Thermal and electrical ageing of a epoxy-silica composite: study of space charges and conduction

Vieillissement électrique et thermique d'un composite résine époxyde-silice : étude des charges d'espace et de la conduction

Christophe Guillermin (1)

1 G2ELab - Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble

Organic insulating materials are widely studied to understand aging mechanisms and precursors to degradations. In this work, the behavior of an insulator submitted to thermal and electrical stresses is followed as concerns space charge generation and evolution and conduction mechanisms. The material is a composite based on a DGEBA-type epoxy resin. It is used in the matrix (un-filled) form or filled with silica flour at temperatures both below and above the glass transition temperature (Tg=65°C). Space charge generation at low dc electric fielc (2 kV/mm) was observed. The accumulation of charges injected from the electrodes at 55°C and the role of absorbed water in the generation of positive heterocharges at 80°C were evidenced. The study of conduction mechanisms showed that the current is limited by the bulk of the material below Tg (model of hopping conduction) whereas at 80°C the conduction current is described by a Schottky mechanism of injection at the electrodes. The characterization of samples aged under electrical and thermal stresses showed changes of the dielectric properties (e and tan d) during aging, especially at low frequencies.

Les matériaux isolants organiques font l'objet de beaucoup d'études pour comprendre les mécanismes de vieillissement et déterminer les précurseurs des dégradations. Dans ce travail, le comportement sous contraintes électrique et thermique d'un isolant est suivi vis-à-vis de la génération et de l'évolution de charges d'espace ainsi que des mécanismes de conduction. Le matériau étudié est un composite à base de résine époxy. Il est utilisé sous forme chargé ou non chargé de silice, à des températures inférieures et supérieures à la température de transition vitreuse (Tg=65°C). La génération de charges d'espace à faible champ (2 kV/mm) a été observée. L'accumulation des charges injectées à partir des électrodes à 55°C ainsi que le rôle de l'eau dans la génération d'hétérocharges positives à 80°C ont été mis en évidence. De même, l'étude des mécanismes de conduction a montré une limitation du courant par le volume (modèle de conduction par saut) en-dessous de la Tg alors qu'à 80°C le courant est limité par l'injection de charges par effet Schottky aux électrodes. La caractérisation d'échantillons vieillis sous contraintes électriques et thermiques a montré des modifications à basse fréquence des propriétés diélectriques (e et tan d) au cours du vieillissement.

Mots clés: Epoxy resin; silica; high voltage; space charge; electrical aging; conduction current; dielectric properties

Mots clés: Résine époxy; composite; silice; haute tension; charge d'espace; vieillissement électrique; courant de conduction; propriétés diélectriques

Domaines: Physique [physics]

Christophe Guillermin. Vieillissement électrique et thermique d'un composite résine époxyde-silice : étude des charges d'espace et de la conduction. Physique [physics]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00460293⟩