真空绝缘处理在航天电子产品上的应用

真空绝缘处理是高电压绝缘防护的方法之一。本文从真空绝缘的理论入手，对某航天高压电子产品特殊工作环境进行分析，并对实际的产品进行了绝缘设计及工艺验证。结果表明，采用真空气相沉积工艺在电极表面涂敷一定厚度的Parylene涂层，可以更好地满足产品在真空环境下的绝缘防护性能要求。

Vacuum insulation technology is one of the methods of high voltage insulation article starts with the theory of vacuum insulation, analyzes the special working environment of a certain aerospace high-voltage electronic product, insulation design and process verification were performed on the actual results show that applying a vacuum vapor deposition process on the electrode surface to coat a certain thickness of Parylene coating can better meet the product's insulation and protection performance requirements in a vacuum environment.

1.引言

航天电子设备与普通的地面设备相比较有着特殊的使用环境，因此在许多方面有着特殊的要求。电子设备的绝缘问题在航天高电压设备中表现更为明显[1]。高压绝缘工艺是和绝缘材料相互结合的，不同的绝缘材料需要不同的绝缘工艺来实施。绝缘的常用方式从形态上可以分为固相、液相和气相以及真空绝缘。其中应用最广泛的时固相绝缘，固态的绝缘材料常见的代表材料有环氧树脂、硅橡胶、聚氨酯类物质。在工业领域，作为液态绝缘材料的各种绝缘油也经常应用，绝缘油有较好的击穿自愈特性和散热特性；在某些高压电子设备中还应用到了以SF6 为代表的气体绝缘材料。另外一类“绝缘”就是没有绝缘材料，而是利用真空环境进行绝缘防护的应用。常见的有真空高压接触器、真空高压开关等(真空环境下也避免了切换过程中电弧的产生)。地面的真空环境需要人工进行抽真空过程，在一个封闭的空间里形成局部的真空环境，为了保证真空度，需要对密封性能提出了较高的要求。作为宇航使用，在较高的真空环境下，不存在大量的粒子形成导电介质，因此真空绝缘是另外一种高压防护方式。对于在太空飞行的航天器来讲，真空是一个天然的、现实的外部环境，为真空绝缘应用提供了绝佳的自然条件。本文结合产品对真空绝缘的理论介绍和分析，并结合某产品的高压绝缘应用了实践和探讨。

放电和真空绝缘机理

根据Paschen 放电原理，气体的击穿电压Vs 是管内电极间距d 和管内气压P 乘积的函数。存在以下关系式：

Figure curve diagram图 曲线图备注：压力转换：1000 毫巴 = 1 巴 = 1 个大气压 = 105 帕 = 760 毫米汞柱 = 760 托。

式中，A、B0、Ф 为常数。

根据Paschen 定律，对一定的气体，存在最低的击穿电压Vsmin，该击穿电压所对应的pd 值为(pd)0，这种物理关系用相应的“帕邢(Paschen)曲线”表示，曲线在(pd)0处分为左右两支。它给出了击穿电压与压力和间隙间距的函数关系，如图1 所示。

Paschen 击穿是与气体绝缘击穿相关的效应表现。对于所有的气体或气体混合物来说，存在一个电极间的最小电压，当低于此电压时不会发生能够导致电晕或电压击穿的雪崩放电形式的电气击穿。当电位高于此最小值时，雪崩放电所需要的初始值可以基于气体或气体混合物的Paschen 曲线来求得，通过考虑不同的电场和气体固体绝缘材料进行修正得到。

雪崩放电的初始电压是一个跟气体密度、极间气隙距离有关的函数，气隙距离包括导体上不超过气隙距离的固体绝缘厚度，它完全符合雪崩击穿理论。由于雪崩击穿，总是存在最佳状态，其中分子距离(由气体压力给出)和电场强度(由总间隙距离给出)提供电离的最佳条件。对于这些“最佳”条件，结果是非常低的击穿电压。

从研究结果看，Paschen 曲线及其最小值取决于[2]：

a) 气体成分组成；

b) 电压类型：AC，DC 或脉冲(对于大多数电压类型，峰值电压是最具决定性的值)；

c) 电极材料及形状。

因此，接近于0 Pa 的真空环境，已经远在Paschen 曲线的左侧，见图1 所示，电子的自由行程远大于极间距离，使得碰撞电离实际上不可能发生，故按照碰撞电离学说，pd 极小时，Vs 将趋于无穷，真空正是理想的绝缘“材料”。但是场强或温度的继续提高，阴极会出现强场发射而导致击穿和微粒引发的击穿。强场发射和材料特性、温度和场强相关。试验表明，压力低于133 Pa 后，击穿场强很高，且与剩余压力关系很小；但剩余压力高于133 Pa 时，击穿场强急剧下降。电极表面的绝缘杂质、电极表面与电机绝缘的金属、非金属微粒都是很强的场致电子发射点[3]。

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