Влияние контактных условий на токи термостимулированной деполяризации исходных и обработанных в барьерном разряде полиимидных плёнок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: Влияние контактных условий на токи ТСД исходных и обработанных в барьерном разряде полиимидных плёнок

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Особенности полиимидных материалов

1.2 Полиимидные плёнки

1.3 Сущность барьерного разряда

1.4 Основные гипотезы о природе электретного состояния

1.5 Основные гипотезы о механизме электрического старения полимерных плёнок

1.6 Сущность метода ТСД

1.7 Информация из кривых тока ТСД

1.8 Методы обработки данных ТСД

1.9 Влияние контактных условий

1.10 Выводы и постановка задачи

2. Методическая часть

2.1 Объект исследования и подготовка образцов

2.2 Описание измерительных установок

2.3 Вывод расчётных формул

3. Экспериментальная часть

3.1 Изучение спектров токов термостимулированной деполяризации

Введение

Полиимидные диэлектрические материалы сохраняют свои свойства при повышенной температуре (100 - 200 ⁰С), они обладают высокой ударной вязкостью (более 50 кДж/м²) и достаточно низким значением усадки (0,2 - 0,5%).

Полиимидная плёнка применяется в изоляции электрических машин, кабельной технике, в конструкциях влажностных датчиков, как одна из важных составляющих композиционных материалов и т.д.

В связи с достаточно широким применением полиимидных плёнок в различных видах электрической изоляции необходимо более подробно изучить влияние контактных условий, а так же действие барьерных и частичных разрядов на стабильность электретного состояния в полиимидных плёнках.

1. Литературный обзор

1.1 Особенности полиимидных материалов

Полиимиды - полимеры, обычно получаемые в результате взаимодействия диангидридов тетракарбоновых кислот с ароматическими диаминами в полярных растворителях. Вначале образуются полиамидокислоты, а при их последующей дегидратации - полиимиды.

Полиамидокислоты (ПАК) растворимы в диметилформамиде, диметилацетамиде, N-метил-2-пирролидоне и некоторых других растворителях. Растворы ПАК используются в виде лаков. При термической обработке плёнки ПАК образуется полиимид.

Наибольшее распространение получили полиимиды на основе диангидрида пиромеллитовой кислоты и диаминодифенилоксида (полипирометиллитимиды); в качестве диангидрида также применяются бензофенонтетракарбоксидиангидрид.

Полиимиды относятся к числу наиболее нагревостойких органических полимеров. При 500⁰С ПИ-плёнка вдвойне прочнее, чем плёнка из полиэтилена при 20⁰С.

Деструкция полиимидов протекает при температурах выше 400⁰С. Основными продуктами деструкции являются СО₂ и СО. Плёнка не плавится и не размягчается до 800⁰С.

Наряду с высокой нагревостойкостью полиимиды обладают исключительной холодостойкостью: при криогенных температурах, вплоть до - 269⁰С, их механические свойства практически не меняются. Полиимиды характеризуются также хорошей стойкостью к органическим растворителям, маслам и разбавленным кислотам, но недостаточной к щёлочам и перегретому пару, под действием которых они гидролизуются.

Вода в обычных условиях на механическую прочность полипиромеллитимидов не действует; даже при кипячении в воде плёнки полимеров месяцами сохраняют гибкость. Полиимиды стойки к действию быстрых электронов с энергией до 2 МэВ и г- излучения.

Из полиимидов изготовляют плёнки, применяемые в конденсаторах, в нагревостойких кабельных изделиях, в изоляции электрических машин, а из ПАК - лаки для производства эмалированных проводов и пропитки катушек небольших габаритов.

Из полиимидов получают нагревостойкие волокна. Путём спекания полиимидного порошка изготавливают сложные детали.

Помимо высокомолекулярных линейных полимидов широкое распространение получили также термореактивные полиимиды на основе ароматических диаминов и ангидридов ненасыщенных дикарбоновых кислот - малеиновой и эндометилентетрагидрофталевой. Такие продукты заметно уступают по термостойкости обычным полиимидам, но значительно дешевле и технологичнее их. Термореактивные полиимиды намного легче перерабатываются, не требуют использования дефицитных и токсичных растворителей, имеют более широкую область применения [1].

1.2 Полиимидные плёнки

Полиимидная плёнка изготавливается путём полива раствора полипиромеллитамидокислоты в диметилформамиде (или диметиллацетамиде) на бесконечную ленту с последующей термоимидизацией. Особенностью этой плёнки является весьма высокая нагревостойкость. По данным фирмы Du Pont (США) срок службы полиимидной плёнки при старении на воздухе составляет 8 лет при 250⁰С, 1 год при 275⁰С, 3 месяца при 300⁰С, 12 часов при 400⁰С.

Полиимидная плёнка неплавкая, негорючая и нерастворима.

При выдержке плёнки в атмосфере с относительной влажностью 50 %, она поглощает при насыщении 1,3 % воды, в атмосфере с относительной влажностью 100 % - до 2,9 %, при этом электрические характеристики плёнки несколько ухудшаются.

