Влияние разрядов на электрическую прочность полимеров

Продолжение 8 лекции Изобразим теперь данные зависимости графически: В точке максимума Рассматривая механическую релаксацию, мы с вами уже отмечали, что в полимере много структурных элементов. Вспомним какие это элементы? Это и мономерные звенья, и боковые заместители, сегменты, макромолекулярные цепи, надмолекулярные образования, пространственная сетка. Все они имеют различные размеры и, соответственно, различную подвижность. Т.е. ориентация каждого элемента будет характеризоваться своим временем релаксации, а общее поведение полимера — спектром времен релаксации. В ориентационной поляризации участвуют в основном первых три структурных элемента : мономерные звенья, боковые заместители и сегменты. В связи с тем, что подвижность данных элементов реализуется при различных условиях, различают два механизма диэлектрической релаксации; дипольно-сегментальный (ДС- процесс или α-процесс) и дипольно-групповой (ДГ- процесс или β-процесс). Первый механизм реализуется в условиях, в которых возможно движение сегментов т.е. при температурах выше температуры стеклования (в высокоэластичном состоянии). Второй механизм связан с ориентацией боковых полярных групп, которые обладают определенной подвижностью и при температурах ниже температуры стеклования, поэтому он проявляется когда полимер находится в стеклообразном состоянии. Если вернуться к рисункам, то мы увидим, что перегиб на первой кривой и максимум на второй появляются при условии ω τд= 1, т.е. ω=1/τд. Но если мы с вами имеем релаксацию разных структурных элементов, которые имеют соответственно и разное время релаксации, то на графиках должно быть несколько перегибов и максимумов. Это графики для полимеров, в которых протекает два ДГ-процесса и один ДС-процесс. Основным структурным элементом в полимерах является сегмент, поэтому последний процессы протекают более интенсивно, что и видно по графикам. С учетом спектра времен релаксации комплексная диэлектрическая проницаемость будет равна: α - коэффициент, учитывающий спектр времен релаксации, при α=0 поли­мер имеет одно время релаксации, при. α=1 — бесконечно широкий спектр времен релаксации; β - коэффициент, учитывающий ассиметрию функции распределения времени релаксации; 0 < β < 1. С учетов α значения диэлектрической проницаемости и фактора диэ­лектрических потерь в характерных точках будут равны: Как вы уже знаете скорость релаксационных процессов зависит не только от внешних факторов, но и от строения макромолекулярной цепи, поэтому диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери будут также определяться строением полимера. Так, увеличение полярности цепи (содержание полярных групп и их полярность) и увеличение количества и размеров заместителей, приводят к уменьшению скорости релаксационных процессов и происходит увеличение диэлектрических потерь, уменьшение диэлектрической проницаемости и происходит сдвиг характерных точек на кривых εI = f(T) и εII = f(T) в сторону более высоких температур. Например, если сравнить ПЭ, поликарбонат и ПВХ — полярность увеличивается от первого к последнему тангенс угла диэлектрических потерь у ПЭ равен 2*10-4, у поликарбоната — 10-3, а у ПВХ 2*10-2. Рассмотрим последнюю электрическую характеристику полимеров Электрическая прочность Данная характеристика имеет большое практическое значение. Дело в том, что многие полимеры используются в качестве электрической изоля­ции в высоковольтной или в низковольтной аппаратуре, а одной из основных причин выхода ее из строя является пробой изоляции. Поэтому надежность и долговечность данной аппаратуры будет определяться электрической прочностью используемых диэлектриков. Что такое электрическая прочность? Электрическая прочность (Епр) характеризует сопротивление диэлектрика разрушению его в электрическом поле. При этом имеется в виду не механическое разрушение, а электрическое. Т.е. при каком-то напряжении (Unp) образец теряет свои электроизоляционные свойства, в нем образуется канал, проводящий электрический ток. Это явление называется пробоем диэлектрика. В зависимости от вида напряжения, прикладываемого к образцу, различают: •электрическую прочность при постоянном и переменном напряжении; •электрическую прочность в однородном и неоднородном полях. А в зависимости от продолжительности действия напряжения -— крат­ковременную или длительную электрическую прочность. Кратковременная электрическая прочность - это напряженность электрического поля при пробое в условиях постоянного повышения напряжения с заданной скоростью ( 1-2 кВ/с). Длительная электрическая прочность — это напряженность элек­трического поля при пробое при заданном времени выдержки под напряжением или время жизни диэлектрика (τж) при заданных значениях напряженности электрического поля. Наиболее изучена электрическая прочность в однородных полях, поэтому на ней и остановимся. В однородном электрическом поле электрическая прочность равна отношению пробивного напряжения Unp к толщине образца h: Механизм разрушения полимеров в электрическом поле зависит от природы полимера и условий испытания. Различают: 1,электрический пробой, 2.