автореферат диссертации по энергетике, 05.14.16, диссертация на тему:Гидродинамические исследования и оптимизация параметров гравитационных шлюзов для очистки сточных вод

НОСКОВСКИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТИЯ УНИВЕРСИТЕТ

{

На правах рукОааса

САДКОВСКИЯ Воряс Петрович

УДК 621.311.25:621.039

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ГРАВИТАЦИОННЫХ 9 Л ЮЗОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Специальность 05.14.16 - Технические средства эацяты

окружат«* среды (промыялениость)

Автореферат двссертааая на соаскаиае учено« стэпеив кандидат» технических наук'

Москв& 1995

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ /

на правах рукописи

ДИЛКОВА Елена Урановна

" УЖ 621.315.616.9:621.319.4.

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КОНДЕНСАТОРНЫХ СТРУКТУРАХ С ПОЛЯРНЫМИ ПОЛИМЕРНЫМИ ПЛЕНКАМИ

Специальность 05.09.02 - электроизоляционная

и кабельная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научний руководитель -доктор технических наук, профессор Борисова М.Э.

/

Санкт-Петербург 1995 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор А.И.Слуцкер, кандидат физико-математических наук В.И.Закржезский.

Ведущая организация: НИИ "Гириконд"

Защита состоится "/?" /¡/¿У/У&ег 1995 г. в /й. час. на заседании специализированного совета К 063.33.21. в Санкт-Петербургском государственном техническом, университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, Р/). учебный корпус,

Автореферат разослан "_"_1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат технических наук С.Л.Кулаков

/

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время пленочные полимерные онденсаторы широко используются в электронных и электротехнических становках. В процессе эксплуатации конденсатора диэлектрик подвергается оздекствию электрического поля, что обуславливает протекание в нем целого яда процессов. Во-первых, это процессы накопления и релаксации заряда, с оторыми связаны абсорбционные характеристики, распределение электрических олей, определяющее явления пробоя и электрического старения, процессы лектропереноса. Во-вторых, это явления электроочистки и изменения структуры 1атериала, которые могут изменять весь комплекс электрофизических арактеристик полимера. ,

В настоящее время среди полимерных конденсаторов наибольший дельный вес составляют конденсаторы из пленок полиэтилентереерталата ПЭТФ). Однако в последнее время все большее внимание уделяется изучению лектрических характеристик пленок поливинилиденфторида (ПВДФ), а также омбинированной изоляции из пленок ПЭТО и ПВДФ, позволяющей существенно величить энергоемкость конденсаторов.

Актуальность изучения закономерностей и механизма этих явлении в олимерных пленках, широко используемых в производстве пленочных олимерных коденсаторов, определяется непрерывным повышением требований надежности изоляции, расширением областей их применения в условиях оздеИствия электрического поля объемного заряда.

Цель и задачи работы. Целью пыполненой и представленной работы вляется изучение электрофизических процессов в пленках ПЭТФ. ПВДФ и 1ногослоиных системах на их основе, связанных с накоплением и релаксацией аряда, с воздействием электрического поля и повышенной температуры, выра-отка практических ■ рекомендаций по повышению качества конденсаторов и |етодов оценки их характеристик. В соответствии с поставленной целью сновными задачами работы являются:

■ исследование природы заряда и механизмов его накопления и релаксации в ленках ПЭТФ;

■ изучение совокупности абсорбционных характеристик полимерных пленок в вязи с необходимостью оценки абсорбционных характеристик конденсаторов;

I

- изучение влияния методов и режимов измерения на величину коэффициент абсорбции Ка конденсаторов из опенки ПЭТФ с целью разработки практически рекомендаций по его оценке;

- исследование влияния постоянного электрического поля на дизлектрически характеристики пленок ПВДФ с целью улучшения эксплуатационны характеристик конденсаторов на их основе;