После продолжительной (до 70 суток) выдержки в кипящей воде разрушающее напряжение при растяжении плёнки снижается до 65 %, а удлинение - до 30 % от первоначального значения. Полиимидная плёнка подвержена гидролитической деструкции в процессе продолжительного пребывания при повышенных температуре и влажности в условиях, когда удаление влаги затруднено.

Полиимидная плёнка имеет цвет от тёмно-жёлтого до светло-коричневого (рис. 1.1). Она обладает высокими механическими и электрическими свойствами, мало изменяющимися в широком интервале температур. Отличительной особенностью плёнки является высокая радиационная стойкость.

Наиболее широкое применение полиимидная плёнка нашла при изготовлении изоляции обмоток электрических машин, предназначенных для тяжёлых условий эксплуатации (тяговых, металлургических и др.). Благодаря относительно малой толщине и высокой нагревостойкости изоляция на основе полиимидной плёнки обеспечивает существенное увеличение мощности электрических машин в прежних габаритных размерах или уменьшение их при сохранении мощности по сравнению с машинами на основе стеклослюдяных материалов. Толщина изоляции катушек якорной обмотки при применении полиимидной плёнки может быть уменьшена примерно в 2 раза по сравнению с микалентной изоляцией. Полиимидная плёнка используется также в качестве основы для композиционных материалов. В конденсаторостроении полиимидная плёнка находит применение в качестве диэлектрика для специальных конденсаторов, работающих в интервале температур от - 80⁰С до + 200⁰С.

Полиимидная плёнка с фторполимерным покрытием используется преимущественно в кабельной технике. Покрытие из термопластичного фторполимера (сополимера тетрафторэтилена и гегсафторпропилена) обеспечивает спекание слоёв плёнки, наложенных на проводник или друг на друга при нагревании до 280⁰С - 320⁰С. Изоляция обмоточных проводов из полиимидной плёнки с фторполимерным покрытием образует надёжный герметичный барьер с повышенной химо- и влагостойкостью. Наличие покрытия из фторполимера значительно повышает гидролитическую стойкость полиимидной плёнки [1].

1.3 Сущность барьерного разряда

Под барьерным разрядом в настоящее время понимают разряд, возникающий в газе под действием приложенного к электродам переменного напряжения, при этом хотя бы один из электродов должен быть покрыт диэлектриком.

Барьерный разряд (БР) как средство получения плазменного состояния вещества широко используется в науке и технике. Один из примеров промышленного применения БР для целей химического синтеза - получение озона, который широко используется в сельском хозяйстве, медицине и химической промышленности.

В последние годы все больший интерес исследователей привлекает барьерно-поверхностный (скользящий барьерный) разряд, возникающий на границе газа и диэлектрического барьера. К достоинствам данного разряда относятся простота исполнения конструкций разрядной ячейки и высокий энергетический выход озона. Барьерно-поверхностный разряд был предложен С. Масудой (Япония) и независимо от него В.С. Энгельштом (Кыргызстан) в 1982 г.

Работы по исследованию барьерно-поверхностного разряда развиваются в основном в двух направлениях: первое - это плазмохимический синтез (Самойлович В.С., Козлов К.В., Гибалов В.И., Ткаченко С.Н., Питч Г., Пичугин Ю.П., Масуда С., Когельшатц У., Энгельшт В.С. и др); второе - это применение разряда в качестве плазменного электрода в газовых лазерах (Дащук П.Н., Калинин А.В., Козлов М.В., Кузьмин Г.П., Минаев И.М., Рухадзе А.А.). Для развития этих направлений имеется обширный экспериментальный материал по электрическим и физическим характеристикам разряда, однако недостаточно исследований посвящено физическим механизмам формирования и развития барьерно-поверхностного разряда [2].

1.4 Основные гипотезы о природе электретного состояния

Основная проблема теории электретного состояния заключается в объяснении длительного существования электретов. Гипотезы о природе электретного состояния различаются, прежде всего, разной оценкой роли остаточной поляризации и собственной проводимости в процессе релаксации электретного заряда.

Существует несколько гипотез о природе электретного состояния, описывающие разные механизмы разрядки электретов. Основными из них являются модели Губкина и Богородицкого.

А.Н. Губкин основывается на феноменологической модели электретного состояния, учитывающей однородную остаточную поляризацию, время релаксации (ф_s) и изменение поверхностного гомозаряда за счет проводимости электрета, находящегося между двумя короткозамкнутыми электродами. Длительное существование электретов объясняется в данной модели большим значением времени релаксации ф_s по сравнению со временем релаксации гомозаряда (ф_r): ф_r/ ф_s<<1.

В рамках данной теории невозможно объяснить влияние условий контакта электрета с электродом на скорость релаксации заряда.

Длительное сохранение гомозаряда в неполярных диэлектриках нашло объяснение в рамках другой модели, согласно которой в электрете имеются облака объемных зарядов, образовавшихся путем захвата на ловушки носителей, инжектированных в диэлектрик извне: из газового разряда, из электрода, либо при облучении заряженными частицами [3].

