I. Le « principal coupable » de la dégradation de la tension de tenue de l’isolateur : le phénomène de contournement de surface
Les isolants en alumine jouent simultanément un rôle d'isolation électrique et de support mécanique dans les équipements-haute puissance et les appareils à vide poussé-/vide électrique, ce qui en fait des composants clés indispensables. Cependant, dans des conditions de vide poussé et d'intensité de champ élevée, le goulot d'étranglement en matière de tension de tenue ne réside souvent pas dans le matériau en vrac mais dans les processus de surface, le plus typique étant la rupture par décharge de surface (c'est-à-dire le contournement de surface). Le contournement superficiel fait référence au phénomène par lequel, sous un champ électrique puissant, la surface d'un isolant solide et son milieu adjacent (gaz/liquide ; sous vide, accompagné d'un gaz désorbé en surface et d'une émission d'électrons) deviennent ionisés ou conducteurs. Un canal de décharge se développe le long de la surface solide, traverse l'espacement des électrodes et conduit finalement à une panne et à une défaillance de l'isolation. Ce phénomène affaiblit non seulement considérablement la tension de tenue et la fiabilité opérationnelle des équipements diélectriques haute tension -, entraînant des pertes économiques potentielles, mais sert également de goulot d'étranglement central limitant la compacité et la miniaturisation des isolants solides. Du point de vue de la comparaison des seuils, la tension d'amorçage/l'intensité du champ pour un contournement superficiel est généralement bien inférieure au niveau de claquage pour un claquage massif ou des espaces diélectriques purs. Par exemple : lorsque le vide est utilisé comme moyen isolant, l'intensité du champ de claquage critique est d'environ 35 kV/mm ; pour la céramique d'alumine comme moyen isolant en vrac, l'intensité du champ de claquage du volume critique est généralement de 30 à 40 kV/mm ; alors que dans un système d'isolation sous vide en alumine-, l'intensité du champ appliqué atteint souvent seulement un-dixième à une fraction de ces valeurs critiques avant de déclencher un contournement superficiel sur l'isolant, pouvant même causer des dommages locaux à la surface d'Al₂O₃.
II. Facteurs influençant la tension de contournement en surface
Les recherches indiquent que les facteurs affectant le contournement superficiel comprennent principalement : la forme d'onde et l'amplitude du champ électrique appliqué, le niveau de vide et la composition des gaz résiduels, la structure et le matériau de l'électrode, la géométrie et les dimensions de l'isolant, le matériau isolant et les caractéristiques de la surface (rugosité, propreté, adsorption/contamination, revêtement), la pré-décharge/cuisson et autres prétraitements, ainsi que l'état de charge de la surface et l'adsorption des gaz de surface. Du point de vue de la recherche sur les matériaux, l'accent est mis sur la composition, la forme et les caractéristiques de surface des céramiques utilisées dans l'électronique sous vide. Les principaux paramètres électriques influençant le contournement superficiel comprennent la constante diélectrique ε, la conductivité électrique σ et le coefficient d'émission d'électrons secondaires δ (SEE). En général : ① Une constante diélectrique plus élevée a tendance à améliorer la distorsion du champ électrique au niveau de la triple jonction électrode-isolant-vide, abaissant ainsi le seuil de contournement superficiel. ② Dans une plage appropriée, une conductivité de surface accrue accélère la dissipation des charges de surface et inhibe l'initiation, mais une conductivité trop élevée augmente le courant de fuite et peut conduire à une instabilité thermique, ce qui nuit à la tenue à la tension. ③ Selon le modèle SEEA, la réduction du coefficient d'émission d'électrons secondaires de surface supprime la multiplication des électrons, augmentant ainsi la tension de contournement de surface.
Concernant le modèle de mécanisme de décharge basé sur SEEA (SEE-) : le modèle d'avalanche d'émission d'électrons secondaires (SEEA) a été proposé pour la première fois par les chercheurs américains Anderson et Brainard. Ce modèle suggère que sous une haute tension appliquée, les électrons initiaux émis par la triple jonction électrode-isolant-vide gagnent de l'énergie, sont accélérés et bombardent la surface de l'isolant. Lorsque l’énergie de ces électrons impactants atteint un certain seuil, une émission d’électrons secondaires se produit, laissant simultanément des charges positives sur la surface de l’isolant. Ces électrons secondaires, sous l’influence du champ électrique, bombardent à nouveau la surface de l’isolant, générant davantage d’électrons secondaires. Ce processus se répète, conduisant finalement à une avalanche d'électrons secondaires.
III. Techniques de suppression des contours de surface pour les céramiques d'alumine
La clé pour améliorer les performances d’isolation des matériaux isolants solides réside dans le maintien des propriétés d’isolation globale tout en s’efforçant d’améliorer la tension de contournement superficiel. Sur la base des mécanismes existants, les principales voies d'amélioration se répartissent en deux catégories : ① Réduire le coefficient d'émission d'électrons secondaires de surface δ pour supprimer la multiplication des électrons ; ② Concevez la résistivité de surface dans une fenêtre appropriée pour accélérer la dissipation des charges de surface, évitant ainsi une concentration de champ local excessive et une instabilité thermique. Parallèlement à ces deux approches de « paramètres électriques matériels », l'ingénierie utilise souvent un ensemble complémentaire de mesures de contrôle de la géométrie/distribution du champ pour réduire l'intensité du champ de la triple -jonction et retarder la formation du canal. Par exemple, l'usinage d'ondulations (ou de rainures) périodiques sur la surface d'isolateurs en céramique d'alumine peut augmenter la ligne de fuite, lisser les lignes équipotentielles, réduire l'intensité du champ tangentiel au niveau de la jonction triple sans augmenter les dimensions externes, tout en interrompant également les chemins de retour des électrons et en réduisant le gain SEE effectif, retardant ainsi la formation de canaux et augmentant la tension de contournement de surface. Les crêtes des ondulations doivent être arrondies pour éviter d'introduire un renforcement local du champ au niveau de nouvelles arêtes vives.