静电电磁脉冲场诱发聚四氟乙烯材料表面闪络实验

张岩，张路，刘尚合，胡小锋，钱禹行，张建平

1.陆军工程大学石家庄校区 电磁环境效应国家级重点实验室，石家庄 050003 2.河北科技大学 电气工程学院，石家庄 050018

航天器在轨运行期间面临着复杂的空间电磁环境，航天器表面材料和内部电子器件在复杂电磁环境中易发生充放电效应，进而引发航天器故障甚至失效。美国国家地球物理数据中心(NGDC)统计的1 000多件航天器充放电事件中，有近百件充放电事件与空间电磁环境扰动有关。静电放电(Electrostatic Discharge，ESD)是航天器空间充放电效应的主要组成部分，2007年美国国家航空航天局(NASA)统计了4家权威机构数据库，在国外共发生的326起空间环境引发的卫星故障中，静电效应占54.2%，ESD不仅会对航天器上各类设备及系统的正常工作造成干扰，其产生的电磁脉冲也可能引起航天器表面材料发生闪络或太阳能电池阵工作性能下降。聚四氟乙烯(PTFE)因其出色的高绝缘性、热稳定性和耐空间辐照性能，被广泛用作航天器表面的绝缘隔热材料，但因高绝缘性会使PTFE表面极易因载流子注入而积累电荷，从而可能导致其表面容易被外界因素诱导发生闪络，威胁航天器在轨期间安全运行。

针对上述问题，国内外已经开展了相关研究，主要集中在聚四氟乙烯材料表面闪络特性及场诱发电晕放电等方面。周立栋等研究了聚四氟乙烯材料沿面闪络特性，在正常大气压下得到了闪络电压值及电压、电流波形，根据闪络次数对闪络电压的影响提出了能较为准确地描述聚四氟乙烯闪络电压的方法。范亚杰等研究了聚四氟乙烯材料在空间粒子环境中闪络规律及其影响因素，获得了高真空低能电子辐照下PTFE高压直流沿面闪络电压及PTFE在辐照前后的陷阱密度，同时分析了影响PTFE沿面闪络电压的因素。Du等研究了不同温度下的表面充电和闪络电压行为，发现表面分子结构的改变抑制了表面电荷的积累，从而抑制电场的畸变，可有效提高不同温度下的闪络电压。文献[26-28]开展了静电电磁脉冲诱发电晕放电实验研究，获得了不同气压下电磁脉冲辐照诱发电晕放电的阈值电压、电流波形、放电区域辐射场等参数。谢喜宁和胡小锋设计了一种静电放电模拟装置并应用于实验中，得出了静电电磁脉冲辐射场诱发针-球电极结构放电的规律，考虑到了静电电磁脉冲诱发空气式结构放电的特性。由此可知，关于静电电磁脉冲场诱发聚四氟乙烯材料表面闪络的相关研究仍缺乏相应的实验分析。

针对以上问题，本文根据二次电子发射雪崩(SEEA)模型推导并分析了影响闪络发生的因素，利用设计的实验系统和测试样品对静电电磁脉冲环境下诱发聚四氟乙烯材料表面闪络的机制、规律进行初步的探索，以期得到大气环境下聚四氟乙烯表面的带电特点及诱发闪络的基本规律，为强电磁场环境下航天器在轨运行安全防护措施的研究提供借鉴。

1 基本理论

1.1 无外加静电电磁脉冲场时闪络电压分析

针对聚四氟乙烯表面闪络问题，对闪络电压进行分析推导，在SEEA模型中，针-板电极施加电极电压后，在电极-PTFE-空气三节点处会形成畸变电场，畸变电场处场致发射出初始电子(如图1所示)，初始电子经场加速撞击材料表面向表面上方发射出二次电子，而正电荷留在材料表面，由此产生垂直于材料表面的电场：

=(2)

(1)