- изучение абсорбционных и диэлектрических многослойных систем на основ ПВДФ и ПЭТФ при воздействии на них постоянного электрического поля.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

- установлено, что при напряженности электрического поля -108 В/м пр температуре ниже 350 К в пленках ПЭТФ накапливается гомозаряд, эффективна глубина залегания которого под поверхностью пленки составляет 0.2 + 1.5 мкм;

- показано, что в области высоких температур (выше 350 К) в пленке ПЭТ< 'накапливается избыточный отрицательный заряд, инжектируемый из электрод! Для определения природы заряда в этом случае использовался оригинальны метод, основанный на измерении силы отрыва электрода от поверхност заряженного диэлектрика;

- установлено, что для пленок ПЭТФ при плотном контакте направление ток разрядки соответствует движению гомозаряда к электродам, при наличи изолирующих прокладок направление тока разрядки изменяется н противоположное и соответствует движению гомозаряда через толщу образц! что позволило сделать вывод о неоднородности пленки по величин проводимости;

■ определена температурная зависимость проводимости приповерхностнь слоев пленки ПЭТФ методом токов ТСД при различных условиях контакт Показано, что приповерхностные слои имеют повышенное значена проводимости по сравнению с объемом пленки. Таким образом, накопление релаксация заряда происходит по механизму поляризации Максвелла - Вагнера ' - разработана модель, учитывающая различие проводимости поверхности слоев и объема пленки. Эта модель позволила удовлетворительно описать вс совокупность абсорбционных характеристик: токи зарядки из и разрядки ^ восстановленное напряжение Щ, напряжение саморазряда 1_1с, как для плен! ПЭТФ, так и для конденсаторов на их основе;

- установлено, что для пленок ПВДФ в области температур выше 300 наблюдается существенное уменьшение диэлектрической проницаемости £ и I; под действием постоянного электрического поля. Величина эффек определяется температурой, напряженностью электрического поля и частот!

¡мерительного сигнала. В зависимости от длительности воздействия и условии ключения электрического поля эти изменения могут носить обратимый и ¡обратимый характер;

установлено, что в многослойных системах на основе пленок ПЭТФ и ГШДФ ¡сорбционные характеристики и изменения диэлектрических характеристик под ;йствием электрического поля определяются как свойствами состовляющих

юнок, так и процессами, происходящими на границе раздела, включающими

* 1

жопление заряда и инжекцию носителей заряда из одного диэлектрика в зугои.

Практическая ценность результатов заключается в том. что они позволили: разработать методику экспериментального исследования и теоретического ■(ализа абсорбционных характеристик полимерных пленок и конденсаторов. Эти ззультаты были использованы при составлении ГОСТа №21.315.11-87 на шерение коэффициента абсорбции пленочных полимерных конденсаторов;

усовершенствовать технологию изготовления полиэтилентерефталатмых жденсаторов, что позволило повысить их емкость в результате термообработки электрическом полена 20%;

предложить метод повышения температурной стабильности емкости и (дб пя поливинилиденфторидных конденсаторов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и эсуждались на следующих конференциях, совещаниях, семинарах:

Всесоюзная конференция "Физика диэлектриков и новые области ее эименения", г. Караганда, 1978 г.

. Всесоюзное совещание 'Повышение качества и улучшение технико-<ономических показателей силовых конденсаторов и комплексных знденсаторных установок", г.Серпухов, 1979 г.

. Всесоюзное научно-техническое совещание "Состояние и перспективы азвития электрической изоляции", г.Киев, 1980 г.

. Международный научный коллоквиум по электротехнике, г.Ильменау, ГДР, 980 г.

. \Ля Национальная научно-техническая конференция с международным цаетием по электроизоляционным материалам и кабелям, "Элизоткабель". Бургас, НРБ. 1982 г.

