用于在离子辐照条件下提升真空表面绝缘性能的大气等离子体喷涂Y2O3涂层

《Surface and Coatings Technology》：Atmospheric plasma sprayed Y2O3 coatings for improved vacuum surface insulation under ion irradiation

　　

Hao-Yan Liu|Chang-Chun Qi|Sheng Zhou|Guang-Yu Sun|Ke Li|Wen-Rui Li|Bai-Peng Song|Guan-Jun Zhang

中国陕西省西安市710049，西安交通大学电气工程学院，电气绝缘与电力设备国家重点实验室

摘要

在受到等离子体影响的髙压真空系统中，离子辐照往往会严重降低介质的绝缘性能，给系统的可靠性带来极大挑战。本文研究了等离子体环境中的离子辐照对介质绝缘性能的劣化问题，旨在开发出既具有抗辐照能力又能提升真空表面绝缘性能的材料。通过大气压等离子喷涂技术在氧化铝基底上沉积了厚度约为135微米的Y₂O₃涂层，随后用1200电子伏特的Xe⁺离子对涂层进行0–8小时的辐照处理。研究人员系统地分析了涂层的表面形貌、化学成分、晶体结构以及电学性质。实验结果表明，这类涂层具有较高的表面粗糙度，且晶体结构和化学状态较为稳定。离子辐照会导致表面绝缘性能下降，表现为表面电阻率降低、陷阱密度增加以及击穿电压降低，而Y₂O₃涂层能有效缓解这些不良影响。与Al₂O₃相比，Y₂O₃涂层的二次电子产额显著更低，且更能抵抗离子辐照，在0–40千伏的测试范围内，其直流击穿电压提升了35%–63%。此外，涂层还能有效抑制表面电荷积累，使表面电势降低了17%。总体而言，与未涂层的Al₂O₃基底相比，通过大气压等离子喷涂制备的Y₂O₃涂层在防止真空表面击穿和抵抗离子辐照方面表现更优异，为等离子体环境下的先进真空绝缘系统及实际工程应用提供了良好的解决方案。

引言

等离子体技术在现代科学和工程领域发挥着重要作用，广泛应用于纳米制造、航空航天、核物理以及先进材料工程等领域[1]、[2]、[3]。尽管应用十分广泛，但等离子体与表面的相互作用依然极为复杂[4]，其中离子起着关键作用，会引发化学改性、微观结构变化以及缺陷形成等现象[5]、[6]。研究表明，离子辐照会显著改变表面的绝缘性能，包括电阻率、电子发射特性以及电荷俘获行为等方面的变化[7]。这些效应的相互作用最终会导致介质的真空表面绝缘性能下降[8]。离子引发的绝缘性能下降问题与多种工业设备密切相关，比如真空断路器[9]、脉冲功率系统[10]以及航空航天器件[11]。特别是在航空航天领域，离子辐照可能会引发推进器中的栅极间击穿现象[12]，以及太阳能电池板中的静电放电问题[13]，从而导致设备运行不稳定，甚至任务失败[14]。然而，目前的相关研究仍相对零散，大多要么专注于辐照引发的损伤机制，要么着眼于提升绝缘性能，很少有研究试图将两者结合起来，形成统一的材料设计策略。尤其是，目前还缺乏针对能够在实际使用条件下同时抵抗离子辐照损伤并提升真空表面绝缘性能的涂层材料的系统研究。因此，开发这类多功能涂层材料对于提升等离子体环境中的介质系统可靠性具有重要意义。

真空表面放电现象（也称为击穿现象）是基于二次电子发射雪崩模型来解释的[15]、[16]。根据该模型，放电始于阴极三重结处，那里通过场增强发射产生初始电子。这些电子在电场作用下加速，与介质表面碰撞后引发二次电子发射，通常情况下，材料的二次电子产额会大于1（SEY > 1）。这一过程会不断持续，最终形成电子雪崩。二次电子产额的大小直接决定了电子增殖的速度[17]。氧化铝陶瓷是真空装置中最常用的材料之一，其二次电子产额通常较高[18]、[19]，因此更容易发生放电现象。为此，人们采用了多种方法来降低二次电子产额，比如等离子体处理[20]、[21]、[22]，复合涂层技术[23]、[24]，表面开槽处理[25]、[26]、[27]，以及化学气相沉积技术[28]、[29]，以此来抑制放电现象。不过，上述方法大多是为纯真空系统设计的，而在存在溅射和蚀刻效应的离子辐照环境下并不适用。