1.5 Основные гипотезы о механизме электрического старения полимерных плёнок

В наших опытах плёнка полимера помещалась в воздушный зазор между двумя стеклянными пластинками, к наружной поверхности которых прикреплялись металлические электроды. На электроды подавалось высокое напряжение (15 кВ) частотой 50 Гц, достаточное для развития интенсивных ионизационных процессов в воздушном зазоре. Старение плёнки под действием разрядов в этом случае происходило сравнительно равномерно с течением времени и по всей площади между электродами, что облегчало исследование изменения толщины, веса и кратковременного пробивного напряжения пленки по сравнению с исходными значениями этих величин.

Результаты испытаний показали, что при определённом значении толщины воздушного зазора (h₂) скорость уменьшения толщины плёнки (h) зависит от величины E=U/h₁. Это естественно, так как падение напряжения на ионизированном воздушном зазоре (h₂) должно быть невелико по сравнению с приложенным напряжением (U), а толщина испытуемой плёнки мала по сравнению с толщиной стеклянных пластинок (h₁).

При непосредственном действии разрядов происходит разрушение плёнки с поверхности, в результате чего уменьшается её толщина, вес и снижается кратковременное пробивное напряжение.

В одной из гипотез предполагается, что эрозия обусловлена интенсивным местным нагревом плёнки в точках соприкосновения с каналом разряда в воздушном промежутке: под действием такого нагрева температура полимера резко повышается, происходит термодеструкция и испарение порции полимера.

Другая теория предполагает, что разрушение органических диэлектриков под действием разрядов происходит в результате электронной бомбардировки поверхности диэлектрика.

Характерной чертой упомянутых гипотез является игнорирование роли кислорода: по существу предполагается, что старение с равным успехом может происходить в атмосфере, содержащей и не содержащей кислород.

Другая группа гипотез учитывает роль окисления в процессе разрушения органических диэлектриков под действием разрядов. Предполагалось, что разрушение диэлектриков происходит в результате реакций с озоном и окислами азота. Впоследствии были высказаны критические замечания по поводу этой теории.

Итак, все предложенные гипотезы о механизме эрозии диэлектриков под действием разрядов можно разбить на три группы:

- гипотезы без учёта процессов окисления;

- гипотезы без учёта электронной (ионной) бомбардировки;

- гипотезы, принимающие во внимание как действие электронной

(ионной) бомбардировки, так и процесса окисления;

Очевидно, что для экспериментальной проверки упомянутых гипотез необходимо, прежде всего, изучить изменения, происходящие в полимерных плёнках под действием разрядов в атмосфере воздуха и азота [3,4].

1.6 Сущность метода ТСД

Метод термостимулированной деполяризации (ТСД) нашел широкое применение при исследовании электрофизических явлений в полупроводниках, диэлектриках, а также в различных приборах и элементах интегральных схем, изготовленных на основе указанных материалов.

Метод ТСД привлекает исследователей своей высокой информативностью, которая сочетается со сравнительной простотой технической реализации и обработки экспериментальных данных. Однако этот метод далеко не всегда используется эффективно, в полной мере его возможностей; в отдельных случаях имеют место нарушения экспериментальной методики, и допускается неверная интерпретация экспериментальных данных. Эти негативные явления обусловлены как отсутствием необходимого анализа теории физического явления ТСД, так и специальной литературы по экспериментальной методике ТСД.

Термодеполяризационный анализ - это метод исследования электрофизических свойств полупроводников и диэлектриков, основанный на физическом явлении термостимулированной деполяризации. Разные группы исследователей называли метод по-разному. Поэтому в литературе можно встретить названия: термический анализ электрета, термически стимулированные токи, термически стимулированная диэлектрическая релаксация, разрядка с помощью нагревания, термически активированная деполяризация и деполяризационная спектроскопия диэлектрика.

Метод ТСД является одним из методов термореакционной спектроскопии. Физическая природа явлений, лежащая в основе этих методов, одна: при изменении температуры объекта по определенному закону термически стимулируется переход вещества из неравновесного состояния в новое, приближающееся к термодинамически равновесному. Этот переход может сопровождаться излучением света, эмиссией электронов (термостимулированная электронная эмиссия), изменением проводимости (термостимулированная проводимость). Анализ температурной зависимости изменяющегося физического свойства вещества позволяет исследовать параметры электрически или оптически активных дефектов, механизмы происходящих в этом веществе релаксационных процессов.

Сущность физического явления и метода ТСД заключается в следующем. Исследуемый объект (диэлектрик) предварительно поляризуется, то есть в нем создается пространственно неоднородное распределение носителей заряда и (или) анизотропная ориентация полярных молекул или квазидиполей. Поляризация достигается обычно путем приложения электрического поля, в ряде случаев - в сочетании с другими воздействиями (освещение видимым или ультрафиолетовым светом). Под действием электрического поля полярные молекулы или квазидиполи преимущественно ориентируются по полю. Наряду с указанным процессом электрическое поле может приводить к смещению (миграции) свободных носителей заряда на макрорасстояние с последующим закреплением на ловушках. Закрепление смещенных на макрорасстояние зарядов может происходить как у электродов (приэлектродная поляризация), так и на границах раздела различных областей у неоднородных объектов (внутрислоевая поляризация).

Поляризованный объект в закороченном состоянии нагревается по определенному закону (например, в режиме линейного нагрева), при этом, собственно, и происходит явление термостимулированной деполяризации.

