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氮离子注入对聚四氟乙烯表面电荷积聚和消散特性的影响

刘畅 宋法伦 朱明冬 李春霞 张北镇 李飞 王淦平 龚海涛 甘延青 金晓

刘畅, 宋法伦, 朱明冬, 等. 氮离子注入对聚四氟乙烯表面电荷积聚和消散特性的影响[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200045
引用本文: 刘畅, 宋法伦, 朱明冬, 等. 氮离子注入对聚四氟乙烯表面电荷积聚和消散特性的影响[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200045
Liu Chang, Song Falun, Zhu Mingdong, et al. Influence of nitrogen ion implantation on surface charge accumulation and dissipation of polytetrafluoroethylene[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200045
Citation: Liu Chang, Song Falun, Zhu Mingdong, et al. Influence of nitrogen ion implantation on surface charge accumulation and dissipation of polytetrafluoroethylene[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200045

氮离子注入对聚四氟乙烯表面电荷积聚和消散特性的影响

doi: 10.11884/HPLPB202032.200045
基金项目: 国家自然科学基金项目(51907182);国家自然科学基金委员会与中国工程物理研究院联合基金项目(U1830129)
详细信息
    作者简介:

    刘 畅(1994-),男,硕士研究生,从事射频等离子体注入技术研究;liuchang17@gscaep.ac.cn

    通讯作者: 宋法伦(1977-),男,博士,研究员,主要从事脉冲功率技术及等离子体材料表面处理技术研究;songfalun@caep.cn
  • 中图分类号: TM215.1

Influence of nitrogen ion implantation on surface charge accumulation and dissipation of polytetrafluoroethylene

  • 摘要: 为了抑制聚四氟乙烯材料表面电荷积聚,采用射频产生氮等离子体对其表面进行等离子体浸没离子注入以改善其表面性能。对注入前后的聚四氟乙烯材料样品进行了X射线光电子能谱分析(XPS)、傅立叶红外光谱测试(FTIR)、水接触角测量、表面电阻率测量以及表面电位衰减测量,并基于等温表面电位衰减理论对其表面陷阱能级和密度分布进行了计算,以分析聚四氟乙烯样品经离子注入处理后其表面成分和物理性能的变化,并研究了这些变化对聚四氟乙烯样品表面电荷积聚和消散特性的影响。结果表明:氮离子注入后,聚四氟乙烯材料表面化学成分的主要变化是自身分子结构的破坏和转化,部分CF2结构转变为CF和CF3结构,导致样品表面陷阱能级变浅;水接触角升至140°左右,比未处理样品上升了约27°,表面电阻率降至3×1015 Ω,比未处理样品下降了两个数量级;表面电晕放电1 min后,经氮离子注入处理的聚四氟乙烯材料表面积聚电荷量减少,消散速度加快,这是因为表面陷阱能级变浅有利于表面电荷脱陷,同时表面电阻率降低也促进了表面电荷沿面传导的消散过程,聚四氟乙烯样品表面陷阱能级分布曲线也证实了这一论点。
  • 图 1  等离子体浸没离子注入系统

    Fig. 1  Plasma immersion ion implantation system

    图 2  表面电位测量系统

    Fig. 2  Surface potential measurement system

    图 3  不同射频功率和处理时间下的PTFE样品XPS能谱

    Fig. 3  XPS energy spectra of PTFE samples at different RF power and different processing time

    图 4  部分PTFE样品C元素XPS能谱

    Fig. 4  XPS energy spectrum of element C of some PTFE samples

    图 5  部分PTFE样品N元素XPS能谱

    Fig. 5  XPS energy spectra of element N of some PTFE samples

    图 6  不同射频功率和处理时间下的PTFE样品FTIR光谱

    Fig. 6  FTIR spectra of PTFE samples under different RF power and processing time

    图 7  PTFE样品表面水接触角与射频功率和处理时间的关系

    Fig. 7  Relationship between water contact angle of PTFE sample surface,RF power,and processing time

