I. "ผู้ร้ายหลัก" ของฉนวนทนต่อการเสื่อมสภาพของแรงดันไฟฟ้า: ปรากฏการณ์วาบไฟที่พื้นผิว
ฉนวนอลูมินามีบทบาทเป็นฉนวนไฟฟ้าและการสนับสนุนทางกลในอุปกรณ์ที่มีกำลังสูง-และ-อุปกรณ์สุญญากาศ/ไฟฟ้าสูง ทำให้เป็นส่วนประกอบหลักที่ขาดไม่ได้ อย่างไรก็ตาม ภายใต้สภาวะสุญญากาศสูงและสนามแม่เหล็กที่มีกำลังแรงสูง ปัญหาคอขวดในการทนต่อแรงดันไฟฟ้ามักจะไม่อยู่ในวัสดุเทกอง แต่อยู่ในกระบวนการที่พื้นผิว โดยทั่วไปมักเกิดจากการพังทลายของการปล่อยประจุที่พื้นผิว (เช่น การวาบไฟตามผิวที่พื้นผิว) การวาบไฟตามผิวตามพื้นผิวหมายถึงปรากฏการณ์ที่พื้นผิวของฉนวนแข็งและตัวกลางที่อยู่ติดกัน (ก๊าซ/ของเหลว ในสุญญากาศ พร้อมด้วยก๊าซดูดซับและการปล่อยอิเล็กตรอนที่พื้นผิว) กลายเป็นไอออนหรือเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ภายใต้สนามไฟฟ้าแรงสูง ช่องจ่ายไฟจะพัฒนาไปตามพื้นผิวแข็ง ขยายช่องว่างของอิเล็กโทรด และนำไปสู่การพังทลายและความล้มเหลวของฉนวนในที่สุด ปรากฏการณ์นี้ไม่เพียงแต่ทำให้แรงดันไฟฟ้าทนและความน่าเชื่อถือในการปฏิบัติงานของอุปกรณ์อิเล็กทริกแรงดันสูง-อ่อนลงอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งทำให้เกิดความสูญเสียทางเศรษฐกิจที่อาจเกิดขึ้น แต่ยังทำหน้าที่เป็นคอขวดหลักที่จำกัดความกะทัดรัดและการย่อขนาดของฉนวนแข็ง จากมุมมองการเปรียบเทียบเกณฑ์ แรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น/ความแรงของสนามสำหรับการวาบไฟตามผิวตามพื้นผิวมักจะต่ำกว่าระดับการแยกย่อยสำหรับการสลายจำนวนมากหรือช่องว่างไดอิเล็กตริกบริสุทธิ์ ตัวอย่างเช่น: เมื่อใช้สุญญากาศเป็นสื่อฉนวน ความแรงของสนามพังทลายวิกฤตจะอยู่ที่ประมาณ 35 kV/mm; สำหรับอลูมินาเซรามิกที่เป็นสื่อฉนวนจำนวนมาก ความแรงของสนามสลายปริมาตรวิกฤติโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 30–40 kV/mm; ในขณะที่ระบบฉนวนสุญญากาศอลูมินา- ความแรงของสนามไฟฟ้าที่ใช้มักจะสูงถึงเพียงหนึ่ง-หนึ่งในสิบของค่าวิกฤตเหล่านี้ ก่อนที่จะกระตุ้นให้เกิดวาบไฟที่พื้นผิวบนฉนวน ซึ่งอาจก่อให้เกิดความเสียหายเฉพาะที่กับพื้นผิว Al₂O₃ ได้ด้วย
ครั้งที่สอง ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อแรงดันวาบไฟของพื้นผิว
การวิจัยระบุว่าปัจจัยที่ส่งผลต่อการวาบไฟตามพื้นผิวโดยหลัก ได้แก่ รูปคลื่นและแอมพลิจูดของสนามไฟฟ้าที่ใช้ ระดับสุญญากาศและองค์ประกอบของก๊าซตกค้าง โครงสร้างและวัสดุของอิเล็กโทรด รูปทรงและขนาดของฉนวน วัสดุฉนวนและคุณลักษณะของพื้นผิว (ความหยาบ ความสะอาด การดูดซับ/การปนเปื้อน การเคลือบ) -การปล่อยประจุ/การอบ และการปรับสภาพอื่นๆ ตลอดจนสถานะการชาร์จของพื้นผิวและการดูดซับก๊าซบนพื้นผิว จากมุมมองการวิจัยวัสดุ มุ่งเน้นไปที่องค์ประกอบ รูปร่าง และลักษณะพื้นผิวของเซรามิกที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สุญญากาศ พารามิเตอร์ทางไฟฟ้าที่สำคัญที่มีอิทธิพลต่อการวาบไฟตามพื้นผิว ได้แก่ ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก ε