Явление и метод ТСД следует отличать от подобных ему явлений и методов термостимулированной проводимости и термостимулированной поляризации. Термостимулированная проводимость осуществляется при нагреве с приложенным электрическим полем предварительно возбужденного образца, а термостимулированная поляризация - невозбужденного образца. Различие в процедуре измерений приводит к изменению сути происходящих физических явлений. В отличие от тока ТСД, который обусловлен как током проводимости, так и током смещения, ток термостимулированной проводимости обусловлен только током проводимости и, следовательно, не несет информацию о процессах ориентации диполей и накопления заряда на границах раздела [5].

1.7 Информация из кривых тока ТСД

В основе метода ТСД лежит неизотермическая электрическая релаксация. Благодаря этому он дает непосредственную информацию о механизме электрической релаксации и параметрах электрически активных дефектов в диэлектриках. В частности, метод ТСД позволяет в принципе определить, являются ли ответственными за электрическую релаксацию в данном интервале температур и полей миграции заряда (ионной или электронной природы) на макрорасстояние или ориентация полярных образований (диполей, комплексов дефектов и т.п.). При этом в случае объемно-зарядовой поляризации по данным ТСД можно рассчитать либо энергию активации, частотный фактор и концентрацию ионных и электронных ловушек, либо энергию активации равновесной проводимости, частотный фактор диффузионно-дрейфовой релаксации, концентрацию и область преимущественной локализации объемного заряда. В случае же дипольной поляризации объекта кривые тока ТСД несут информацию об энергии активации и частотном факторе процесса реориентации диполей, концентрации и дипольном моменте последних.

Метод ТСД несет также важную информацию о широком круге физических явлений, оказывающих влияние на процесс электрической релаксации в диэлектриках. Так, в частности, метод ТСД оказывается чувствительным к следующим факторам:

- процессу агрегации дефектов (как примесной, так и собственно- дефектной природы) и соответственно к диссоциации комплексов дефектов

- структурным и фазовым превращениям диэлектрика;

- качеству контакта металл-диэлектрик и материалу электрода;

- пространственной неоднородности исследуемого материала;

- механическим напряжениям и деформациям исследуемого объекта;

- воздействию различных видов облучения;

- адсорбции и десорбции газов.

В спектрах токов ТСД можно наблюдать один или несколько максимумов, положение которых обусловлено химической природой полимера, способом зарядки и характером контакта электрета с электродом. Таким образом, например, установлено, что форма кривых I=f(t) для полимерных электретов зависит от характера контакта с электродами. Плотному контакту соответствует преимущественное движение через тонкие приэлектродные слои к электродам. Максимум тока в этом случае расположен в области с относительно низкой температурой. При неплотном контакте направление тока изменяется, что соответствует преимущественному движению носителей через среднюю часть электрета, а максимум тока находится в области с более высокой температурой.

Способы обработки кривых токов ТСД зависят от предположений о механизме релаксации зарядов [6].

1.8 Методы обработки данных ТСД

Метод Буччи

Этот метод заключается в определении энергии активации диполей по температурной зависимости времени релаксации. Температурная зависимость времени релаксации в координатах lnф~1/kT линеаризуется, а наклон получившейся прямой дает энергию активации (рис. 1.2).

а) б)

Рис. 1.2. Определение параметров электрически активных дефектов из кривых тока ТСД по методу Буччи: а) нахождение температурной зависимости времени релаксации, б) определение параметров дефектов по температурной зависимости времени релаксации.

Продолжение этой линейной зависимости до пересечения с осью ординат дает величину предэкспоненциального множителя в выражении для времени релаксации, то есть позволяет определять частотный фактор диполей. Так как j(t) = dP(t)/dt = -P(t)/ф(t), то, как нетрудно убедиться, имеет место следующее соотношение между кривой тока ТСД и температурной зависимостью времени релаксации: .

Наряду с методом Буччи, который является специфическим способом обработки данных ТСД, широко привлекаются различные способы термореакционной спектроскопии.

Способ «начального подъема» (метод Гарлика - Гибсона).

Данный метод основывается на том, что при достаточно низких температурах (т.е. при Т?Т₀) относительное изменение концентрации носителей заряда, локализованных на центрах захвата, мало по сравнению с относительным изменением концентрации свободных носителей заряда. На языке формул это означает возможность пренебрежения интегралом в выражении для плотности тока ТСД

Таким образом, на начальном участке кривые тока ТСД независимо от характера кинетики релаксационного процесса имеют вид:

Очевидно, что в логарифмических координатах (lnj~1/kT) линеаризуется (рис. 2). Наклон прямой, получающейся при построении начального участка кривой тока ТСД позволяет рассчитывать энергию активации, а пересечение этой прямой с осью ординат - эффективный частотный фактор электрически активных дефектов.

Достоинством способа «начального подъема» наряду с его простой является независимость результатов расчета энергии активации от порядка кинетики релаксационного процесса. Погрешность этого способа определения энергии активации зависит как от инструментального оснащения, так и от параметров объекта исследования, однако, как правило, не превышает 2-3% (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Определение параметров электрически активных дефектов по кривой тока ТСД. Температурная зависимость тока ТСД в режиме линейного нагрева (а); кривая тока ТСД в логарифмически координатах (б) (Т₀-Т₁ - область начального подъема).