. Всесоюзная научно-техническая конференция "Физика диэлектриков*, г.Баку, 982г. „

Т. Всесоюзное совещание-семинар "Математическое моделирование экспериментальное исследование электрической релаксации в элемента интегральных схем *, г.Гурзуф, 1ЭЕЗ г.

8. У1-1Х Межвузовские научно-технические конференции "Электреты и и применение в радиотехнике и электронике", Москва, (1978,1979,1980,1982 гг.)

9. VI Всесоюзная научная конференция "Физика диэлектриков", г.Томск, 1988 г.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работа»

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четыре глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 10 наименований работ. Объем диссертации составляет 100 страни машинописного текста, 55 рисунков, 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определены цел и задачи работы, сформулирована научная новизна и практическая зпачимост полученных результатов.

В первой главе - обзоре литературы,- описаны методы определен« коэффициента абсорбции и способы описания абсорбционных характеристи конденсаторов с помощью построения релаксационных моделей.

Рассматривается теория абсорбционных свойств слоистой изоляцик Приведены выражения для тока, протекающего во внешнем цепи при зарядке разрядке и напряжения на электродах при разрядке в разомкнутом состояни для конденсатора с многослойным диэлектриком, состоящим из любог количества слоев. Показано, что такой подход может быть использован лр описании процессов накопления и релаксации заряда в визуально однородно; диэлектрике. Применимость такого подхода обосновывается наличием полимерных пленках приповерхностных слоев с измененными свойствами.

Приведены сведения о результатах исследования процессов накопления релаксации заряда и диэлектрических характеристик пленок ПЭТФ и ПВДФ, также многослойных структур на их основе.

Показано, что в настоящее время не существует единого мнения о природ процессов накопления и релаксации заряда в полимерных диэлектриках.

Во второй главе описана методика эксперимента. При исследовани абсорбционных характеристик измерялись зависимости и3, ив и 11с с 4 '

>емени при постоянной температуре и токи термостимулированнои эполяризации (ТСД) при нагреве образца с постоянной скоростью ß=1 К/мин. пя измерения тока и напряжения использовался электрометр ИТН-7, который зззоляет измерять токи от Ю-15 до 3-Ю"6 А и напряжения от 5-Ю"5 до 60 В. ?и измерении напряжения входное сопротивление электрометра составляет З16 Ом, что позволяет проводить измерения для образцов с высоким нутренним сопротивлением.

Для определения величины и знака заряда, накопленного в пленках в ззультате воздействия электрического поля, использовались метод змпенсации с вибрирующим электродом и метод, основанный на измерении ллы отрыва электродов от поверхности полимерной пленки после зарядки при авышенных температурах.

Метод компенсации с вибрирующим электродом позволяет определить два «чения компенсирующей разности потенциалов U«, когда вибрирующий пектрод находится с разных сторон диэлектрика Uo и U(i ► и рассчитать аличину эффективной поверхностной плотности заряда с двух сторон пленки по ^отношениям

°°эфф = £о*ио / h . а}э1фф = £0eUh / h

h - толщина полимерной пленки.

Было показано, что при температуре больше 420 К между поверхностью ленки ПЭТФ и электродом из алюминиевой фольги возникает сила сцепления, еличина которой определяется силой, действующей на электрод в процессе апокания. Если запекание пленки проводилось о присутствии электрического оля, то сила, действующая на каждый электрод определяется напряженностью лектрического поля у электрода, которая в свою очередь зависит от величины, нака и распределения заряда в диэлектрике. Следовательно, измеряя силу цепления между электродом и поверхностью пленки можно получить нформацию о величине и знаке заряда, накопленного в диэлектрике. С этой {елью измерялась сила отрыва электродов из алюминиевой фольги от оверхности пленки ПЭТФ после термополевой обработки. Измерения ¡рооодились с помощыо разрывной машины 'Инстрон*. Свободные концы пленки I фольги закреплялись в зажимах разрывной машины, которые раздвигались с ¡остоянной скоростью »=0.5 см/мин. Зависимость силы отрыва от времени фиксировалась самописцем. Среднее значение силы отрыва определялось путем среднения ее величины по длине электрода.