    图 8  PTFE样品表面电阻率与射频功率和处理时间的关系

    Fig. 8  Relationship between surface resistivity of PTFE samples and RF power and processing time

    图 9  不同射频功率和处理时间下PTFE样品表面中心电位随时间的衰减曲线。

    Fig. 9  Decay curve of surface central potential with time for PTFE samples under different RF power and processing time

    图 10  归一化的不同射频功率和处理时间下PTFE样品表面中心电位随时间的衰减曲线

    Fig. 10  Normalized decay curve of surface center potential of PTFE samples with different RF power and processing time

    图 11  不同射频功率和处理时间下的PTFE样品表面陷阱能级分布曲线

    Fig. 11  Distribution curve of trap level on PTFE sample surface under different RF power and processing time

    表 1  离子注入处理前后PTFE样品表面C元素各状态含量比例

    Table 1  Proportion of content of element C in PTFE sample surface before and after ion implantation

    RF power/Wprocessing time/hproportion/%
    CC=OCFCF2CF3
    0 0 31.1 8.4 1.4 58.2 0.8
    200 1 32.2 5.3 1.5 59.5 1.6
    200 2 17.4 5.3 2.1 72.9 2.2
    400 2 16.6 5.0 2.1 69.5 6.7
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    表 2  不同射频功率和处理时间下的PTFE样品表面陷阱能级和密度

    Table 2  Energy level and density of traps on the surface of PTFE samples under different RF power and processing time

    RF power/Wprocessing time/hsurface trap level/eVsurface trap density/(1020eV−1·m−3
    000.7569.82
    20010.7549.19
    20020.7558.56
    40020.7357.04
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-25
  • 修回日期:  2020-04-22
  • 网络出版日期:  2020-05-19

氮离子注入对聚四氟乙烯表面电荷积聚和消散特性的影响

    通讯作者: 宋法伦, songfalun@caep.cn
    作者简介: 刘 畅(1994-),男,硕士研究生,从事射频等离子体注入技术研究;liuchang17@gscaep.ac.cn
  • 1. 中国工程物理研究院 应用电子学研究所,高功率微波技术重点实验室,四川 绵阳 621900
  • 2. 中国工程物理研究院 研究生院,北京 100088
  • 3. 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室,哈尔滨 150001

摘要: 为了抑制聚四氟乙烯材料表面电荷积聚,采用射频产生氮等离子体对其表面进行等离子体浸没离子注入以改善其表面性能。对注入前后的聚四氟乙烯材料样品进行了X射线光电子能谱分析(XPS)、傅立叶红外光谱测试(FTIR)、水接触角测量、表面电阻率测量以及表面电位衰减测量,并基于等温表面电位衰减理论对其表面陷阱能级和密度分布进行了计算,以分析聚四氟乙烯样品经离子注入处理后其表面成分和物理性能的变化,并研究了这些变化对聚四氟乙烯样品表面电荷积聚和消散特性的影响。结果表明:氮离子注入后,聚四氟乙烯材料表面化学成分的主要变化是自身分子结构的破坏和转化,部分CF2结构转变为CF和CF3结构,导致样品表面陷阱能级变浅;水接触角升至140°左右,比未处理样品上升了约27°,表面电阻率降至3×1015 Ω,比未处理样品下降了两个数量级;表面电晕放电1 min后,经氮离子注入处理的聚四氟乙烯材料表面积聚电荷量减少,消散速度加快,这是因为表面陷阱能级变浅有利于表面电荷脱陷,同时表面电阻率降低也促进了表面电荷沿面传导的消散过程,聚四氟乙烯样品表面陷阱能级分布曲线也证实了这一论点。