ค่าการนำไฟฟ้า σ และค่าสัมประสิทธิ์การปล่อยอิเล็กตรอนทุติยภูมิ δ (SEE) โดยทั่วไป: 1 ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่สูงขึ้นมีแนวโน้มที่จะเพิ่มความบิดเบี้ยวของสนามไฟฟ้าที่จุดเชื่อมต่อสามขั้วของอิเล็กโทรด–ฉนวน–สุญญากาศ ซึ่งจะทำให้เกณฑ์การวาบไฟตามผิวของพื้นผิวลดลง 2 ภายในช่วงที่เหมาะสม ค่าการนำไฟฟ้าของพื้นผิวที่เพิ่มขึ้นจะช่วยเร่งการกระจายประจุของพื้นผิวและยับยั้งการเริ่มต้น แต่ค่าการนำไฟฟ้าที่สูงเกินไปจะเพิ่มกระแสรั่วไหล และอาจนำไปสู่ความไม่เสถียรทางความร้อน ซึ่งเป็นอันตรายต่อการทนต่อแรงดันไฟฟ้า 3 ตามแบบจำลอง SEEA การลดค่าสัมประสิทธิ์การปล่อยอิเล็กตรอนทุติยภูมิที่พื้นผิวจะยับยั้งการคูณอิเล็กตรอน ดังนั้นจึงเป็นการเพิ่มแรงดันไฟแฟลชโอเวอร์ที่พื้นผิว
เกี่ยวกับแบบจำลองกลไกการปล่อยอิเล็กตรอนตาม SEEA (SEE-): แบบจำลองการปล่อยอิเล็กตรอนถล่ม (SEEA) ทุติยภูมิได้รับการเสนอครั้งแรกโดยนักวิชาการชาวอเมริกัน แอนเดอร์สัน และ เบรนาร์ด แบบจำลองนี้แสดงให้เห็นว่าภายใต้แรงดันไฟฟ้าแรงสูงที่ใช้ อิเล็กตรอนตั้งต้นที่ปล่อยออกมาจากหัวต่อสามแยกอิเล็กโทรด–ฉนวน–สุญญากาศจะได้รับพลังงาน จะถูกเร่ง และโจมตีพื้นผิวฉนวน เมื่อพลังงานของอิเล็กตรอนที่ส่งผลกระทบถึงเกณฑ์ที่กำหนด การปล่อยอิเล็กตรอนทุติยภูมิจะเกิดขึ้น พร้อมปล่อยประจุบวกไว้บนพื้นผิวฉนวน อิเล็กตรอนทุติยภูมิเหล่านี้ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า จะโจมตีพื้นผิวฉนวนอีกครั้ง ทำให้เกิดอิเล็กตรอนทุติยภูมิมากขึ้น กระบวนการนี้เกิดขึ้นซ้ำ และในที่สุดก็นำไปสู่หิมะถล่มของอิเล็กตรอนลำดับที่สอง
ที่สาม เทคนิคการปราบปรามการวาบไฟของพื้นผิวสำหรับเซรามิกอลูมินา
กุญแจสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพของฉนวนของวัสดุฉนวนแข็งอยู่ที่การรักษาคุณสมบัติของฉนวนจำนวนมากในขณะที่มุ่งมั่นที่จะเพิ่มแรงดันไฟวาบไฟที่พื้นผิว ตามกลไกที่มีอยู่ เส้นทางหลักสำหรับการปรับปรุงแบ่งออกเป็นสองประเภท: 1 ลดค่าสัมประสิทธิ์การปล่อยอิเล็กตรอนทุติยภูมิที่พื้นผิว δ เพื่อระงับการคูณอิเล็กตรอน; 2 ออกแบบความต้านทานของพื้นผิวภายในหน้าต่างที่เหมาะสมเพื่อเร่งการกระจายประจุของพื้นผิว ดังนั้นจึงหลีกเลี่ยงความเข้มข้นของสนามในท้องถิ่นที่มากเกินไปและความไม่เสถียรทางความร้อน ควบคู่ไปกับแนวทาง "พารามิเตอร์ทางไฟฟ้าของวัสดุ" ทั้งสองวิธีนี้ วิศวกรรมมักจะใช้ชุดมาตรการควบคุมการกระจายเรขาคณิต/สนามที่เสริมกัน เพื่อลดความแรงของสนามสามทางแยก-และทำให้การสร้างช่องสัญญาณล่าช้า ตัวอย่างเช่น การตัดเฉือนลอนเป็นระยะ (หรือร่อง) บนพื้นผิวของฉนวนอลูมินาเซรามิกสามารถเพิ่มระยะห่างตามผิวฉนวน เส้นศักย์ไฟฟ้าที่เรียบ ลดความแรงของสนามสัมผัสที่จุดเชื่อมต่อสามจุดโดยไม่เพิ่มขนาดภายนอก ขณะเดียวกันก็รบกวนเส้นทางกลับของอิเล็กตรอน และลดการเพิ่ม SEE ที่มีประสิทธิภาพ จึงชะลอการสร้างช่องสัญญาณและเพิ่มแรงดันไฟฟ้าวาบไฟที่พื้นผิว หงอนของลอนควรโค้งมนเพื่อหลีกเลี่ยงการปรับปรุงสนามในพื้นที่ที่ขอบคมใหม่