高压气体绝缘设备如气体绝缘输电管道(Gas insulated line, GIL)及组合电器(Gas insulated switchgear, GIS)是新能源规模化利用和增强电网抵抗自然灾害能力的关键装备。作为其重要部件的环氧树脂绝缘子却频发因气固界面电场分布不均匀造成的沿面闪络故障，成为限制设备性能提升的技术瓶颈之一。研究气固界面电场调控与优化方法，对促进电力设备的可靠性提升和小型化发展具有重要意义。本文提出了表层功能梯度材料(Surface functionally graded materials, SFGM)的概念并将其应用于绝缘子表面改性，通过理论分析、仿真计算和实验测试等手段，对交流气体绝缘设备中SFGM绝缘子的电场调控机理及电场均化效果进行了研究，以期对高压气体绝缘设备的设计、制造和运维提供理论基础与实验支撑。本文的主要工作如下：
　　(1)依据经典电磁场理论推演了圆台式传统绝缘子、C-均匀绝缘子和C-SFGM绝缘子的沿面电场分布。发现在理想条件下，传统绝缘子的沿面切向电场强度正比于r-2(r为绝缘子径向坐标)，整体电场强度呈极不均匀分布；C-均匀绝缘子的沿面电场强度正比于r-1，电场分布不均匀度得到降低；而C-SFGM绝缘子的沿面电场可通过介电梯度设计实现均匀分布。
　　(2)仿真研究了将FGM和SFGM两种策略应用于220kV盆式绝缘子的电场调控效果。发现与传统绝缘子相比，优化后的FGM盆式绝缘子的凹面最大电场强度下降了约37%，泄露电流增加了4.3倍；优化后的SFGM盆式绝缘子的凹凸面的最大电场强度均下降了30%-34%不等，泄露电流增加了约30%；在具备相同的电场调控效果时，SFGM绝缘子比FGM绝缘子具有更小的泄露电流值，因而具备更广阔的的应用前景。
　　(3)利用磁控溅射BaTiO3薄膜的方法在绝缘子表面构建了高介电常数层，测试了BaTiO3溅射层的微观结构及介电特性。发现BaTiO3溅射层的厚度随溅射时间呈指数关系增长；BaTiO3溅射层在室温下的工频相对介电常数测量值约为1600，介电弛豫现象导致其相对介电常数随频率增加而下降，在频率高于104Hz时BaTiO3的相对介电常数低于30。
　　(4)制备了传统绝缘子、C-均匀绝缘子、离散型C-SFGM绝缘子和连续型C-SFGM绝缘子，并通过电场仿真和闪络实验对比研究了不同绝缘子的沿面电场分布和耐电性能。发现与传统绝缘子相比，C-均匀、离散型C-SFGM和连续型C-SFGM绝缘子均不同程度的实现了绝缘子沿面电场分布均匀度的提升；其中，C-均匀绝缘子的电场调控效果具有“饱和效应”，而离散型C-SFGM绝缘子可以突破C-均匀绝缘子的“饱和效应”进一步降低绝缘子的最大电场强度，且沿面闪络电压可提升20%左右；优化后的连续型C-SFGM绝缘子可以避免离散型C-SFGM绝缘子由于梯度跳变而引起的电场畸变，在各类绝缘子中具有最优的电场调控能力和沿面耐电性能。