При изучении температурной зависимости Е и ппенок ПВДФ измерен 1д5 и емкости С проводились мостом переменного тока Р5016 при часто электрического поля 1. 5, 10, 50 кГц.

Исследовались зависимости дифференциальной емкости от времени п одновременной подаче на образец напряжения смещения 11см высокочастотного измерительного сигнала. Измерительный сигнал амплитуд 25 мВ имел одну из фиксированных частот: 0.2, 2. 20. 200 кГц и 1 МГ Напряжение смещения подавалось в виде ступеньки или изменялось постоянной скоростью 0=0.05 * 1 В/с. Для выделения емкостной состзвляющ гока использовался фазовый детектор, чго необходимо при измерении емкое образцов, оолздающих большими потерями.

В третьей главе приводятся результаты экспериментального исследован! и теоретического анализа абсорбционных характеристик пленок ПЭТФ конденсаторов на их основе. Измерения проводились на образцах промышленной пленки ПЭТФ с напыленными алюминиевыми электродами и I промышленных конденсаторах серии К-73, изготовленных из пленки ПЭТ' Измерения проводились в интервале температур от 290 до 460 К напряженное гей электрического поля ог 1.7 до 100 кВ/мм.

Проведенные исследования показали, что в области низких темпераг (Т < Тс=350 К) значения компенсирующей разности потенциалов, измеренные двух сторон образца примерно равны по величине и противоположны по знак причем знак соответствовал гомозаряду.

Спектры тока ТСД при плотном контакте имеют два максимума тока одно направления. Направление тока в этом случае соответствует разрушен!' остаточной поляризации или движению объемного заряда к электродам. П| деполяризации с изолирующими прокладками из политетрафторэтилена (ПЭТ4 направление тока изменялось на противоположное и соответствовало движени объемного заряда через среднюю часть пленки. Положение максимуь смещалосьв область более высоких температур. Следовательно можно считат что остаточная поляризация не играет существенной роли в образован) абсорбционного заряда, а накопление заряда происходит за счет межслоев< поляризации.

Если зарядка образцов осуществлялась при температурах больших Тс, огрыв электродов от поверхности заряженной пленки приводил к существенное изменению спектров ТСД, а измерения и« не давали воспроизводимь результатов. Это обстоятельство не позволило применить описанные выи методики для определения природы заряда, накапливаемого в пленке ПЭТФ П| высоких температурах. В этом случае для определения знака абсорбционни 6

зряда проводилось измерение силы отрыва электродов из алюминиевой фольги т поверхности полимерной пленки ПЭТФ (h=12MKM) после ее выдержки при овышенных значениях темлерзтуры (440 К) а постоянном алектрическом поле г-50 kB/мм). При этом использовались электроды из алюминиевой фольги в :1де полос ширинои 14 мм и длинои 20 мм. Установлено, что сила отрыва оложительного электрода F+ значительно превышает силу отрыва трицательного электрода F". В некоторых случаях сила F" была настолько мала, то измерить ее не удалось. Среднее значение силы отрыва электродов по змерениям на серии из 9 образцов составляли F+=0.141±0.04 Н и F-=0.012± .006 Н. Существенная разница в силе отрыза электродов свидетельствует о роникновении отрицательного заряда со стороны катода и накопления его в ланке, что может быть следствием имжекции электронов в пленку ПЗТФ.

При переходе от деполяризации при плотном контакте к деполяризации с зонирующими прокладками наблюдалось изменение направления тока, оответстоующего высокотемпературному максимуму. Однако, положение его.на ривой ТСД изменялось незначительно.