式中：为表面电子密度；为自由介电常数，=8.85×10F/cm。

图1 针-板电极间场分布Fig.1 Field distribution between needle-plate electrodes

合成电场与材料表面夹角为

(2)

式中：为恰好发生闪络时电极电压形成的水平电场；为材料表面的垂直电场；为电子碰撞能量；为发射电子能量，=4.7 eV。

材料表面的闪络电流密度可表示为

=

(3)

式中：为电荷密度;为电子平均速度。则单位面积内闪络的解吸附气体分子临界值为

=[()]

(4)

式中：为脱附系数；为电子电荷量；为绝缘材料表面解吸附气体分子脱附的平均速度；为电极间距。

根据材料表面的解吸附气体理论及式(2)、式(4) 可得出恰好发生闪络时电极电压形成的水平电场和闪络电压阈值的理论表达式：

(5)

(6)

由式(6)可得在无外加场时的闪络电压阈值。当电极间所加电压大于无外加场时的闪络电压阈值时，就会发生闪络现象，此时的闪络是由电极间电压引起的，称之为自发闪络；当电极间所加电压小于无外加场时的闪络电压阈值时，则不会发生闪络现象。

1.2 有外加静电电磁脉冲场时闪络电压分析

当有外加场作用时，如图1所示，针-板电极间外加电场可以分解为水平分量和垂直分量，与的夹角为，根据电磁场理论，聚四氟乙烯表面电子密度及正离子密度为

==2tan

(7)

假设电子质量为，电子初始发射方向与聚四氟乙烯材料表面夹角为，得电子初始运动速度的水平分量和垂直分量分别为

(8)

已知电子电荷量为，得电子的水平加速度和垂直加速度分别为

(9)

电子运行到绝缘体表面法向距离最远点(与聚四氟乙烯表面垂直距离最远)时法向速度衰减为0，于是得电子运动至距离绝缘体表面法向最远距离时所需时间Δ、电子从距离绝缘体表面法向最远距离回落后切向运行距离Δ分别为

(10)

(sincos+sin)

(11)

当电子回到绝缘体表面时，其法向速度与初始法向速度大小相等、方向相反，其切向速度为

(12)

整个过程中电子在电场作用下向阳极作定向运动，形成电流，切向闪络电流密度大小取决于电荷密度及切向漂移的速度，于是有

(13)

根据式(11)推导得出的电子切向运动距离Δ可知单位长度电子碰撞绝缘材料表面的次数为1/Δ，进而可以得到绝缘体表面法向闪络电流密度为

(14)

绝缘体表面吸附气体的脱附速率直接依赖于撞击绝缘体表面的电子密度，电子碰撞脱附速率=/，其中为电子碰撞截面面积，根据文献[30]可知，平均脱附碰撞截面面积=10cm。

通过预测闪络过程中的放气率可得电子激励绝缘体表面吸附气体的脱附系数，令绝缘体表面吸附气体的电子诱导脱附系数为，得绝缘表面闪络电流密度为

(15)

令脱附气体离开绝缘体表面的速率为，得脱附气体分子密度为

(16)

进一步得到针-板电极间距为的绝缘体表面脱附气体分子密度为

(17)

将式(13)代入式(17)再转化，可得

(18)

(19)

由式(19)可得外加场在电极间感应的电压分量。

由此可知，有外加场作用在测试单元时，引发闪络的电压中不仅包含针-板电极所接高压源电压，还包括外加场在电极间感应生成的电压分量，此时闪络电压条件为

=+≥

(20)