English Abstract

  • 聚四氟乙烯(PTFE)是一种非常重要的聚合物材料,具有出色的物理和化学性能,如低摩擦系数、高热稳定性、高化学耐受性和高绝缘性等,是用于脉冲功率设备中绝缘支撑、真空窗等的主要材料[1]。然而,在高压下,PTFE材料易积聚表面电荷,引发沿面闪络,导致脉冲功率设备出现故障,制约脉冲功率源小型化的进一步发展。材料的表面电荷积聚和消散特性对其沿面闪络特性有重要的影响[2],诸多研究者开展了相关研究[3],包括表面电荷的积聚原理[4-5]、消散途径[6-7]和影响其分布的因素[8-10]等。Lutz[9]等研究了绝缘材料体积电导率对表面电荷积聚机理的影响;Ma[5]等研究了表面电荷的三种积聚和消散途径,并提出了各种积聚和消散途径与绝缘材料表面电场分布之间的关系;Vu[8]等研究了GIS/GIL中绝缘子表面积聚的电荷极性与外施电压的关系。

    材料表面特性是影响绝缘材料沿面耐压性能和表面电荷积聚消散特性的重要因素,包括表面粗糙度[11-13]、表面陷阱特性[14-16]、表面电阻率[17]、表面亲水性[4]等。材料表面改性[18-24]对材料的整体物理化学特性没有影响,是目前常见且受到广泛关注和研究的提高绝缘材料真空沿面闪络性能的方法。常用的材料表面改性方法有:表面氟化[18-20]、表面刻蚀[11]、磁控溅射镀膜[21]、等离子体表面处理[22-24]等。等离子体注入技术[25]是一种比较新颖的等离子体表面处理技术,具有成本低、普适性广等优点,仅改变材料表面微观结构及电学特性,材料基体结构和整体物理化学性能并不会改变。Fu等[26]使用N2/O2混合气体对尼龙-6进行离子注入处理,分析了样品表面成分变化和由憎水性向亲水性的转变机理;Zhang等[27]研究分析了氮离子注入对PTFE材料表面化学键、水接触角等表面改性情况;刘松等[28]使用氮离子对聚甲基丙烯酸和聚乙烯表面进行注入,发现其表面电阻率均有明显下降;赵二敏[29]利用氮离子对单晶硅进行注入,也得到了电阻率降低的结果。

    目前研究者对等离子体注入技术的研究多集中于对材料表面成分变化及表面粘附力、润湿性等生物化学性能的影响,对材料表面电学性能的研究和分析较少[17]。本文采用氮等离子体浸没离子注入技术处理PTFE材料样品,通过对表面成分变化、水接触角等物理化学性能以及表面电阻率、表面电位等电学性能的测量和分析,探究材料各表面要素之间的联系以及对表面电荷积聚与消散特性的影响。

    • 等离子体浸没离子注入技术(PIII)最早由美国威斯康辛大学John R. Conrad教授在1986年为材料表面改性而提出[30]。PIII过程一般采用脉冲注入方式取代连续注入方式,主要有两个优点:一是低的占空因子可以消除高压电弧放电对被处理样品表面的损伤,二是脉冲电压的运行方式可以使等离子体得到很好的恢复,有利于获得较好的空间注入剂量均匀性。

      本实验使用的离子注入系统主要由射频等离子体系统、高压脉冲电源、真空系统、冷却系统以及等离子体诊断系统等组成[31],如图1所示。真空处理室内真空度可达1×10−3 Pa以下;高压脉冲电源最大输出电压40 kV,最大输出电流15 A,脉冲宽度15~400 μs范围内可调,脉冲频率1~200 Hz范围内可调,最大占空比为1%。

      图  1  等离子体浸没离子注入系统

      Figure 1.  Plasma immersion ion implantation system

      本实验中使用的样品为尺寸75 mm×75 mm×2 mm的PTFE材料。实验前,先将样品放入无水乙醇中清洗,然后放入超声波清洗器中进行二次清洗,最后干燥样品以备实验取用。

      在离子注入实验时,向真空处理室内通入N2,工作气压为0.1 Pa。利用13.56 MHz射频电感等离子体源产生N等离子体,对样品台施加的负高压脉冲设置为−10 kV,脉冲宽度为50 μs,频率为100 Hz。在射频功率200~400 W范围内,对样品进行30~40 min的离子注入处理。