По результатам измерения Uk и суммарного заряда Q, рассчитанного по пощади ограниченной кривой тока ТСД при плотном контакте электродов с .иэлектриком было определено расстояние центроида заряда X от поверхности аряженной пленки:

x = hQ/(Q + e0eEKS), (1)

цс EK=UK/h; S - площадь электродов. Для пленок ПЭТФ глубина залегания аряда составляла 0.2 и 1.5 мкм для образцов, заряженных при 290 и 350 К оответстаенно.

Для уточнения механизмов релаксации гомоэаряда были рассчитаны омпературные зависимости времен релаксации по спектрам токов ТСД при азличных условиях контакта. Расчет проводился с помощью соотношения

r = Q(T)/J(T), (2)

де Q(T) - заряд, протекающий во внешней цепи выше температуры Т, J(T) -начение тока при температуре Т.

начения х-| и "Сг ПРИ плотном контакте и при наличии прокладок определяются . ыражениями

t\ =Sq£ / Y\- \ Т2= £q(ßnh + äh) / {Yijb) (3)

де hn, cn, yn толщина, диэлектрическая проницаемость, проводимость |рокладок. С помощью (2) • (3) из спектров тока ТСД были1 определены ависимости Yi=f(T) и для пленок ПЭТФ. Оказалось, что У1>>-/2 причем

ависимость - у?=f(T) практически совпадает с зависимостью проводимости

пленки 11ЭТФ, измеренной по остаточным значениям тока. Следовательно собственная проводимость полимерной пленки играет определяющую роль'Е процессах релаксации заряда, причем полимерная пленка неоднородна пс толщине - приповерхностные слои имеют повышенное значение проводимости пс

Итак, экспериментальное исследование процессов накопления ^ релаксации ззряда в пленках ПЭТФ показало, что существенную роль в ии> играет собственная проводимость полимерного диэлектрика, причем полимерна; пленка неоднородна по толщине, приповерхностные слои имеют повышенное значение проводимости.

Для уточнения механизма накопления и релаксации гомозарядг исследовалась вся совокупность абсорбционных характеристик: ив«ГСЬ и ис=У(1;). Установлено, что зависимости ¿3=ЦХ) и хорошс

описываются суммой трех, а зависимости 1>С=Т(1;) - суммой четырех экспонент. Поэтому для анализа экспериментальных данных нами была рассмотрена модель многослойного диэлектрика.

Предположим, что полимерная пленка состоит из л слоев, каждый из

которых характеризуется значением проводимости У|, диэлектрической

проницаемости и толщиной На границе 1-го и 1+1-го слоев в процессе

зарядки накапливается заряд С|. На поверхности пленки находятся металлические электроды. Процессы зарядки и разрядки для такой модели описыаются системой уравнений *

где К») - плотность тока во внешней цепи; Е)(0 - напряженность поля в ¡-том слое: и(1) • напряжение на электродах.

Если релаксация заряда происходит при разомкнутых электродах, тс плотность тока во внешней цепи равна нулю, то есть

сравнению с толщей образца.

ОЕ:

У(0 = 1) + £0£1 (4)

О} (Г) = £о£1+ ,(Г) - £о£; ,(Г) (5)

п

(6)

ПЕ^ + ЕоЕ; -£-=0 (7)

Решение уравнения (7) записывается в виде

Е{. (О = Е? ехр(-/ / г,- ) (8)

з

где Е)° - начальное значение напряженности электрического поля в 1-ом слое, Т| - время релаксации, которое в этом случае определяется параметрами только I-го слоя

Подставив (8) в (6) получим выражение описывающее изменение напряжения на электродах в процессе разрядки

Итак, количество слоев п и значения Т) и могут быть определены ш экспериментальной зависимости напряжения от времени в процессе саморазряда. При постоянном значении диэлектрической проницаемости по толщине диэлектрика проводимость ¡-го слоя определяется по значению Т| из соотношения (9;. если считать, что в процессе зарядки устанавливается стационарное состояние (У1Е1=У2Е2=---"7пЕп). то толщины слоев могут быть определены из соотношений

Для проверки предложенной модели были исследованы зависимости тпков зарядки и разрядки, восстановленного напряжении и напряжения саморазряда . для пленки ПЭТФ толщиной б мкм при Т=383 К. Установлено, что зависимость и0=Г(1) в этом случае хорошо описывается суммой четырех экспонент. Следовательно для описания процессов накопления и релаксации заряда можно ограничиться рассмотрением четырехслойной структуры, параметры которой у\ и 1ц могут быть определены из соотношений (10) - (12).

