Химия и физика полимеров - Тугов И.И.
ISBN 5—7245—0243—7
Скачать (прямая ссылка):
21—23 (2) 150—200 (0,02) 70—1000 (0,05) 10—15 (2) 15—40 (2)
В скобках указана толщина образца в мм.
Механизмы разрушения полимеров в электрическом поле, т. е. механизмы пробоя, различны для разных полимеров. Различают электронный пробой, тепловой и пробой вследствие газовых разрядов.
Электронный пробой характерен для малодефектных материалов, которые не разогреваются при испытании. Как уже отмечалось выше, при приложении высокого напряжения в ди-
378
электрик из электродов инжектируются электроны, ускоряющиеся в электрическом поле. Полимер в стеклообразном или кристаллическом состоянии можно считать малодефектным материалом, так как дефекты его «заморожены». В этих условиях инжектируемые электроны захватываются кристаллической решеткой и остаются в ней. Электронная проводимость (взаимодействия электрон — электрон) мала, в основном преобладает взаимодействие электронов с полимером (взаимодействие электрон— фонон). С повышением температуры это взаимодействие усиливается и электрическая прочность таких материалов возрастает с температурой. Однако редко удается наблюдать повышение Епр с ростом температуры: чаще всего Епр мало изменяется с температурой до Тс или Ти^ При температурах выше Тс или Глл возрастают подвижность макромолекул и вероятность «выбивания» электронов из мелких ловушек, размораживаются дефекты. Все это приводит к резкому увеличению числа электронов в зоне проводимости, преобладанию взаимодействия электрон — электрон, повышению электропроводимости и, следовательно, к снижению Епр с ростом температуры.
В результате притяжения разноименно заряженных электродов диэлектрик сжимается, что повышает вероятность пробоя, и образец может разрушиться раньше, чем произойдет электронный пробой. Такой механизм пробоя называют электромеханическим.
Величина ?пр в этом случае зависит от диэлектрических свойств и жесткости материала и увеличивается с ростом модуля упругости Е и при снижении диэлектрической проницаемости е:
?Пр~0,6(?/еео)»/2. (5.105)
Тепловой пробой характерен для материалов, сильно разогревающихся при приложении электрического поля. Вследствие нагрева растет проводимость и образец разогревается до тех нор, пока в каком-нибудь (наиболее дефектном) месте не произойдет пробой. Степень разогрева зависит также от диэлектрических потерь и эффективности отвода тепла и наиболее значительна при переменном напряжении. Поскольку диэлектрические потери максимальны при переменном напряжении в области довольно высоких температур и частот, то вероятность теплового пробоя наибольшая в этих условиях.
Диэлектрические потери зависят от структуры полимера, а эффективность теплоотвода определяется теплопроводностью полимера и толщиной образца. Чем больше диэлектрические потери, хуже теплопроводность и больше толщина образца, тем при более низких значениях напряженности электрического поля произойдет пробой, т. е. тем ниже электрическая прочность. Повышение температуры наибольшее внутри образца и зависит
379
от продолжительности действия напряжения и его величины. При невысоких напряжениях температура внутри образца повышается незначительно в первый момент приложения напряжения и практически не зависит от продолжительности его действия. При напряжениях выше некоторых критических значений скорость роста температуры увеличивается и йТ\(11-+<х>. Это приводит к резкому снижению электрической прочности и пробою. Если температура приближается к температуре химической деструкции, то пробой сопровождается разложением полимера.
Электрический пробой вследствие газовых разрядов происходит в диэлектриках, имеющих микродефекты в виде полостей, наполненных газом, например воздухом (внутренний пробой), или в случае неплотного прилегания электродов к поверхности образцов (внешний пробой). Электрическая прочность газов ниже электрической прочности твердых диэлектриков, поэтому при приложении высокого напряжения в первую очередь происходит электрический разряд в зазоре электрод — диэлектрик и в полостях внутри диэлектрика. Напряжение пробоя в газах определяется размером зазора и плотностью газа: при постоянной плотности 1/Пр снижается с увеличением зазора и размеров микродефектов. При разряде развивается высокая температура и выделяется озон, что является причиной деструкции диэлектрика и приводит к снижению пробивного напряжения. Особенно опасны внутренние газовые пробои, приводящие к возникновению разветвленных эрозионных каналов от полости к электроду. Влияние разрядов на прочность диэлектрика наиболее существенно при переменном напряжении.
С ростом температуры электрическая прочность полимеров в переменном электрическом поле при любом механизме пробоя снижается: сначала (до Тс или /ПЛ) незначительно, а в области Тс или ТПл происходит ее резкое уменьшение. В постоянном электрическом поле в области Тс иногда наблюдается максимум ?Пр, обусловленный дипольной поляризацией, ослабляющей напряженность приложенного ПОЛЯ.
Длительная электрическая прочность в значительной мере определяется интенсивностью так называемого электрического старения, которое происходит под влиянием разрядов, и связанного с ними повышения температуры, а также озона и заключается в необратимом изменении структуры полимера (химической деструкции). Старение приводит к росту электрической проводимости (за счет увеличения числа носителей тока), и пробой наступает при меньших значениях напряженности электрического поля. Такой пробой называется электрохимическим.