Способ варьирования скорости нагрева (метод Богуна-Бута).

Положение максимума кривой тока ТСД зависит от скорости нагрева объекта (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Кривые тока ТСД в кристаллах теллурида цинка с примесью галлия при скоростях нагрева: 0,2 °С/с (1) и 0,35 °С/с(2).

При этом варьирование скорости нагрева приводит к закономерному смещению температуры максимума пика (Т_m), которое зависит от параметров электрически активных дефектов.

Если ограничиться двумя скоростями нагрева, то энергию активации можно определить по формуле: где б может изменяться в диапазоне 2-3 в зависимости от характера релаксационного процесса.

Анализ результатов показывает, что из-за инструментальных погрешностей и главным образом из-за возможной неправомерности выбранных модельных представлений ошибка при определении энергии активации может достигать 10%.

Способ полуширины пика (метод Гроссвейнера).

Данный метод основан на том, что величина энергии активации оказывает влияние не только на температурное положение пика кривой ТСД, но и на «ширину» этого пика по шкале температур. Следовательно, энергия активации определяется по «ширине» соответствующего пика кривой ТСД.

Способ «подгонки» расчетных зависимостей.

В рассмотренных выше способах расчета параметров электрически активных дефектов по кривым тока ТСД используются лишь отдельные точки экспериментальной зависимости. Такой подход приводит к потере части информации и увеличению погрешности измерения параметров. В этом плане значительно более точным, хотя и более трудоемким, является способ подгонки теоретических зависимостей под экспериментальные кривые. Параметры при этом определяются из условия наилучшего совпадения обеих кривых. Данный метод позволяет определить энергию активации и получить более точные координаты температурных пиков, то есть Т_m и I_m [2, 7].

1.9 Влияние контактных условий

Кинетика релаксации заряда в электретах характеризуется временными зависимостями электретной разности потенциалов, суммарного заряда в расчёте на единицу площади, плотности тока разрядки. На основе этих зависимостей оценивают стабильность электретов и прогнозируют их срок службы.

Величины разности потенциалов и заряда обычно уменьшаются во времени, а их зависимости описываются спадающей кривой.

Стабильность плёночных полимерных электретов обусловлена природой диэлектрика, способом зарядки и условиями хранения, так же она зависит от влажности окружающей среды.

Скорость релаксации заряда на начальном участке зависимости U_э(t) увеличивается с повышением начального значения электретной разности потенциалов, то есть с увеличением напряжённости электрического поля в электрете.

На скорость релаксации заряда оказывают влияние и условия контакта электрета с электродами. Если электроды из мягкой свинцовой фольги плотно прижаты к электрету, то полная разрядка электретов при замыкании электродов накоротко завершается за несколько суток. При этом направление тока разрядки соответствует движению носителей заряда в приэлектродных слоях. Если между электретом и электродом поместить изолирующую прокладку (воздух), то разрядка электретов, в данном случае, происходит за гораздо более длительное время (сотни суток), а направление тока разрядки соответствует движению носителей заряда через толщу образца [8].

1.10 Выводы и постановка задачи

Целью данной работы является изучение влияния контактных условий, а так же влияние обработки барьерным разрядом на электретные свойства полиимидных плёнок.

Проведя анализ источников литературы можно сделать вывод, что достаточно полно изучены синтез, структура и основные диэлектрические полиимидной пленки. Однако можно отметить нехватку данных по влиянию обработки частичными разрядами на электретные характеристики полиимидных пленок. Так же представляет интерес изучение токов термостимулированной деполяризации полиимидных пленок в условиях плотного контакта с электродами, что позволяет рассчитать эффективную глубину залегания заряда в пленке и рассчитать величину проводимости поверхностного слоя пленки. Поэтому цель настоящей работы состоит в исследовании процессов релаксации электрического заряда в исходных и обработанных частичными разрядами полиимидных пленках и влияния контактных условий на них.

В соответствии с целью в работе были поставлены следующие задачи:

1. Изучить влияние контактных условий на кривые токов термостимулированной поляризации исходных и обработанных в барьерном разряде полиимидных пленок.

2. Проанализировать полученные кривые и рассчитать на их основе эффективную глубину залегания заряда и температурную зависимость проводимости пленок.

полиимидный плёнка деполяризация электрический

2. Методическая часть

2.1 Объект исследования и подготовка образцов

Объектом исследования является промышленная полиимидная пленка российского производства (ОАО НЗСП) марки ПМ-А толщиной 40 мкм.

Эксперименты проводились на образцах из пленки квадратной формы размером 60х60мм., которые зажимались в круглые металлические кольца. Для достижения плотного контакта в ряде экспериментов использовались электроды их свинцово-оловянной фольги.

2.2 Описание измерительных установок

Для создания барьерных разрядов использовалась ячейка (рис. 2.1), состоящая из двух стеклянных пластин (1) с воздушным зазором (2) между ними, на которые были нанесены электроды (3). Величина зазора фиксировалась с помощью стеклянных полосок (4). Пленка (5) помещалась на стеклянную пластину. Толщина стекол составляла 1 мм, воздушного зазора - 1 мм, размер электрода - 60х50 мм. Обработка пленок производилась при напряжении 15 кВ при нормальном давлении. Время обработки варьировалось в пределах от 30 мин до 2 часов.