    • 采用傅立叶红外光谱测试(FTIR)、X射线光电子能谱分析(XPS)、表面电阻率测量、水接触角测量以及表面电位测量等方法,对经过氮离子注入处理前后的PTFE样品特性进行分析,以获得氮离子注入对PTFE材料表面改性的处理效果。使用X射线光电子能谱仪(ESCALAB 250Xi,Thermo Fischer,美国)进行X射线光电子能谱分析,以分析离子注入处理前后样品表面的化学成分变化。用红外光谱仪(Nicolet NEXUS 670,Thermo,美国)分析离子注入处理前后样品表面化学基团的变化,并通过衰减全反射傅里叶变换红外光谱进行表征。使用水接触角测试仪(DSA25,KRUSS,德国)来测量样品表面水接触角,测试液体为去离子水,使用量程为1 μL的微量进样器,使用静滴法在每个样品表面随机选取的测试点测量5次并将其平均值作为测试结果以减少实验误差。高电阻率仪(6517b,Keithley,美国)用于测量PTFE样品的表面电阻率。

      通过测量电晕放电注入电荷后样品的表面电位变化可以获得表面电荷的特征。本实验室研制搭建了一套表面电位测量系统,主要由充电测试系统、静电计与静电探头、二维移动机构以及数据采集平台组成,如图2所示。该表面电位测量系统的高压电极为直径1 mm,曲率半径100 μm的不锈钢放电针,针尖与测试样品上表面间的距离为5 mm,板电极接地,固定于二维移动机构上。充电结束后,通过移动机构将板电极和样品一起快速平移至Kelvin静电探头(3455ET,Trek,美国)正下方并开始表面电位测量,静电探头与测试样品上表面间的距离为5 mm,末端连接至静电计(Model341B,Trek,美国),以通过数据采集系统记录与存储样品表面电位变化数据。整个充电与测量过程均在有机玻璃箱体内进行,箱体内放有干燥剂和温湿度表以保持和监控测量环境的温度和湿度。在本实验中,有机玻璃箱内的温度和相对湿度分别为20 ℃和35%。在进行样品测试时,高压针状电极连接5 kV直流电源,充电时间为1 min;通过移动机构将样品中心移至静电探头正下方耗时10 s,静电探头每0.5 s采集一次电位值,测量时间为30 min。

      图  2  表面电位测量系统

      Figure 2.  Surface potential measurement system

    • 图3中给出了PTFE样品在不同射频功率、不同处理时间下的XPS能谱,其中图3(a)为射频功率200 W时不同处理时间下的PTFE样品的XPS能谱,图3(b)为处理时间为1 h时不同射频功率下的PTFE样品的XPS能谱。可以看出,各样品表面成分主要由F元素(对应的结合能为685.1~688.9 eV)和C元素(对应的结合能为282.6~292.7 eV)组成。

      图  3  不同射频功率和处理时间下的PTFE样品XPS能谱

      Figure 3.  XPS energy spectra of PTFE samples at different RF power and different processing time

      在各样品的C元素XPS能谱中,CF结构(对应的结合能为287.8 eV)、CF2结构(对应的结合能为290.8 eV)和CF3结构(对应的结合能为292.7 eV)分别具有不同的峰值强度,说明氮离子注入处理使得PTFE样品表面的这三种结构键发生了一定程度的相互转化,如图4所示,表1图4中各样品中C元素各种状态的占比。PTFE样品表面三种结构件发生转化的具体表现为:随着射频功率和处理时间的增长,在一定范围内(处理效果未达饱和前),CF2结构峰值强度降低和CF结构、CF3结构峰值强度增高。比较未处理样品(图4(a))与处理效果饱和样品(图4(d)),可以看出,CF2结构峰值强度由55 024.7下降至50 879.5,下降幅度约7.5%;CF结构峰值强度由1 354.6升至1 561.2,增幅约15.3%,其占比由1.4%升至2.1%;CF3结构峰值强度由785.5升至4 898.3,增幅高达约524.6%,其占比也从0.8%升至6.7%;同时,C键峰值强度随着射频功率和处理时间的增长也有一定程度的减弱,由未处理样品的29 412.5降至处理效果饱和样品的12 175.9,下降幅度约58.6%,其占比从31.1%下降至16.6%。断链后的C−自由基与F原子结合,使CF,CF2,CF3结构的含量都有所增加,这也是部分CF2结构转化为CF和CF3结构后,其占比反而上升的原因。PTFE样品经离子注入处理后发生上述变化主要是因为氮离子注入时有着较高的能量,使样品原有的主要结构CF2产生了断链、脱氟和重组等变化,使样品表面部分CF2结构转化为CF和CF3结构,CF和CF3结构增多,从而对其表面电荷积聚和消散特性产生影响。

