jié)晶的過(guò)程實(shí)際上是分子鏈重新排列的過(guò)程，也是重新形成不同尺寸的球晶及不同結(jié)晶度的過(guò)程。因此，分子鏈的重新排列將影響半結(jié)晶聚合物的晶粒大小及結(jié)晶度，也將引起陷阱參數(shù)的變化。由分子鏈運(yùn)動(dòng)所決定的晶粒尺寸及結(jié)晶度顯微結(jié)構(gòu)和陷阱參數(shù)之間應(yīng)該有著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖6是LDPE 球晶尺寸和陷阱深度的關(guān)系?？梢钥闯?，處于晶區(qū)的α陷阱和非晶區(qū)的γ陷阱深度都隨著LDPE晶粒尺度的增大而減小，β峰陷阱深度變化不大。

除球晶尺寸與陷阱深度有直接的關(guān)聯(lián)外，結(jié)晶度對(duì)陷阱密度也有影響。圖5中，α峰和γ峰面積隨著酚酞含量的增加分別變小和增大，這說(shuō)明深陷阱（α）和淺陷阱（γ）的密度隨酚酞濃度增加逐漸減小及增大。這種變化可以由“結(jié)晶過(guò)程也是排除缺陷的過(guò)程”這一認(rèn)識(shí)來(lái)解釋。酚酞摻雜后，隨著結(jié)晶度的增加，結(jié)晶更加完善，晶區(qū)的缺陷將會(huì)進(jìn)一步的被排除在非晶區(qū)，這就導(dǎo)致了α峰對(duì)應(yīng)深陷阱密度的減小和γ峰對(duì)應(yīng)淺陷阱密度的增大?？傮w上來(lái)看（包括晶區(qū)、界面、非晶區(qū)），隨著結(jié)晶度的增大，結(jié)晶進(jìn)一步完善，缺陷將進(jìn)一步減少，也即TSDC釋放的總電荷量也應(yīng)該隨之減少。圖7是結(jié)晶度與釋放總電荷量之間的關(guān)系，可以看出，釋放電荷總量隨著結(jié)晶度的增加而減少，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和以上分析相吻合。

圖6 LDPE球晶尺寸與陷阱深度之間的關(guān)系

圖7 LDPE結(jié)晶度與電荷量（陷阱密度）之間的關(guān)系

綜合球晶尺寸與陷阱深度、結(jié)晶度與陷阱密度的關(guān)系可知，半結(jié)晶聚合物的結(jié)晶行為與陷阱參數(shù)之間有明顯的關(guān)聯(lián)。即：LDPE 的陷阱深度隨球晶尺寸減小而增大，陷阱密度隨結(jié)晶度增大而減小。因此，可以通過(guò)控制半結(jié)晶聚合物的晶粒尺寸、結(jié)晶度等調(diào)節(jié)陷阱參數(shù)。

2.5 陷阱參數(shù)對(duì)真空沿面閃絡(luò)電壓影響

由SEEA[1]及ETPR[2]可知，二次電子的倍增過(guò)程對(duì)沿面閃絡(luò)的發(fā)展與形成至關(guān)重要。初始電子在電場(chǎng)作用下加速運(yùn)動(dòng)撞擊介質(zhì)表面時(shí)，有可能被介質(zhì)表層的陷阱捕獲，也有可能直接發(fā)生碰撞電離產(chǎn)生二次電子，這取決于初始電子的能量。如果這些初始電子或者產(chǎn)生的二次電子被介質(zhì)表層的陷阱捕獲，那么這些電子將不能立即參與后續(xù)的碰撞電離過(guò)程，從而抑制了二次電子雪崩的發(fā)生，有利于閃絡(luò)性能的提升。因此，陷阱可以起到調(diào)制載流子在電介質(zhì)表面輸運(yùn)過(guò)程的作用，從而影響閃絡(luò)電壓。對(duì)于淺陷阱，電子入陷后很容易在熱的作用下脫陷，但是電子的入陷和脫陷都會(huì)損失掉一部分能量，從而減小了電子的動(dòng)能，脫陷之后的電子能量減小，后續(xù)的碰撞電離不容易發(fā)生，提升了閃絡(luò)電壓。對(duì)于深陷阱，電子入陷后很難脫陷或者需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能脫陷，這就抑制了二次電子雪崩的發(fā)生，從而提升了閃絡(luò)性能。