тепловой пробой 3. электрохимический пробой (последний в ряде источников на­зывают пробой вследствии газовых разрядов). Рассмотрим кратко данные механизмы. Электрический пробой (в ряде источников называют электронным). Связан с электронными процессами, происходящими в сильном элек­трическом поле. В результате этих процессов происходит лавинообразное увеличение концентрации носителей зарядов в диэлектрике. Данный механизм характерен для малодефектных материалов, которые не разогреваются при испытании. В настоящее время большинство исследователей придерживаются гипотезы, что электронный пробой твердых диэлектриков обусловлен ударной ионизацией электронами. Вспомним строение атома: атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг него. На не все электроны в атоме находятся в одинаковом положении, часть электронов образуют валентную или заполненную зоны, а часть (не спаренные на отдаленных орбитах) -ь зону проводимости. Последние как раз и отвечают за электрическую проводимость. В полимерах основная часть электронов находится в первой зоне, поэтому они и являются диэлектриками. Теперь вернемся к ударной ионизации. Обычно ее представляют следующим образом. Электрон, находящийся в зоне проводимости, полу­чает от электрического поля некоторую энергию "А" и одновременно тратит энергию "В" на столкновение с кристаллической решеткой (диэлектрику эта энергия передается в виде тепла). Если А>В, то электрон начинает пазгоняться, при этом увеличивается его энергия. И когда эта энергия станет выше энергии ионизации, то данный электрон передает часть своей энергии другому электрону, который находится в зоне валентности. Последний переходит в зону проводимости. Перешедшие электроны вызывают переход новых и т.д. Т.е. происходит лавинообразный рост концентрации носителей в зоне проводимости и наступает пробой. где ΔЕ1/2 — средняя энергия электронов, перешедших в зону проводимости, которая зависит от напряженности электрического поля (Е), причем растет с ростом Е ΔЕр - энергия, которой должен обладать электрон для движения с ускорением, также зависит от напряженности эл. поля (Е), причем уменьшается с ростом напряженности. Этот критерий имеет очень простой физический смысл: Епр - это минимальная напряженность электрического поля, выше которого концентрация электронов в зоне проводимости начинает возрастать с течением времени. Типичным признаком электронного пробоя является слабая зависимость пробивного напряжения от 1. температуры 2. толщины образца 3. времени приложения напряжения. Следующий вид пробоя - это тепловой пробой. Тепловой пробой обусловлен прогрессивно нарастающим выделением теплоты в диэлектрике за счет диэлектрических потерь. Характерен для материалов, которые сильно разогреваются при приложении электрического поля. Как происходит в данном случае пробой? Мы уже рассматривали как зависит электропроводность полимеров от температуры - растет с ростом последней. Поэтому при нагреве полимера в электрическом поле электропроводность будет расти и разогрев будет идти до тех пор, пока в каком то наиболее дефектном месте не произойдет пробой. Температура полимера будет определяться двумя факторами. 1. количеством выделившегося тепла; 2. количеством тепла, отводимого в окружающее пространство QB = σI2S(T-T0) И пока существует равновесие между этими процессами разогрева и соот­ветственно теплового пробоя не будет. В теории теплового пробоя оценивается напряжение Uпр∞, выше которого тепловое равновесие не может быть достигнуто, т.е. выделяется тепла больше, чем отводится. Исходя из этого было получено уравнение по которому можно найти напряжение, превышение которого будет приводить к пробою при температуре Т. где: λ — теплопроводность диэлектрика; γ0 - удельная электропроводность при температуре окружающей среды То; здесь σI —коэффициент теплопроводности окружающей среды; h —толщина образца. Поэтому же уравнению можно найти для данного напряжения температуру, при которой наступит пробой. Степень разогрева зависит от диэлектрических потерь и эффективности отвода тепла. Чем больше диэлектрические потери, хуже теплопроводность и меньше толщина образца, тем ниже электрическая прочность. Диэлектрические потери максимальны при переменном напряжении в области высоких температур и частот: поэтому вероятность теплового пробоя наибольшая в этих условиях. Типичными признаками теплового пробоя являются: • экспоненциальное уменьшение пробивного напряжения с ростом температуры; • обратнопропорциональная зависимость между квадратом пробивного напряжения и временем выдержки; • прогрессирующий нагрев диэлектрика. И наконец последний вид пробоя - электрохимический или пробой вследствие газовых разрядов. Причиной данного типа пробоя является изменение химического состава и структуры полимера под действием электрического поля или разрядов в окружающей среде. Этот процесс называют электрическим старением. Основной причиной электрического старения являются частичные разряды, которые возникают в газовых прослойках диэлектрика. Газовые прослойки — это чаще всего микродефекты внутри полимера, которые заполнены воздухом, или зазоры при неплотном прилегании электродов к поверхности образца. В первом случае мы будем иметь внутренний пробой, во втором — внешний. Электрическая прочность газов намного ниже, чем у твердых диэлектриков, поэтому при приложении высокого напряжения происходит электрический разряд именно в этих областях. При разряде достигается высокая температура и выделяется озон — это вызывает деструкцию диэлектрика и приводит к снижению пробивного напряжения. Особенно опасны внутренние разряды, так как они приводят к образованию разветвленных эрозионных каналов от полости к электроду. Электрическое старение развивается при гораздо более низких напряжениях, чем пробивное напряжение при электрическом и тепловом пробое. Влияние разрядов на электрическую прочность полимеров наиболее существенно при переменном напряжении.