      表 1  离子注入处理前后PTFE样品表面C元素各状态含量比例

      Table 1.  Proportion of content of element C in PTFE sample surface before and after ion implantation

      RF power/Wprocessing time/hproportion/%
      CC=OCFCF2CF3
      0 0 31.1 8.4 1.4 58.2 0.8
      200 1 32.2 5.3 1.5 59.5 1.6
      200 2 17.4 5.3 2.1 72.9 2.2
      400 2 16.6 5.0 2.1 69.5 6.7

      图  4  部分PTFE样品C元素XPS能谱

      Figure 4.  XPS energy spectrum of element C of some PTFE samples

      相较于PTFE样品表面原有的C,F元素,作为注入元素的N元素(对应的结合能为398.4 eV)具有非常低的峰值强度,如图5中PTFE样品N元素XPS能谱测量结果所示。可以看出,在各种实验条件下,PTFE样品表面经氮离子注入处理前后的N元素峰值强度基本无变化,甚至还随着射频功率、处理时间的增长,其含量呈现出了下降的趋势。纯净的PTFE中无N元素,未处理的PTFE样品表面出现N元素主要是由于其长时间放置于大气环境中,吸附空气中的N2,在离子注入处理过程中,PTFE表面吸附的N2分子获得能量从而脱附,导致PTFE样品表面N元素含量降低。结合PTFE样品表面原有的C、F元素峰值强度变化情况可知,氮离子注入的主要作用是使PTFE样品表面结构发生变化,而非引入新的成分以改变其表面成分组成。

      图  5  部分PTFE样品N元素XPS能谱

      Figure 5.  XPS energy spectra of element N of some PTFE samples

    • 图6为不同射频功率、不同处理时间下的PTFE样品的傅立叶红外光谱,表征了不同处理条件下PTFE样品表面化学键的变化情况。可以看出,位于600~700 cm−1范围内的吸收峰是C=O键的特征吸收峰,这主要是由样品表面的自由基(烷基、末端甲基型自由基等)与空气中的氧气发生反应而形成的。在氮离子注入过程中,C=O键也获得能量并发生反应,O原子从中释放并形成O2,因而C=O键的吸收峰强度随着射频功率和处理时间的增长而降低。

      图  6  不同射频功率和处理时间下的PTFE样品FTIR光谱

      Figure 6.  FTIR spectra of PTFE samples under different RF power and processing time

      图6中可看出,在1100~1300 cm−1范围内有明显的C−F键多重吸收峰,这主要来自于样品本身的化学构成。C−F键多重吸收峰的强度和位置随实验条件的变化而变化,最显著的变化是随着氮离子注入剂量的增加,在1145 cm−1(对应化学结构键CF2)附近的主能量吸收峰强度降低。出现这一变化的原因是如同上文中XPS所分析的结果,即氮离子注入PTFE样品表面所带来的主要变化是使PTFE样品表面结构基团发生变化,样品表面原有的主要结构键CF2产生了断链、脱氟和重组等变化,转化为CF,CF3结构。从图6(a)可以看出,当射频功率恒定时,CF2的吸收峰强度随着处理时间的增加而降低,直至处理效果趋于稳定;类似地,从图6(b)可以看出,当处理时间恒定时,CF2键的吸收峰强度随射频功率的增加而减小,直到处理效果趋于稳定为止。处理前后样品表面FTIR光谱呈现出这些变化,也能从另一个方面印证XPS分析结果的正确性。与未处理样品的FTIR光谱相比,经氮离子注入处理后样品的FTIR光谱未显示出明显的新的含N基团吸收峰,说明氮离子注入处理更主要的影响和改变PTFE样品表面性能的方式是通过自身携带的能量使PTFE样品表面结构发生变化,而不是使N元素留存于其表面,这也与XPS分析结果相一致。

