Etude des propriétés électriques des élastomères silicones utilisés pour l'isolation électrique
Résumé
The silicone rubbers are already largely used in the external electric insulation thanks to the good behaviour on the climatic constraints and the hydrophobicity. Silicone rubbers begin today to be used for high-voltage bulk insulation. The aim of this thesis was to more deeply analyze the dielectric and electric properties, little known, in these polymers.
The originality of these studies relates to the significant range of studied temperature (100-430K), the measurement of the dielectric responses in very low frequencies (10 -4 Hz-1MHz), the measurement of space charges by laser induced pressure pulse and measures it low currents (until 50fA). Two families of silicone rubbers were studied: RTV and LSR with silica fillers. These properties when materials are subjected to thermoelectric constraints (16 kV/mm with 353K) during one year are also carried out.
Behaviours classically observed in polymers were identified like the injection of space charges (Schottky effect). However, more specific behaviours were identified as :(i) sub-linear conduction currents, (ii) anomalous depolarization currents and chaotic response, (iii) fractional power law (FPR) on the dielectric response, (iv) low frequency dispersion (LFD) in the dielectric response after aging. These particular behaviours are mainly allotted of blocking electrode and conduction in the clusters located at the PDMS-silica interfaces.
The study in dielectric spectroscopy in the very low frequencies proved to be an invaluable tool for characterization of the whole of these phenomena.
The originality of these studies relates to the significant range of studied temperature (100-430K), the measurement of the dielectric responses in very low frequencies (10 -4 Hz-1MHz), the measurement of space charges by laser induced pressure pulse and measures it low currents (until 50fA). Two families of silicone rubbers were studied: RTV and LSR with silica fillers. These properties when materials are subjected to thermoelectric constraints (16 kV/mm with 353K) during one year are also carried out.
Behaviours classically observed in polymers were identified like the injection of space charges (Schottky effect). However, more specific behaviours were identified as :(i) sub-linear conduction currents, (ii) anomalous depolarization currents and chaotic response, (iii) fractional power law (FPR) on the dielectric response, (iv) low frequency dispersion (LFD) in the dielectric response after aging. These particular behaviours are mainly allotted of blocking electrode and conduction in the clusters located at the PDMS-silica interfaces.
The study in dielectric spectroscopy in the very low frequencies proved to be an invaluable tool for characterization of the whole of these phenomena.
Les élastomères silicones sont déjà largement utilisés dans l'isolation électrique extérieure grâce à la bonne tenue aux contraintes climatiques et à la hydrophobicité. Ils commencent aujourd'hui à être utilisés dans l'isolation volumique pour des applications haute tension. L'objectif de cette thèse était d'analyser plus profondément les propriétés diélectriques et électriques, peu connues, dans ces polymères.
L'originalité de ces études porte sur la gamme importante de température étudiée (100-430K), la mesure des propriétés diélectriques dans des très basses fréquences (10-4Hz–1MHz), la mesure de charges d'espace par un dispositif de type ‘onde de pression' et la mesure de courants faibles (jusqu'à 50fA). Deux familles d'élastomères silicones ont été étudiées : des RTV et des LSR comportant des charges de renfort de silice. L'évolution de ces propriétés lorsque ces matériaux sont soumis à des contraintes électrothermiques (16 kV/mm à 353K) pendant un an est également menée.
Des comportements classiquement observés dans les polymères ont été identifiés comme l'injection de charges d'espace, de type Schottky. Cependant, des comportements plus spécifiques ont été identifiés : (i) des courants de conduction sub-linéaires, (ii) des courants de dépolarisation qui s'inversent et qui présentent une réponse chaotique, (iii) des réponses diélectriques de type loi de puissance fractionnelle, (iv) de la dispersion dans les basses fréquences après vieillissement. Ces comportements particuliers sont principalement attribués à des effets d'électrode bloquante et des mécanismes de conduction dans les clusters présents aux interfaces PDMS–silice.
L'étude en spectroscopie diélectrique dans les très basses fréquences s'est avérée être un outil précieux de caractérisation de l'ensemble de ces phénomènes.
L'originalité de ces études porte sur la gamme importante de température étudiée (100-430K), la mesure des propriétés diélectriques dans des très basses fréquences (10-4Hz–1MHz), la mesure de charges d'espace par un dispositif de type ‘onde de pression' et la mesure de courants faibles (jusqu'à 50fA). Deux familles d'élastomères silicones ont été étudiées : des RTV et des LSR comportant des charges de renfort de silice. L'évolution de ces propriétés lorsque ces matériaux sont soumis à des contraintes électrothermiques (16 kV/mm à 353K) pendant un an est également menée.
Des comportements classiquement observés dans les polymères ont été identifiés comme l'injection de charges d'espace, de type Schottky. Cependant, des comportements plus spécifiques ont été identifiés : (i) des courants de conduction sub-linéaires, (ii) des courants de dépolarisation qui s'inversent et qui présentent une réponse chaotique, (iii) des réponses diélectriques de type loi de puissance fractionnelle, (iv) de la dispersion dans les basses fréquences après vieillissement. Ces comportements particuliers sont principalement attribués à des effets d'électrode bloquante et des mécanismes de conduction dans les clusters présents aux interfaces PDMS–silice.
L'étude en spectroscopie diélectrique dans les très basses fréquences s'est avérée être un outil précieux de caractérisation de l'ensemble de ces phénomènes.