Study on the trap distribution characteristic of alumina ceramics

Jinzhuang Lu, Lijian Ding, C.R.Li, Wei Wang, Jingchun Wang

North China Electric Power University, Beijing, P. R. CHINA

Abstract

This paper investigated the trap distribution of alumina ceramic samples with different additives and different sintering temperature respectively.

Experimental results show that the additives and sintering temperature play an important role on the trap distribution of alumina ceramics respectively, especially on the trap energy distribution

They affect the trap distribution of alumina ceramics significantly.

Introduction

Vacuum 에서 surface flashover 은 보통 insulation system 을 위한 limiting factor 로 일반적으로 사용되어진다 .

limiting factor 는 일반적으로 적용된 electric field 하에 있을 때insulation 와 유사한 치수와 vacuum gap 이 limiting factor 보다 매우 낮은 stresses 를 가질 것이다 .

최근에 trap distribution 는 pre-flashover, micro-discharge, surface charging 의 특징을 설명하는 것을 소개하고 있고 , 이러한 연구는 insulation 에 관한 trap distribution 는 vacuum 중에서flashover 처리에 중요한 역할을 한다 . 그리고 vacuum 중에 insulation 의 flashover 성능에 영향을 줄 것이다 .

이 논문에서 alumina ceramic sample 의 trap distribution 특성은isothermal decay current [ 등온감쇠 전류 (IDC)] 방법을 사용해서 연구하였다 . 이것은 주로 ceramic 준비 과정 중에 두 가지 중요한 factor인 additives 와 sintering temperature 의 영향을 고려하였다 .

Experimental setup and procedure 1

1.Test samples 이 논문에서 연구되어지는 alumina ceramic sample 은 두께가 5mm

이고 , 직경이 20mm 인 원형 원기둥 모양이고 , alumina 순도는 99.9% 이다 .

이것은 table 1 에 보여지는 것처럼 두 가지 그룹을 가지고 있다 .

Experimental setup and procedure 2

2. Brief introduction of IDC 이것은 fixed temperature 에서 시간 t 에 감소전류 I 변화를 측정하였

다 . 전류 Ι 대 시간 t 특성은 trap distribution 와 trap parameter 의 다른 것을

결정하는 직접적인 수단을 제공한다 . 고체에 삽입된 모든 carrier 는 time sequence 에 따라 고체 외부로

멀리 내보낸다 . Nt 와 Et 의 trap parameter 는 다음과 같은 식이 된다 . |Ec-Et|=kTln(vt) (1)

(2)

)(2

0 ENt

qkTdfJn t

Ec: energy of the conduction band edgeEt: electron trap energy levelk: Boltzmann constantT: absolute temperatured: sample thicknessf: initial occupancy of the traps by electronsv: attempt-to-escape frequency of electron in

trapJn: isothermal decay current densityq: electron charge t: decay time

Experimental setup and procedure 3

3. IDC experimental procedure 첫 번째 시험 sample 을 충전하기 위하여 sample IDC 사용방법의

trap distribution 를 측정하였다 . 그 충전된 system 은 needle-plate system 이다 . 음의 needle electrode 그리고 그 system 의 사이에 간격은 1mm

로 유지한다 . needle electrode 은 11kv 의 DC 전압과 그리고 25°C 의 실험온도를

적용하였다 .

Experimental setup and procedure 4

일반적인 충전시간은 30 분이다 . IDC 는 다음과 같이 기록된다 . 첫 번째 , needle electrode 은 제거한다 . 그리고 나서 원형의

동전극은 system 의 표면에 밀접하게 덮혀져 움직인다 . 두 번째 , system 은 K1 을 closing 할 경우 1 분 동안 short 된다 . 다음은 , k1 은 열리고 k2 는 닫쳤을 때 의 ampere 의 작은

전류를 측정할 수 있을 때 Keithley6514 electrometer 는 IDC 를 기록할 수 있다 .

1610

Experimental results 1

Figure2 과 Figure3 는 각 각 group1 의 sample 과 group2 의 sample 의 전형적인 IDC 를 보여준다 .

따라서 (1) 과 (2) 에서 , 그 시험 sample 의 전형적인 IDC 의 분포( Figure2 and Figure3) 로부터 계산할 수 있다 .

Experimental results 2

Figure 4 and Figure 5 는 group1 그리고 group2 의 시험 sample 을 위하여 전형적인 trap energy distribution 를 보여준다 . 명백히 그 trap distribution 는 변화가 있다 .

그 시험 결과로부터 ,alumina insulator 의 trap distribution 는 sintering temperature 와 그리고 다른 혼합물에 영향을 미친다는 결론을 내렸다 .