    • 图7为氮离子注入处理后PTFE样品表面水接触角随处理时间和射频功率的变化关系。可以看出,随着处理时间的增加,在不同射频功率下处理的样品的水接触角最终都稳定在约140°,可以认为处理效果已经达到饱和。可以看出,当射频功率为400 W时,处理1 h样品的水接触角即接近饱和效果;但是当射频功率为200 W时,样品需要处理2 h才能达到饱和效果。由此可知,当处理效果未达到饱和时,样品表面的水接触角会随着离子注入剂量的增加而增大,这与文献[27]中给出的结论是一致的。

      图  7  PTFE样品表面水接触角与射频功率和处理时间的关系

      Figure 7.  Relationship between water contact angle of PTFE sample surface,RF power,and processing time

      根据表面润湿性理论,PTFE样品表面水接触角变大意味着其表面自由能降低[32],表面电荷沿其表面传导的积聚途径受到抑制。根据FTIR和XPS分析的结果,PTFE样品的表面结构受到氮离子注入处理的破坏,部分CF2结构发生断链、脱氟、重组等变化并转化为CF和CF3结构,但没有新的亲水化学基团形成。这些变化使样品的表面亲水性降低,这有利于抑制表面电荷的积聚[11]

    • 图8为不同射频功率下PTFE样品表面电阻率随氮离子注入处理时间的变化趋势。可以看出,随着处理时间的增加,处理后的PTFE样品在不同射频功率下的表面电阻率最终稳定在大约3×1015 Ω,比未处理的PTFE样品低两个数量级,可认为处理效果至此已达饱和。当射频功率为400 W时,在1~1.5 h的处理时间内PTFE样品表面电阻率趋于稳定,即接近饱和效果;当射频功率为200 W时,经过2 h的处理时间方可达到饱和效果。

      图  8  PTFE样品表面电阻率与射频功率和处理时间的关系

      Figure 8.  Relationship between surface resistivity of PTFE samples and RF power and processing time

      当处理效果未达饱和时,PTFE样品表面电阻率随离子注入剂量的增加而降低。另外,在氮离子注入处理之后,PTFE样品的表面结构基团被破坏,这种变化也使样品表面上的陷阱能级变浅[33],并促进了陷阱之间电荷的跃迁传输[34],这也有利于促进表面电荷的消散过程。

      水接触角的变化与表面电阻率的变化在相同的注入剂量下呈现出了比较高的一致性,这表明样品的表面亲水性等物理性能并不独立于表面电阻率和其他电学性能。这些表面特征相互关联并相互耦合,共同影响PTFE样品表面的电荷积聚和消散特性。

    • 图9给出了在不同射频功率和处理时间下PTFE样品的表面中心电位随时间的衰减曲线,图10为归一化的曲线关系。考虑到PTFE样品由针电极下移动至静电探头下的过程中表面电荷已经开始了其消散过程,因而各图中0时间的电位值并非完全准确的PTFE样品表面电荷初始积聚值。

      图  9  不同射频功率和处理时间下PTFE样品表面中心电位随时间的衰减曲线。

      Figure 9.  Decay curve of surface central potential with time for PTFE samples under different RF power and processing time

      图  10  归一化的不同射频功率和处理时间下PTFE样品表面中心电位随时间的衰减曲线

      Figure 10.  Normalized decay curve of surface center potential of PTFE samples with different RF power and processing time

      图910可以看出,PTFE样品的表面中心电位在撤去电压后10 min内迅速衰减,并在接下来的20 min内趋于稳定。这是因为撤去电压后表面电荷消散的主要途径是沿着PTFE样品的表面传导[35]。PTFE样品表面陷阱中的电荷脱陷,在由表面电荷自身激发的切向电场的作用下沿着PTFE样品表面传导至PTFE样品的边缘,并流入PTFE样品下方的接地板电极。随着时间的推移,PTFE样品表面上积聚的电荷减少,表面电荷自身激发的电场强度降低,因此消散速度变慢。