此时只需满足≥-就能发生闪络，如果静电电磁脉冲场感应电势与电极电压之和恰好等于闪络电压阈值，则称此时的静电电磁脉冲场强为诱发临界场强。而根据文献[31]可知，参照国际电工委员会标准IEC 61000-4-2进行接触式静电放电实验时，在ESD模拟器与垂直金属耦合板产生的静电电磁脉冲场近场区具有场强随机性，可能导致相同ESD模拟器输出电压下发射的静电电磁脉冲场强大小和方向不一致，每次的重复性较低(在远场区重复性较高，但是场强很小，不利于诱发闪络的判断，为更准确地判断静电电磁脉冲是否能够诱发闪络，应选择场强较大的近场区进行实验)，因此感应电压与电极电压之和为不确定的随机值，所以即使在外加静电电磁脉冲场的作用下使+=时，诱发闪络也存在概率问题，称此时的静电电磁脉冲场强为诱发临界场强。

当静电电磁脉冲场强远大于诱发临界场强时，能保证产生的感应电势远大于闪络电压与电极电压之差(≫-)，则可以实现诱发闪络；当静电电磁脉冲场强在诱发临界场强附近时，由于静电电磁脉冲场的发射随机性，此时的诱发闪络存在概率问题；当静电电磁脉冲场强小于诱发临界场强时，感应电势<-，则不能诱发闪络。为验证上述理论(即静电电磁脉冲场能够诱发闪络且存在概率)搭建了静电电磁脉冲场诱发闪络实验平台，验证外加场对于聚四氟乙烯表面闪络的诱发闪络特性。

2 实验系统及实验装置

2.1 实验系统

参照国际电工委员会标准IEC 61000-4-2，静电电磁脉冲诱发聚四氟乙烯表面针-板电极结构闪络实验系统在大气环境下进行，该系统主要由ESD模拟器、诱发放电实验平台和温度和湿度控制监测系统3部分组成，如图2所示。

利用ESD模拟器中的放电枪对耦合板进行非接触式放电产生静电电磁脉冲辐射场，以此为背景电磁场作用于测试单元，使其产生诱发闪络效应。通过调节聚四氟乙烯材料表面针-板电极间电压()和ESD模拟器输出电压()，研究静电电磁脉冲场诱发绝缘材料表面高压电极间发生闪络的情况，测量诱发闪络的电流信号波形，并结合不同条件下诱发闪络的次数和概率，得出静电电磁脉冲场诱发聚四氟乙烯材料闪络特性的规律。

图2 实验系统示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental system

2.2 实验装置

实验中诱发聚四氟乙烯表面针-板电极结构闪络的实验系统主要由4部分组成：第1部分为测试单元，由贴附于聚四氟乙烯材料表面的铝箔电极组成，电极结构采用针-板型(图3和图4(a)中5)；第2部分为静电电磁脉冲场发生器，由ESD模拟器(图4(a)中1)、放电枪(图4(a)中2)和垂直金属耦合板(图4(a)中3)构成，ESD模拟器为ESS-200AX型；第3部分为电极间所加高压源(图4(a)中4)，采用GLOW 28720直流高压电源；第4部分为闪络检测装置，包括泰克公司Tektronix TDS7404B型示波器、Tektronix CT-1电流探头(伏安输出特性5 mV/1 mA)、为保护实验设备配备的30 dB衰减器，此模块对诱发绝缘材料闪络时的电流信号波形进行检测。

测试单元(如图4(b)所示)放置在环境控制装置中，保持环境温度为20 ℃、湿度为40% RH；实验过程中对闪络电流采集装置进行过流保护，为避免电流过大损坏示波器，串接30 dB衰减器；电流探头对诱发闪络电流波形进行采集，整体实验系统如图4(a)所示。

该实验以静电电磁脉冲辐射场模拟空间辐射场，采用航天器表面常用的绝缘隔热材料聚四氟乙烯作为实验中的绝缘材料，针-板电极模拟绝缘材料表面上可能存在的放电电极结构。利用静电电磁脉冲辐射场诱发针-板电极结构下绝缘材料表面发生闪络，测量诱发闪络时的放电电流信号，根据IEC 61000-4-2规定的不同实验电压等级进行实验，分析不同场强诱发闪络的规律及放电电流，为空间装备静电防护及加固设计提供实验支撑。