Рис. 2.1. Схема ячейки для обработки пленок ПМ в барьерном разряде.

Напряжение на ячейку подавалось с выходов высоковольтной установки (рис. 2.2.), расположенных внутри камеры, имеющей специальное ограждение для защиты персонала, проводящего испытания. Высоковольтная установка оборудована блокировкой, не допускающей подачи питания в основную цепь при открытых дверях высоковольтной камеры, и световой сигнализацией, оповещающей о том, что на электроды подано высокое напряжение. Для ограничения тока в случае пробоя образца применяется защитное водное сопротивление 8. Напряжение на электродах ячейки измеряется статическим вольтметром 9. Высокое напряжение снимается с вторичной обмотки однофазного повышающего трансформатора 7. Низковольтная цепь испытательной установки получает питание от однофазной сети напряжением 220 вольт, подающееся на схему через автоматический выключатель 1 и пакетный выключатель 2.

Рис. 2.2. Принципиальная электрическая схема установки для обработки в барьерном разряде.

В низковольтной цепи установки находятся устройства для плавного регулирования напряжения на образце, включения и отключения питания высоковольтного трансформатора, максимальной токовой защиты, а также схемы питания сигнальных ламп, катушки и контакты реле и магнитного пускателя, кнопки управления.

Для плавного изменения напряжения на образце вверх и вниз с постоянной скоростью используется управляемый реактор 3, ползунок которого перемещается реверсивным электродвигателем 4.

Для управления скоростью изменения напряжения на образце применяется автотрансформатор 6, коэффициент трансформации которого изменяется вручную. Питание в низковольтную обмотку повышающего трансформатора подается через контакты магнитного пускателя 6, катушка которого также подключена к сети 220 вольт через блок контакты и кнопку «Стоп». В цепь питания высоковольтного трансформатора последовательно включена катушка токового реле, предназначенного для защиты установки. Контакты данного реле включены в цепь питания катушки магнитного пускателя последовательно с блок контактами и кнопкой «Стоп» и в нормальных условиях находятся в замкнутом состоянии. При срабатывании реле контакты размыкаются и обесточивают катушку пускателя, отключая повышающий трансформатор от сети.

Обрабатываемая плёнка находилась в ячейке 10.

Зарядка полиимидной пленки под действием коронного разряда на воздухе проводилась в разрядной ячейке (рис. 2.3). Ячейка включает в себя коронирующий электрод (1), сетчатый электрод (2) и массивный шлифованный электрод (3), находящийся под потенциалом земли. Образец из полиимидной пленки (4) помещался при зарядке на нижний электрод (3). На коронирующий электрод (иглу) подавался отрицательный потенциал -6 кВ относительно земли. Потенциал сетки устанавливался на уровне 200 В.

Рис. 2.3. Принципиальная схема установки для зарядки под действием коронного разряда.

Измерение компенсирующей разности потенциалов производится методом индукции с вибрирующим электродом на установке, схема которой представлена на рис. 2.4.

Верхний вибрирующий электрод (1) диаметром 10 мм закреплен на диффузоре динамического громкоговорителя (2), катушка которого запитывается от генератора звуковой частоты (3). Частота переменного синусоидального сигнала на генераторе устанавливается в пределах 250-300 Гц, что обеспечивает достаточно высокую чувствительность измерений и защиту от сетевых помех. Изменение во времени индуцированного в поле электрета заряда на вибрирующем электроде приводит к появлению во внешней цепи переменного сигнала синусоидальной формы с частотой вибрации электрода. Сигнал поступает на усилитель(4) с высоким выходным сопротивлением, а затем регистрируется на экране осциллографа. Для компенсации электрического поля, создаваемого электретом в зазоре электрет - вибрирующий электрод, используется источник плавно регулируемого напряжения постоянного тока (6). Значения компенсирующего напряжения U_к на выходе источника измеряются цифровым вольтметром (7). Полярность напряжения компенсации может изменяться с помощью переключателя «П». В момент компенсации сигнал на экране осциллографа равен нулю. Цифровой вольтметр включен в схему так, что знак компенсирующего напряжения на индикаторе цифрового вольтметра соответствует знаку поверхностного заряда электрета.



Рис. 2.4. Принципиальная схема установки для измерения компенсирующей разности потенциалов.

Измерение токов ТСД электретов полиимидных плёнок проводилось на установке, схема которой представлена на рис. 2.5.

Установка состоит из экранированной измерительной камеры 1, усилителя сигнала 2, самопишущего потенциометра 3, печки 5, терморегулятора 4, верхнего подвижного электрода 6, проводящей прокладки 7, испытуемого образца 8, нижнего неподвижного электрода 9, термопары хромель - капель 12.

Рис. 2.5. Принципиальная схема установки для измерения токов ТСД и температурной зависимости проводимости диэлектриков.

Измерения токов ТСД и I(t) производится с помощью двухэлектродной системы, которая вместе с подогревателем (4) размещена в измерительной камере (1). Измерительный электрод (6) подсоединён к входному разъёму усилителя. Сигнал с выхода электрометра подаётся на вход «Y» двухкоординатного потенциометра ПДП4-002, с помощью которого осуществляется автоматическая регистрация зависимости I(t).