      图9可以看出,PTFE样品的表面中心电位的初始值和30 min衰减后的表面中心电位的稳定值均随离子注入剂量的增加而降低,表明离子注入处理有利于抑制PTFE样品表面电荷的积聚过程。这是因为PTFE样品的表面结构基团被破坏,表面陷阱能级变浅,陷阱中的表面电荷更容易脱陷,表面电荷的积聚过程受到抑制。从图10归一化表面中心电位衰减曲线可以很容易地看出,随着注入剂量的增加,PTFE表面电荷消散的相对速度明显加快,这是因为氮离子注入使PTFE样品表面电阻率降低,有利于促进表面电荷的沿面传导并加速表面电荷的消散过程。

      图11为基于等温表面电位衰减理论[36]计算出的不同射频功率和处理时间下的PTFE样品表面陷阱能级分布曲线,其中陷阱密度负值代表极性,表2图11中各曲线对应的陷阱能级深度和密度。可以看出,PTFE样品表面陷阱能级的深度和陷阱密度都随着射频功率和离子注入处理时间的增长而降低,相较于未处理的样品,经射频功率400 W离子注入处理2 h后的样品表面陷阱能级由0.756 eV降低至0.735 eV,表面陷阱密度也降低了约30%,这种变化使得PTFE样品的表面电荷更容易脱陷,促进了表面电荷的消散过程。

      表 2  不同射频功率和处理时间下的PTFE样品表面陷阱能级和密度

      Table 2.  Energy level and density of traps on the surface of PTFE samples under different RF power and processing time

      RF power/Wprocessing time/hsurface trap level/eVsurface trap density/(1020eV−1·m−3
      000.7569.82
      20010.7549.19
      20020.7558.56
      40020.7357.04

      图  11  不同射频功率和处理时间下的PTFE样品表面陷阱能级分布曲线

      Figure 11.  Distribution curve of trap level on PTFE sample surface under different RF power and processing time

      结合XPS和FTIR对PTFE样品表面成分和结构变化的分析,氮离子注入使PTFE样品表面发生断链、脱氟、重组等变化的同时,也使其表面相对于未处理的PTFE样品表面多出了大量的物理缺陷。无论是新转化形成的CF,CF3结构,还是表面多出的大量物理缺陷,其相对于原本规则、致密的PTFE样品表面都有着较低的陷阱能级,这使得氮离子注入处理过后的PTFE样品表面整体陷阱能级变浅,被陷阱捕获的表面电荷只需要更低的能量即可脱陷逃逸,并凭借经注入处理降低了的表面电阻率,迅速经PTFE表面传导并消散,加快了表面电荷的消散速率,反映在电位衰减曲线中即为表面电位衰减速率加快(图10)。PTFE样品表面整体陷阱能级变浅的另一个后果就是对表面电荷的保留能力下降,这也解释了PTFE表面中心电位经30 min衰减后趋向的稳定值随射频功率和处理时间的增长而降低的原因。

    • 本文采用等离子体浸没离子注入技术,对常用于脉冲功率设备中的PTFE绝缘材料进行了氮离子注入处理,并对离子注入前后PTFE表面成分和物理性能的变化情况进行了研究。研究结果表明:氮离子注入破坏了PTFE样品表面的化学基团结构,原有的部分CF2结构发生了断链、脱氟、重组等变化,转化为CF和CF3结构;作为注入元素的N在处理过后PTFE样品表面的含量没有明显增加;随着氮离子注入处理剂量的增加,PTFE样品表面亲水性降低,表面陷阱能级变浅且密度降低,表面电阻率降低,这些变化抑制了表面电荷在PTFE样品表面的积聚过程并加快了其消散速度,有利于提升PTFE表面绝缘特性和沿面闪络电压。

参考文献 (36)

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