Полученные значения и Ь| были использованы при расчете зависимостей тока зарядки и разрядки и восстановленного напряжения от времени. Результаты расчета практически совпадают с зависимостями полученными экспериментально для пленки ПЭТФ.

Установлено, что для конденсаторов типа К 73-22, изготовленных из пленки ПЭТФ, кривая саморазряда также хорошо описывается суммой четырех экспонент. Следовательно для описания их абсорбционных характеристик может

(9)

(10)

где и^ИцЕ^.

1=1

Оыть использована четырехслоЯная модель. Расчет зависимостей токов зарядки и ргзрядхи и восстановленного напряжения, проведенный на основании этой модели хорошо согласуется с экспериментальными зависимостями.

Итак, проведенные исследования показали, что весь набор абсорбционных характеристик как для пленок, так и для конденсаторов может быть описан на основе модели многослойонго диэлектрика. Причем параметры модели могут быть экспериментально определены по кривим саморазряда.

3 настоящее время в соответствии с ГОСТ-ом для оценки абсорбционных свойств конденсаторов используется величина коэффициента абсорбции Ка, измеренная по восстановленному анпряжению. В связи с.этим нами были проведены исследования зависимостей Ка=ив/и3 при различных значениях времени зарядки ^ времени закорачивания обкладок и времени измерения восстановленого напряжения (3. Установлено, что величина коэффициента абсорбции в значительной степени определяется условиями проведения испытаний, однако, распределение конденсаторов по величине Ка, измеренным при одинаковых значениях 1 т, \2- не зависит от условий измерения. Следовательно для сравнительной оценки абсорбционных своистз конденсаторов можно выбрать режим измерения наиболее оптимальный для практической реализации. На основе полученных результатов были даны рекомендации для составления ГОСТ №12.315.11-87 на измерение Ка пленочных конденсаторов.

Метод токов ТОД был использован при разработке способа повышения емкости фольговых конденсаторов на основе термоусаживающейся пленки ПЭТФ.

При изготовлении таких конденсаторов применяется прогрев при температуре 448 К, что приводит к увеличению емкости конденсатора на 3+5%. Установлено, что прогрев в присутствии постоянного электрического поля увеличивает прирост емкости до 181-20%. В результате исследования спектров тока ТСД конденсаторов и пленок было установлено, что при запекании в присутствии электрического поля увеличивалась площадь плотного контакта* пленки с фольгой за счет устранения имеющихся между ними воздушных включений.

Нами было показано, что в процессе термополевои обработки наблюдалось более плотное прилегание положительного электрода за счет накопления в пленке ПЭТФ избыточного отрицательного заряда. Поэтому изменение полярности напряжения во время запекания конденсаторе приводило к дополнительному увеличению его емкости на 2ч 5%.

В четвертой глазе описаны результаты экспериментального исследования абсорбционных характеристик пленок ПЗДФ и многослойных структур на осноее ПЭТФ и ПВДФ, а также изменения £ и tg5 при воздействии на них постоянного электрического поля. Измерения проводились на образцах из пленки ПВДФ а-формы марки Ф-2МЭ толщиной 30 мкм, а также на пленке ПВДФ. полученной лакозым способом из порошка Ф2М марки Г(ПТР=8.72 г/мин) на подложке из ПЭТФ. При исследоаании многослойных структур использовались пленки ПЭТФ толщиной 3, 10, 20 мкм и пленка ПВДФ марки Ф-2МЭ толщиной 30 мкм, Измерения проводились в области температур от 290 до 455 К. Напряженность электрического поля изменялась от 0 до 20 кВ/'мм.