圖8陷阱參數(shù)與真空沿面閃絡(luò)電壓之間的關(guān)系

表3中，當(dāng)酚酞濃度小于5 wt%時(shí)，每種試樣的α陷阱深度和陷阱密度都遠(yuǎn)大于γ陷阱深度及密度。對(duì)于低酚酞濃度摻雜試樣（≤1wt%），γ陷阱深度最大為0.28 e V，且陷阱密度很小，電子入陷后很快脫陷。所以，低酚酞濃度試樣的γ陷阱對(duì)沿面閃絡(luò)電壓影響很小。因此，當(dāng)酚酞濃度在0～1 wt%之間時(shí)，隨α陷阱能級(jí)增加，入陷的電子越難以脫陷，抑制了二次電子的倍增，α陷阱參數(shù)對(duì)試樣的真空沿面閃絡(luò)性能的提升起著主要作用。當(dāng)酚酞濃度達(dá)到5%時(shí)，α陷阱深度和陷阱密度下降幅度較大，但是沿面閃絡(luò)電壓只是輕微的下降，并沒(méi)有隨著α陷阱深度的快速下降而大幅降低，這主要是由于γ陷阱的深度和密度增長(zhǎng)明顯。對(duì)LDPE-5 試樣，深陷阱α和淺陷阱γ的陷阱深度已經(jīng)區(qū)別不大，分別為0.68 e V 及0.65 e V，但是γ陷阱密度遠(yuǎn)大于α陷阱密度。因此，在高酚酞濃度摻雜時(shí)（5 wt%），γ陷阱對(duì)試樣的真空沿面閃絡(luò)性能起主要的影響。從以上分析可以看出，陷阱的深度、密度在調(diào)控聚合物絕緣材料的真空沿面閃絡(luò)電壓時(shí)是相互配合與轉(zhuǎn)化的。

圖8是陷阱參數(shù)與真空直流沿面閃絡(luò)電壓之間的“U”型關(guān)系（圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)旁邊的標(biāo)出的數(shù)據(jù)是該試樣所對(duì)應(yīng)的陷阱參數(shù)），證明了陷阱深度及陷阱密度在調(diào)節(jié)閃絡(luò)電壓時(shí)相互轉(zhuǎn)化和配合的作用。圖8(a)為真空沿面閃絡(luò)電壓與陷阱深度及陷阱密度之間的關(guān)系，閃絡(luò)電壓隨著陷阱深度及密度的增加先下降后上升。但這并不意味著以上變化趨勢(shì)是單獨(dú)的陷阱深度或者陷阱密度作用的結(jié)果，而恰恰是兩者共同作用的體現(xiàn)，需要結(jié)合每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的陷阱深度及陷阱密度同時(shí)分析。在左半?yún)^(qū)域，沿面閃絡(luò)電壓隨陷阱深度減小而增加，這是因?yàn)?，陷阱深度減小時(shí)對(duì)應(yīng)的陷阱密度增大（藍(lán)色線及藍(lán)色線數(shù)據(jù)點(diǎn)旁邊所標(biāo)的數(shù)據(jù)），大量的淺陷阱對(duì)閃絡(luò)的提升起到調(diào)節(jié)作用。在右半?yún)^(qū)域，閃絡(luò)電壓隨陷阱深度增大而增大，逐漸增加的陷阱深度對(duì)應(yīng)相對(duì)較小的陷阱密度（藍(lán)色線及藍(lán)色線數(shù)據(jù)點(diǎn)旁邊所標(biāo)的數(shù)據(jù)），陷阱深度對(duì)閃絡(luò)的提升起到主要的調(diào)節(jié)作用。圖8(b)是總結(jié)陷阱深度及密度對(duì)閃絡(luò)電壓的關(guān)系后得出的深、淺陷阱及其密度與閃絡(luò)電壓的關(guān)系。該圖表明，陷阱的深度、密度在調(diào)節(jié)閃絡(luò)電壓時(shí)起到相互轉(zhuǎn)換、配合的作用，即：少量的深陷阱及大量的淺陷阱都能提升沿面閃絡(luò)電壓。陷阱較深時(shí)，深陷阱長(zhǎng)時(shí)間的捕獲載流子，使得載流子很難脫陷，不能參與后續(xù)的碰撞電離過(guò)程，從而抑制了二次電子的倍增，提升了沿面閃絡(luò)性能。例如，當(dāng)陷阱深度從0.81 eV 逐漸增加0.99 e V 時(shí)，對(duì)應(yīng)試樣從純LDPE 到酚酞濃增加到1 wt%時(shí)，直流沿面閃絡(luò)電壓增加48.42%。當(dāng)陷阱較淺時(shí)（0.68 e V），雖然不能像深陷阱那樣長(zhǎng)時(shí)間的捕獲載流子，但是大量的淺陷阱可以明顯的影響載流子的輸運(yùn)，整體上減少電子的動(dòng)能，抑制碰撞電離的發(fā)生，提升沿面閃絡(luò)電壓。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）改變半結(jié)晶聚合物的顯微結(jié)構(gòu)及結(jié)晶行為，將影響體陷阱分布特性。對(duì)半結(jié)晶聚合物L(fēng)DPE 而言，陷阱深度隨球晶尺寸減小而增大；陷阱密度隨結(jié)晶度增大而減小。

2）酚酞改性提升了LDPE 的真空沿面閃絡(luò)電壓，當(dāng)酚酞濃度為1 wt%時(shí)，最大提升了

48.42%。

3）真空沿面閃絡(luò)電壓與陷阱深度及陷阱密度存在“U”型關(guān)系，即：陷阱深度及陷阱密度在影響閃絡(luò)性能過(guò)程中起著相互協(xié)調(diào)、配合及轉(zhuǎn)化的作用。當(dāng)陷阱密度較小而陷阱深度較大時(shí)（酚酞濃度≤1 wt%），陷阱深度對(duì)沿面閃絡(luò)電壓的提升起主要作用；當(dāng)陷阱深度較小而陷阱密度較大時(shí)（5 wt% 試樣），陷阱密度對(duì)閃絡(luò)電壓起主要作用，陷阱密度越大，閃絡(luò)電壓越高。