Нагрев образца (8) осуществляется за счёт теплового контакта подогревателя с нижним электродом (9). Температура образца измеряется с помощью термопары хромель - капель (12), спай которой помещён в корпус подогревателя, а свободные концы темопары подсоединены ко входу «X» потенциометра ПДП4-002.

Поддержание постоянной температуры поверхности нагревателя в диапазоне от 20 до 250 ⁰С с точностью ±1 ⁰С либо изменение её по линейному закону с заданной скоростью обеспечивается терморегулятором (4). Во всех наших экспериментах скорость нагрева в = 1,5 К/мин.

Для обеспечения стабильного плотного контакта образец закрепляется между двумя латунными кольцами. Верхний измерительный электрод (6) плотно прижимается к образцу. При измерении токов ТСД при неплотном контакте между измерительным электродом и образцом помещается изолирующая прокладка из плёнки политетрафторэтилена толщиной 20 мкм.

2.3 Вывод расчётных формул

Анализ токов ТСД электретов с гомозарядом, изготовленных из полиимидных плёнок, может быть проведён на основе модели трёхслойного двухкомпонентного диэлектрика с повышенной проводимостью приповерхностных слоёв (рис. 2.6).



Рис. 2.6. Схематическое изображение модели трёхслойного диэлектрика при деполяризации с плотным контактом (а) и при наличии прокладки (б).

Задача сводится к решению системы уравнений:

(2.1)

Выражение для плотности тока ТСД, полученное на основе решения этой системы уравнений, имеет вид:

(2.2)

где у(0) - начальная плотность заряда на границе раздела слоёв.

Времена релаксации ф₁ и ф₂ определяются выражениями:



(2.3)

При плотном контакте электродов с диэлектриком , и тогда из (2.2) следует:

(2.4)

При неплотном контакте электродов с диэлектриком, то есть при наличии изолирующих прокладок, , и тогда из (2.2) следует:

(2.5)

где , , - толщина, диэлектрическая проницаемость и проводимость изолирующей прокладки, .

В этом случае исключаем из рассмотрения тонкий приповерхностный слой плёнки толщиной h₁.

Итак, при переходе от плотного контакта к неплотному имеет место инверсия направления тока ТСД (рис. 2.6).

С помощью выражений (2.4) и (2.5) по экспериментальным кривым тока ТСД можно рассчитать температурные зависимости времён релаксации:

(2.6)

где , а затем и температурные зависимости проводимостей приповерхностного слоя г₁(T) и толщи полиимидной плёнки г₂(T):

(2.7)

На основе трёхслойной модели электрета можно по величине зарядов, прошедших во внешней цепи при деполяризации образца с прокладками и при плотном контакте, определить эффективную величину глубины залегания заряда в плёнке д. Действительно, электретная разность потенциалов U_э связана с толщиной h₁ (расстояние между заряженными слоями):

(2.8)

Плотность тока разрядки находится путём решения уравнения полного тока:

(2.9)

теоремы Гаусса:

(2.10)

и условия короткого замыкания:

(2.11)

где E_д и E_h1 - величины электрических полей в слоях д/2 и h₁.

Решая систему уравнений (2.8) - (2.11), получим выражение для плотности тока разрядки закороченного электрета:

(2.12)

где

(2.13)

- максвеловское время

релаксации.

Суммарный заряд, перенесённый во внешней цепи:

(2.14)

где S -

площадь электродов.

При плотном контакте, когда , суммарный заряд, протекающий во внешней цепи, определяется выражением:

(2.15)

Знак « - » соответствует выбранной ранее полярности для направления тока разрядки. Поскольку е_h1=е_д=е, то выражение (2.15) упрощается:

(2.16)

Из которого можно выразить д:

(2.18)

С помощью соотношения (2.18) можно определить эффективную величину глубины залегания заряда д в электретах из полиимидной плёнки. Заряд Q вычислялся путём интегрирования кривой тока ТСД , полученной при плотном контакте электрета с электродами.

3. Экспериментальная часть

3.1 Изучение спектров токов термостимулированной деполяризации

В данной работе были исследованы зависимости токов термостимулированной деполяризации для, исходных (предварительно прогретых при температуре T = 160єC в течение 1 часа) и обработанных в барьерном разряде в течение 30 минут пленок полиимида при наличии плотного контакта образца с электродом и в открытой цепи (с использованием изолирующих прокладок из ПТФЭ толщиной 20 мкм).

Пленки заряжались в коронном разряде до значений электретной разности потенциалов U_э =200-300 В в коронном заряде, затем измерялись токи ТСД.

Спектры токов ТСД, снятые при неплотном контакте для исходной пленки и пленки, обрабатывавшейся в барьерном разряде в течение 30 минут, приведены на рис. 3.1. У исходной пленки кривая тока ТСД имеет один максимум при температуре 160 єС. Обработка пленки в барьерном разряде приводит к значительному изменению спектра токов ТСД. Область релаксации заряда смещается в сторону более низких температур, а на спектре ТСД появляется дополнительный низкотемпературный максимум или плечо, что свидетельствует об изменении механизма накопления и релаксации заряда.