图3 PTFE表面电极结构Fig.3 Electrode structure on PTFE surface

图4 实验系统及测试单元Fig.4 Experimental system and test unit

3 实验方法及过程

实验在大气环境条件下进行，实验中ESD模拟器的放电枪对垂直金属耦合板进行非接触式放电产生静电电磁脉冲辐射场，以此辐射场为实验背景场作用于测试单元。通过改变ESD模拟器输出电压实现不同场强静电电磁脉冲辐射场的模拟。为减少实验误差，避免ESD模拟器充电时间对实验结果的影响，实验中静电电磁脉冲场作用60次，每次时间间隔为2 s，去掉前20次和后20次，仅保留中间20次的实验数据，然后整理成功诱发闪络的次数，计算诱发闪络的概率(“静电电磁脉冲场成功诱发闪络的次数”与“静电电磁脉冲场作用次数”的比值)。另外，为避免因闪络导致材料表面绝缘特性的改变，进而影响实验结果，实验中每次诱发闪络都要更换聚四氟乙烯样件，并且每个样件都取自同一批次聚四氟乙烯材料，样件上电极位置保持不变。

实验步骤如下：

通过调节四氟乙烯材料表面针-板电极所连接的直流高压源，改变针-板电极间电压，使电极结构下的聚四氟乙烯材料表面刚好发生闪络，此时的针-板电极所加电压即为闪络的初始阈值，进行诱发闪络实验时，为验证静电电磁脉冲场是否诱发闪络，针-板电极间所加电压将不超过此阈值。

将降为0，连续使用静电电磁脉冲场辐照测试单元，缓慢提升至恰好发生闪络为止，即可测出此时电磁脉冲辐照下的闪络电压阈值。在此基础上，保持ESD模拟器输出电压不变，改变，观察诱发闪络次数，得到不同电极电压下的诱发规律。

将电极电压降至自然闪络电压阈值以下。然后保持不变，改变，再次观察诱发闪络次数，得到不同ESD模拟器输出电压下的诱发规律。

在步骤1～步骤3过程中，通过电流探头测量板电极接地线上的诱发放电电流信号波形，判断测试单元是否发生闪络，据此研究在不同电极电压和ESD模拟器输出电压下静电电磁脉冲诱发闪络的概率，分析归纳出诱发聚四氟乙烯闪络的特性规律。

4 实验结果与分析

4.1 诱发闪络的判定

当聚四氟乙烯材料表面针-板电极发生闪络时，电流互感器和电压探头将会测量到闪络电流信号，通过示波器显示波形如图5所示，图5(a)～图5(f)给出了不同ESD模拟器输出电压和电极电压条件下发生闪络时的电流波形。其中，图5(a)为=-2.9 kV、=0时无外加静电电磁脉冲场且电极电压达到闪络电压阈值时的自发闪络电流波形，图5(b)为=0、=-30 kV时不加电极电压时静电电磁脉冲场在放电单元及接地线路上因电磁感应产生的电流波形。

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图5 不同U1和U2下电磁感应电流及闪络电流波形Fig.5 Waveforms of electromagnetic induction current and flashover current for different U1 and U2

图5(c)～图5(f)为诱发闪络电流波形，这些波形的特点是由两个连续的衰减震荡波组成，第1个衰减震荡波为静电电磁脉冲辐射场在放电回路中感应的电流波，第2个衰减震荡波为静电电磁脉冲辐射场诱发闪络电流波。为方便区分这两个波，分别在图5(c)～图5(f)中标记B～E点，B～E点之前的震荡波分别代表静电脉冲在放电单元及接地线路上由于电磁感应产生的电流波，B～E点之后的震荡波代表闪络电流波。B～E点表示感应电流衰减至0时刻的点。通过观察示波器是否出现B～E点之间的两个连续的衰减震荡波判断静电电磁脉冲辐射场是否成功诱发闪络。