Проведенные исследования показали, что, как для пленок ПЗДФ, так и для многослойных систем на основе ПВДФ и ПЭТФ, при воздействии на них постоянного электрического поля наблюдается целый ряд явлений, не характерных для других полимерных диэлектриков.

Установлено, что на зависимостях токов зарядки и разрядки от вр®М£жи для пленок ПВДФ наблюдаются максимумы тока, положение которых смещалось в область меньших времен при увеличении температуры. Кроме того, показано, что при выдержке пленки ПВДФ в постоянном электрическом поле происходит существенное, в несколько раз, уменьшение С и igu 8 области высоких температур. Величина эффекта возрастает с увеличением температуры и уменьшением частоты измерительного сигнала.

Показано, что для двухслойных систем типа ПВДФ + ПЭТФ зависимости Jp=i(1). uB=i(0. спектры токов ТСД и изменение t:(t) и ta5(!) при воздействии постоянного электрического поля существенным образом зависит от полярности приложенного напряжения. Влияние полярности приложенного напряжения на характеристики двухслойных структур уменьшалось с уменьшением температуры. Так при Т=410 К значения восстановленного напряжения при положительной полярности UCM со стороны ПВДФ в семь раз меньше, чем при отрицательной, а при комнатной температуре они практически совпадают. Для симметричных многослойных систем типа ПЭТФ + ПВДФ + ПЭТФ зависимости характеристик от полярности приложенного напряжения не наблюдалось.

Исследование зависимостей дифференциальной емкости от времени и напряжения проводилось при одновременном воздействии на образец напряжения смещения и измерительного сигнала. Установлено, что при подаче на образец ПВДФ ступеньки напряжения наблюдается резкое уменьшение S до некоторого значения ест, которое в дальнейшем практически не изменяется. При отключении напряжения наблюдается очень медленное возрастание

диэлектрической проницаемости до значении близких или меньших, чем первоначальные. Скорость нарастания £ и величина, до которой восстанавливается диэлектрическая проницаемость уменьшается с увеличением времени выдержки образца ПВДФ в постоянном электрическом поле. Величина относительного изменения е возрастала с увеличением температуры и уменьшением частоты измерительного сигнала.

Исследование зависимостей е от напряжения смещения при изменении его с постоянной скоростью показало, что при некотором значении 1)СМ*=5-И0 В • происходит резкое уменьшение е до некоторого значения, после чего диэлектрическая проницаемость изменяется незначительно: Величина ием* уменьшалась с ростом температуры и уменьшением скорости изменения напряжения смещения.

При подаче ступеньки напряжения на систему ПЭТФ - ПВДФ с течением времени наблюдается изменение эффективном диэлектрической проницаемости БЭфф- При положительной полярности напряжения смещения со стороны ПВДФ в первый момент после подачи напряжения Сэфф резко уменьшается, а.затем постепенно нарастает до некоторого значения При отрицательной попярности исы со стороны ПВДФ в первый момент также наблюдается уменьшение Сэфф, но затем оно несколько увеличивается и начинает медленно уменьшаться, стремясь к некоторому постоянному значению. После отключения напряжения еэфф возрастало до значений равных или несколько меньших, чем первоначальные. Величина относительного изменения Сэфф увеличивалась с возрастанием исм и уменьшением толщины пленки ПЭТФ.

Исследование зависимостей СЭфф=Т(исм) при изменении исм с постоянной скоростью показало, что до некоторого значения исм*=5+10 В эффективная диэлектрическая проницаемость практически не изменяется, затем наблюдается - резкое снижение Сэфф в довольно узком интервале 1)см, при дальнейшем увеличении напряжения происходит ее медленное уменьшение. При увеличении толщины пленки ПЭТФ значение исм" возрастает, а относительное изменение еэфф уменьшается.