На рис. 3.2. показаны кривые токов ТСД, измеренных для тех же пленок при плотном контакте. В этом случае у исходной пленки максимум наблюдается при температуре T = 90 єC. Область релаксации заряда у обработанной пленки так же смещена в область более низких температур, на спектре виден резкий скачок тока при комнатной температуре, с последующим плавным спадом, выходящим на плечо при температурах, соответствующих максимуму исходной пленки.



Рис. 3.1. Спектры токов ТСД при неплотном контакте для исходной и обработанной в барьерном разряде плёнок.

Рис. 3.2. Спектры токов ТСД при плотном контакте для исходной и обработанной в барьерном разряде плёнок.

Итак, установлено, что после обработки пленок в барьерном разряде спектры токов ТСД смещаются в область более низких температур и на них появляются дополнительные максимумы, что свидетельствует о появлении новых механизмов релаксации заряда или о сложной зависимости проводимости пленки. Усложнение спектров токов ТСД после обработки пленки в барьерном разряде и интерпретация каждого из максимумов требуют дальнейших исследований. Известно, что обработка пленок полиэтилена в газовом разряде приводит к появлению влаги и кислот на поверхности образцов. Поэтому появление дополнительных максимумов на спектрах токов ТСД может быть связано с наличием и проникновением воды и продуктов разряда в толщу полимера. Изменение спектров ТСД может быть связано и с изменением электронной структуры пленки, т.е. появлением новых локальных энергетических уровней (ловушек).

Из полученных спектров токов ТСД на основе модели двухслойного диэлектрика по формулам (2.7) были рассчитаны температурные зависимости проводимости для приповерхностных слоев (плотный контакт) и объема пленки (неплотный контакт). Результаты расчета приведены в табл. 3.1 - 3.4.

Обр. ПК Табл. 3.1.

Табл. 3.2

T, °С	Iтсд	I	S	Q	ф	г	lg г
26	70	7E-12	1,40E-10	5,58E-09
33,5	33	3,3E-12	1,01E-10	4,04E-09	1223	2,53E-14	-13,60
41	68	2,04E-12	8,09E-11	3,24E-09	1586	1,95E-14	-13,71
48,5	50	1,5E-12	6,76E-11	2,71E-09	1804	1,72E-14	-13,77
56	38	1,14E-12	5,77E-11	2,31E-09	2026	1,53E-14	-13,82
63,5	30	9E-13	5,01E-11	2,00E-09	2226	1,39E-14	-13,86
71	25	7,5E-13	4,39E-11	1,76E-09	2341	1,32E-14	-13,88
78	27	8,1E-13	3,84E-11	1,54E-09	1898	1,63E-14	-13,79
85	28	8,4E-13	3,27E-11	1,31E-09	1555	1,99E-14	-13,70
92,5	28	8,4E-13	2,64E-11	1,05E-09	1255	2,47E-14	-13,61
100	29	8,7E-13	2,00E-11	7,98E-10	917	3,38E-14	-13,47
106	25	7,5E-13	1,51E-11	6,04E-10	805	3,85E-14	-13,41
112	18	5,4E-13	1,12E-11	4,49E-10	831	3,73E-14	-13,43
119,5	11	3,3E-13	7,96E-12	3,18E-10	965	3,21E-14	-13,49
127	9	2,7E-13	5,71E-12	2,28E-10	846	3,66E-14	-13,44
133,5	8	2,4E-13	4,05E-12	1,62E-10	675	4,59E-14	-13,34
140	7	2,1E-13	2,59E-12	1,04E-10	493	6,28E-14	-13,20
147	5	1,5E-13	1,33E-12	5,31E-11	354	8,75E-14	-13,06
154	3	9E-14	4,88E-13	1,95E-11	217	1,43E-13	-12,84
160,5	1	3E-14	9,75E-14	3,9E-12	130	2,38E-13	-12,62

По спектрам токов ТСД, снятых при плотном контакте для исходной пленки и пленки, обрабатывавшейся в барьерном разряде в течение 30 минут, по формуле (2.18) была рассчитана эффективная глубина залегания заряда. Для исходной пленки она составила д_исх = 5,82 мкм, а для обработанной д_обр = 4,44 мкм.

Список литературы

1. Ю.В. Корицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. Справочник по электротехническим материалам. Т. 1-3. Ленинград:

Энергоатомиздат, 1988.

2. С. Масуда. Теплофизические и физикохимические процессы в барьерно-поверхносном разряде. Япония, 1987.

3. С.Н. Койков, А.Н. Цикин. Электрическое старение твёрдых диэлектриков. Ленинград: Энергия, 1968.

4. Б.И. Сажин. Электрические свойства полимеров. Ленинград: «Химия», 1986.

5. Ю.А. Гороховатский. Основы термодеполяризационного анализа.

Москва: Наука, 1981.

6. Г. Сесслер. Электреты. Москва: Мир, 1983.

7. А.Н. Губкин. Электреты. Электретный эффект в твердых диэлектриках. Москва: Наука, 1978.

8. М.Э. Борисова, О.В. Галюков, П.В. Цацынкин. Физика диэлектрических материалов. Санкт-Петербург: издательство СПбГПУ, 2004.

Размещено на Allbest.ru