그룹 1 의 sample 에서 A sample 의 trap distribution 는 같은 trap에너지 level 에서 가장 높은 trap 밀도 Nt 를 가지고 있다는 것을 찾을 수 있다 . 그것은 또한 가장 높은 trap 밀도에서 trap energy level 에 일치하는 A,B 그리고 C,B sample 이 거의 같다는 것을 알 수 있다 . 또한 높은 sintering temperature 에 sample 은 trap distribution 의 낮은 밀도를 가진다 .

group2 의 sample 에서 다른 sample 의 trap distribution 는 marginally 에 변화를 가지고 있다 : 가장 높은 trap 밀도와 그리고 그들이 일치하는 trap energy level 는 양쪽 모두 다르다 .

Discussion 1

Discussion 2

이 연구에서 , 모든 sample 들은 순수한 ultrasonically 의 처리만 했고 그 외의 처리 공정은 없었다 . 단지 sintering 만 했다

그러므로 , 그 실험 결과는 각각의 alumina insulator 의 trap distribution 상의 sintering 상태와 그리고 혼합물의 영향을 나타낸다 .

일반적으로 , 절연물의 숨겨진 band 안에 많은 trap energy 가 있고 , 그리고 그 trap 은 구조상에 결함에 의해서 주로 영향을 받는다 . 또 완전한 결정 격자와 조직 결정의 화학적 구조는 trap distribution 에 영향을 줄 수 있다 .

alumina ceramic 의 sintering 기술 이론에 따르면 sintering temperature 와 부가물은 alumina 미세구조에 영향을 줄 수 있고 , 또한 조직 성장에 영향을 줄 수 있다 . 여러가지 sintering temperature 와 첨가물은 alumina 결정 조직에 변화를 가져 올 수도 있다 . 그러므로 , 몇 가지 sample 의 다양한 trap 분포는 미세구조상 ( 완전결정 격자와 조직결정의 화학적 구조 ) 의 영향을 고려함으로써 sintering 조건과 부가물의 영향에 기인한다 .

Discussion 3

위의 분석을 확실하게 하기 위해 여러 가지 sample 의 미세구조는 SEM 에 의해 관찰 되어졌고 , Figure 6 and 7 은 group 1 과 group 2의 전형적인 미세구조를 보여준다 .

Sample A 의 조직은 가장 작고 , sample C 의 조직은 가장 크다 . Sample A 의 평균 조직크기는 3μm 이고 , sample C 는 20μm 이다 . Sample D 는 가장 크고 , 평균 크기가 45μm 이다 . Group 2 에서 Sample E 와 sample F 는 같은 크기로 약 25-30μm 이다 .

group1 에 따르면 다른 sintering temperature 는 조직 크기를 변화 시키고 , 결정 조직의 화학적 구조에는 영향을 거의 주지 않는다 . 그러므로 trap 분포상에 있어서 결정구조에 불완전성의 영향은 대게 다음과 같은 경우이다 . SEM 과 sintering 기술에 기초하여 낮은 sintering temperature 는 결정 조직에 크기와는 상관이 없다 . 그 결과 작은 조직은 더 많은 결정 입계와 불완전성을 가져올 것이다 . 그러므로 더 큰 trap 밀도를 가지게 될 것이다 .

Discussion 4

그러나 trap energy 는 그 화학구조에 변화 없이 거이 같다 . (Figure 4 에서 볼 수 있다 ) 그리고 다른 부과물의 영향에 있어서 두 가지 볼 수 있다 .

1. 결정 조직에 화학적 구조가 변화되는 것이다 . 즉 가 다른 ion 에 의해 대체된다 .

2. 결정 조직의 성장이 영향을 미칠 것이다 그러므로 trap 분포가 위의 두 가지에 의해 결정된다 .: 를

대체하는 원소와 결정에 불완전성의 정밀도 . Figure 5 와 Figure 7 이 같은 sintering 상태에서 여러 가지 부가물로 trap 분포의 합성물을 보여준다 .

trap 분포는 진공 상태에서 절연체의 flashover 성능에 영향을 주는 것을 나타낸다 . 그리고 trap 분포가 sintering temperature 와 부가물 사이에 관련이 있다는 것을 나타낸다 . 이 연구는 flashover 성능과 trap 분포 사이에 관계를 나타낸다 .

3Al

3Al

Conclusions

실험 결과와 분석을 기초로 하여 다음의 결론을 도출할 수 있다 . Alumina insulator 의 sintering 상태는 trap distribution 에

영향을 준다 . 같은 형태로 제조된 alumina insulator 에서 높은 sintering

temperature 는 낮은 trap 밀도를 야기한다 . trap 분포에서 sintering temperature 와 부가물은 효과는

sintering 과정 특히 grain crystal 의 화학적 구조와 결정 grain 의 크기 변화를 통해 alumina insulator 의 미세 구조에 영향을 줄 수 있다 .

이 연구는 alumina 절연체의 trap 분포와 flashover 성능 사이의 관계를 나타내었다 .