4.2 诱发闪络规律分析

图6给出了ESD模拟器输出电压为-30 kV 时诱发闪络概率和电极电压之间的关系，其中分别取-1.6、-1.7、-1.8、-2.0、-2.2，-2.4 kV，固定为-30 kV。整体来看，诱发闪络概率与电极电压正相关，尤其从-1.7 kV至-1.8 kV时诱发闪络概率呈跳跃式增长，在为-2.0、-2.2、-2.4 kV时诱发闪络概率均为100%，说明电极电压在-2.0 kV 以上时均可成功实现诱发。

图7给出了电极电压为-2.0、-2.4、-2.6、-2.8 kV时诱发闪络概率与ESD模拟器输出电压之间的关系，可看出在相同电极电压下随ESD模拟器输出电压的增大，诱发闪络的概率增大。ESD模拟器输出电压在-25～-10 kV时被诱发闪络概率由高至低的电极电压等级依次为-2.8、-2.6、-2.4、-2.0 kV，值得注意的是ESD模拟器输出电压在-30～-25 kV时全部诱发闪络。因此，ESD模拟器输出电压与电极电压的变化都会影响诱发闪络的概率，ESD模拟器输出电压升高及电极电压的升高会直接导致发生闪络的概率增大。

图6 诱发闪络概率与电极电压的关系Fig.6 Relationship between probability of induced flashover and electrode voltage

图7 诱发闪络概率与ESD模拟器输出电压的关系Fig.7 Relationship between probability of induced flashover and export voltage of ESD simulator

在电极电压为-2.8 kV的条件下，ESD模拟器输出电压为-10、-5、-2 kV时的诱发闪络情况见表1，此时由于等级比-30、-25 kV 低，静电电磁脉冲辐射场能量较小，以至于不易诱发闪络。为-10 kV时，当静电脉冲辐照第13次时发生首次闪络现象；为-5 kV 时，当静电脉冲辐照第18次时发生首次闪络现象；为-2 kV时，当静电脉冲辐照第26次时发生首次闪络现象。以上3种情况说明ESD模拟器输出电压越高，首次诱发闪络所需要的静电电磁脉冲辐射场辐照次数越少。这是由于静电电磁脉冲辐射场辐照测试单元时会在针-板电极及聚四氟乙烯材料表面产生充电电荷累积效应，ESD模拟器输出电压越高，每次静电电磁脉冲辐照充电累积电荷量越多，越早达到闪络阈值，进而发生闪络现象。

表2给出了电极电压为-2.8、-2.4、-2.0、-1.6 kV条件下，ESD模拟器输出电压固定为-20 kV时的诱发情况，可看出为-2.8 kV时，当静电电磁脉冲辐照第2次时发生首次闪络现象；为-2.4 kV时，当静电电磁脉冲辐照第3次时发生首次闪络现象；为-2.0 kV 时，当静电电磁脉冲辐照第9次时发生首次闪络现象；为-1.6 kV时，当静电电磁脉冲辐照第37次时发生首次闪络现象。结果说明电极电压等级越高，静电电磁脉冲场首次诱发闪络所需的辐照次数越少。这是因为电极两端的电压越高，在电极-PTFE-空气三节点处形成的畸变电场强度越大，进而导致畸变电场处场致发射出的初始电子数目增多且速度加快，置于场内的电子加速度同样增大，电子被加速撞击材料表面后产生的二次电子增多，因此需要较少的辐照次数就能积累较多的电子。

