富含离域电子的共聚物涂层增强绝缘体表面绝缘性能研究

为解决大功率脉冲装置中真空绝缘体表面绝缘性能不足的瓶颈问题，研究人员设计了一种富含离域电子的多巴胺-苯胺共聚物（PDA-PANI）涂层，通过原位合成技术将其应用于氧化铝绝缘体表面。研究表明，当多巴胺与苯胺摩尔比为1:1时，涂层可显著降低二次电子发射产率（SEY）并提升表面闪络电压，且该技术对多种聚合物绝缘体（如CLPS、PEI等）具有普适性，为高功率设备绝缘系统优化提供了新思路。

　　

论文解读

在脉冲功率设备如高梯度加速器、高功率激光器和高功率微波（HPM）向小型化、高功率发展的背景下，绝缘系统的耐压性能面临严峻挑战。真空与固体绝缘体界面处的表面闪络现象（即沿面放电）成为限制设备性能的关键瓶颈，其击穿电压远低于体材料或真空击穿电压。这一问题的核心在于表面二次电子发射产率（SEY）过高，导致电子雪崩效应加剧。尽管已有研究通过氟化、等离子体处理等方法尝试降低SEY，但针对何种化学组分能有效提升闪络电压的系统性探索仍属空白。

国家脉冲强辐射模拟重点实验室的研究团队基于前期发现——含离域电子的分子基团可降低SEY，创新性地设计了一种多巴胺-苯胺共聚物（PDA-PANI）涂层。该涂层通过多巴胺模块实现与绝缘体的牢固结合，苯胺模块则提供离域电子以改善表面绝缘性能。研究以氧化铝为基底，系统考察了不同摩尔比（3:1至1:3）涂层的SEY与闪络电压特性，并验证了最优配方在CLPS、PEI等聚合物材料上的普适性。相关成果发表于《Applied Surface Science》。

关键技术方法
研究采用原位化学氧化聚合法合成PDA-PANI涂层，通过扫描电镜（SEM）和表面粗糙度测试表征形貌，利用二次电子发射测试仪测量SEY，并在真空环境中评估闪络电压。实验覆盖5种摩尔比涂层，并扩展至4类聚合物绝缘体（CLPS、PEI、PMMA、PA66）验证普适性。

研究结果

1. PDA-PANI共聚物涂层的表征
   SEM与粗糙度分析显示，涂层未显著改变氧化铝表面形貌。X射线光电子能谱（XPS）证实苯环结构的存在，紫外光谱（UV-Vis）中300-400 nm吸收峰验证了离域电子共轭体系的形成。

2. SEY与闪络电压性能
   所有比例涂层均降低SEY并提升闪络电压，其中1:1摩尔比效果最优：SEY峰值从2.1降至1.3，闪络电压提高约40%。机理分析表明，离域电子通过分散入射电子能量抑制次级电子倍增效应。

3. 普适性验证
   在CLPS等聚合物上涂覆1:1比例涂层后，闪络电压提升幅度达30-35%，证实该技术对多样绝缘材料的适用性。

结论与意义
研究首次明确离域电子共聚物涂层可系统性优化绝缘体表面性能，1:1摩尔比PDA-PANI为最优方案。该技术突破了传统改性方法对材料基体的依赖，为脉冲功率设备绝缘系统设计提供了可推广的解决方案。未来可通过调控共聚物分子结构进一步优化性能，推动高功率设备向更高耐压等级发展。