从抵抗离子辐照能力和电气绝缘性能两方面来看，氧化钇（Y₂O₃）是一种极具潜力的材料，因为它不仅具有出色的抗离子轰击能力，还具备良好的介电性能[30]、[31]、[32]。先前的研究已经表明，可以通过多种技术制备Y₂O₃涂层，包括大气压等离子喷涂技术[33]、[34]，脉冲激光沉积技术[35]、[36]，以及化学气相沉积技术[37]、[38]，不同的制备工艺会对涂层的结构和性能产生显著影响。脉冲激光沉积技术能够制备出成分均匀、致密度高且耐腐蚀性强的薄膜，而化学气相沉积技术则具有较好的均匀性和可控性，非常适合用来制备高质量的氧化物薄膜。相比之下，大气压等离子喷涂技术由于沉积效率高、能够制备较厚的涂层、工艺成本较低，且在实际应用中已经得到广泛应用，因此更为常见[39]。通过大气压等离子喷涂技术制备的Y₂O₃涂层具有优异的耐腐蚀性和良好的隔热性能[40]、[41]、[42]，通过掺杂和工艺优化还可以进一步提升其耐蚀性[43]。不过，目前关于Y₂O₃涂层的研究大多集中在热障功能、耐腐蚀性以及等离子体侵蚀行为方面。已有研究表明，沉积在Al₂O₃基底上的大气压等离子喷涂制备的Y₂O₃涂层由于其稳定的微观结构和界面结合力，具备出色的热稳定性、较强的耐热循环能力以及可靠的附着力[44]、[45]、[46]、[47]。然而，关于其在离子辐照和真空环境下的电学性能的研究仍然不足。

在本研究中，研究人员通过大气压等离子喷涂技术在氧化铝陶瓷表面制备了Y₂O₃涂层，该涂层旨在同时具备抵抗离子辐照的能力和提升真空表面绝缘性能的功能。作为加速的地面老化试验，研究人员进行了0到8小时不等的离子辐照实验[48]。这种方法通过加速离子引发的劣化过程来模拟航空航天领域的使用环境，之后再对涂层的表面形貌、化学成分以及晶体结构进行系统分析。此外，研究人员还全面研究了涂层的电学性能，包括电阻率、二次电子产额、陷阱分布情况、表面电荷行为以及表面击穿阈值，并与未涂层的氧化铝进行了详细对比。预计这种制备策略将为实际应用中的击穿现象缓解提供有效的解决方案。

章节要点

涂层沉积与离子辐照

研究人员采用大气压等离子喷涂技术在氧化铝陶瓷基底上制备了Y₂O₃涂层。这些基底的厚度为2毫米，正面为方形，原始表面粗糙度约为2微米。不同测试所使用的基底尺寸在1厘米×1厘米到6厘米×6厘米之间。在涂层制备之前，这些基底会经过喷砂处理，以略微提高表面粗糙度，进而增强涂层与基底之间的机械结合力。处理完成后，基底还会经过超声清洗

表面形貌

在真空表面击穿过程中，介质材料的表面形貌对于决定电场分布和电子运动轨迹起着至关重要的作用，因此其三维形貌的变化值得重点关注。如图3(a)所示，带有Y₂O₃涂层的样品表面粗糙度相对较高。而对于未经处理的Y-IS0样品，其平均粗糙度为7.3微米，这一数值明显高于未经处理的氧化铝陶瓷的典型粗糙度

结论

综上所述，本研究证明，通过大气压等离子喷涂技术制备的Y₂O₃涂层能够提升真空表面的绝缘性能，同时增强材料对离子辐照的抵抗能力。材料分析结果显示，这类涂层具有较高的表面粗糙度，且化学性质较为稳定。研究还发现，离子辐照导致的表面绝缘性能下降现象，包括表面电阻率降低、陷阱密度增加以及击穿电压降低等，都能被Y₂O

作者贡献说明

Hao-Yan Liu：负责原文撰写、可视化处理、结果验证、实验研究、正式分析以及数据整理工作。Chang-Chun Qi：负责结果验证、项目监督、资源协调、实验研究以及数据整理工作。Sheng Zhou：负责可视化处理、项目监督、实验研究、正式分析以及数据整理工作。Guang-Yu Sun：负责原文的审阅与编辑、项目监督、实验研究、正式分析、数据整理以及概念构思工作。Ke Li：负责结果验证、项目监督、实验研究以及数据整理工作。Wen-Rui Li：负责结果验证工作，

利益冲突声明

所有作者均声明，自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金的资助（项目编号为51827809和52537007）。