表1 不同ESD模拟器输出电压下诱发闪络情况

表2 不同电极电压下诱发情况Table 2 Flashover induction for different electrode voltages

4.3 诱发闪络机制分析

根据1.2节中式(20)所示诱发闪络电压条件=+≥以及实验结果可知：

1) 无外加静电电磁脉冲场时，施加的电极电压会在电极-聚四氟乙烯-空气三结点处形成畸变电场，致使三结点处场致发射出初始电子，初始电子被电场加速撞击聚四氟乙烯表面，使聚四氟乙烯表面气体分子解吸附(脱附)产生二次电子，提升聚四氟乙烯表面电离度，引发闪络现象。实验得到了闪络电压阈值=-2.9 kV，当电极电压远大于闪络电压(≫)时，电极电压在电极-PTFE-空气三节点处形成的畸变电场强度足够大，导致畸变电场处场致发射出的初始电子数目多且速度快，置于场内的电子加速度足够大，电子被加速撞击材料表面后产生的二次电子增多，电子增多后材料表面导电性增强，极易发生闪络。如图5(a)所示为实验中=-2.9 kV时发生闪络的波形；当电极电压小于闪络电压(<)时，电极电压在电极-PTFE-空气三节点处形成的畸变电场强度小，即电场的电场强度没有达到击穿场强阈值，电子加速积累动能不足，撞击中性气体分子或聚四氟乙烯表面时导致发生电离的概率大幅降低，生成的二次电子数目极少，不会形成闪络。

在实验中，虽然静电电磁脉冲场的近场区具有场强随机性，导致诱发放电现象不稳定，但增大ESD模拟器输出电压(即增强静电电磁脉冲场的场强)从根本上还是会提高诱发闪络的概率。整理实验结果如图6和图7所示，将电极电压调至-2.0 kV，当ESD模拟器输出电压=-30 kV时，施加静电电磁脉冲诱发闪络的概率为100%，此时+≫；当ESD模拟器输出电压=-20 kV时，诱发闪络概率下降到了18%左右，此时+≥；当ESD模拟器输出电压=-10 kV时，诱发闪络概率为0，此时+<。

因此，通过1.2节的理论分析，结合4.2节图6和图7中的实验结果确定闪络电压条件为=+≥；明确了外加静电电磁脉冲场可诱发闪络，同时由静电电磁脉冲场的近场区具有场强随机性可知，每次发射的场强大小不能保证完全一致，这就会导致感应电压的大小具有随机性，所以即使外加静电电磁脉冲场强足够大，诱发闪络也存在概率问题。具体情况可分为以下3种：

① 当静电电磁脉冲场强远远大于诱发临界场强时，能保证产生的感应电势≫-，则诱发闪络的概率为100%。

② 当静电电磁脉冲场强在诱发临界场强附近时，由于静电电磁脉冲场的发射随机性，不能保证每次发射脉冲的感应电势>-，此时的诱发闪络就存在概率问题。

③ 当静电电磁脉冲场强小于诱发临界场强时，感应电势<-，诱发概率为0。

5 结 论

首先依据SEEA模型进一步分析了诱发闪络的电极电压阈值，然后基于典型的表面针-板电极结构设计了静电电磁脉冲场辐照诱发闪络实验系统，对聚四氟乙烯材料表面进行了诱发闪络实验，并对所得实验数据进行了整理分析，解释了实验现象和机制。通过理论分析结合实验，得到以下结论：

1) 充分证明了静电电磁脉冲场辐照诱发聚四氟乙烯表面闪络现象的存在。

2) 通过理论分析可得影响闪络电压阈值的因素。通过实验可知在一定的静电电磁脉冲场强下，能确定该场强下诱发闪络的电极电压阈值。

3) 在电极电压一定时，随着静电电磁脉冲场强的增加，电极间感应电压会增大，增大的感应电压叠加到电极电压上后可提高发生闪络的概率。

4) 当静电电磁脉冲场强一定时，随着电极电压的升高，电极间电压更接近闪络电压阈值，诱发闪络的概率逐渐增大。

实验所得结论可为航天器表面的防静电安全技术提供理论支撑，为航天装备静电防护的进一步研究奠定实验基础，对于强电磁场环境下航天器在轨运行安全防护措施的研究具有借鉴意义。