Уменьшение диэлектрической проницаемости при воздействии постоянного электрического поля может быть обусловлено либо уменьшением числа релаксаторов, либо потерей ими подвижности, причем не обязательно вследствие закрепления релаксаторов на структурных ловушках. Роль ловушки может выполнять постоянное электрическое поле, которое ориентирует релаксаторы ионы или диполи и закрепляет их в предельно удаленном от положения равновесия состоянии. Если амплитуда переменного поля 12

существенно меньше, чем величина постоянного, то положение, ориентация закрепленных релаксаторов переменным полем существенно не меняется, то есть величина 5 образца в переменном поле будет уменьшаться с ростом постоянного поля.

Для многослойных систем ситуация усложняется из-за процессов накопления заряда на границе раздела слоев и инжекции заряда из одного диэлектрика в другой. Все эти процессы могут изменять электрическое поле внутри ПВДФ, что и определяет сложный характер зависимостей для многослойных систем.

После отключения электрического поля изменения С определяются изменением внутреннего поля, которое непосредственно связано с абсорбционным зарядом, накопленным в пленке при выдержхе ее в постоянном электрическом поле.

Полученные результаты были использованы для разработки метода стабилизации диэлектрических характеристик пленок ПВДФ путем термополевой обработки. Известно, что диэлектрические характеристики ПВДФ резко изменяются с ростом температуры, что может существенно ограничивать области применения конденсаторов, изготовленных из этих пленок. Показано, что под Действием постоянного электрического поля происходит существенное уменьшение е и 1д6 в области высоких температур, а восстановление после отключения электрического поля определяется временем релаксации заряда накопленного в пленке в процессе обработки. В связи с этим нами была предпринята попытка сохранить состояние с уменьшенными Е и 1дб путем охлаждения пленки ПВДФ п присутствии электрического поля. Для итого образец пленки ПВДФ толщиной 12 мкм нагревался до 420 К и выдерживался в течение часа при постоянном напряжении 100 В. Затем образец охлаждался до комнатной температуры в присутствии поля, напряжение отключалось и проводились измерения температурных зависимостей Е и 1д5. Установлено, что для обработанных пленок рост 1до начинался при более высоких температурах, а значения С оставались практически постоянными по всем исследованном интервале температур от комнатной до 420 К. Прогрев при 420 К в течение часа не влияет на характеристики обработанных пленок.

13

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что в процессе зарядш о постоянном электрическом поле в пленке ПЭТФ накапливается гомозаряд. Эффективная глубина проникновения заряда зависит от условий зарядки и составляет 0.2 мкм при 290 К и 1.5 мкм при 350 К.

2. Показано, что процессы накопления и релаксации заряда в пленках ПЭТФ определяются в первую очередь величиной собственной проводимости, которая в приповерхностных слоях оказывается существенно выше, чем в объеме пленки. Следовательно причинои образования гомозаряда является поляризация Максвелла-Вагнера.

3. Экспериментально исследовано и теоретически проанализирована вся совокупность абсорбционных характеристик пленок ПЭТФ и конденсаторов на их основе • абсорбционные токи,0 восстановленное напряжение, напряжение саморазряда. Показано, что все абсорбционные характеристики как для пленок, так и для конденсаторов удовлетворительно могут быть описаны на основе модели многослойного диэлектрика. Разработан алгоритм определения параметров модели по экспериментальной кривой саморазряда. Проведен расчет абсорбционных токов и зависимостей ив=ф) для пленок и конденсаторов. Результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными.

4. Исследованы временные зависимости восстановленного напряжения для конденсаторов серии К73 при различных условиях испытаний. Установлено, что для ссрии конденсаторов их расположение по величине восстановленного напряжения измеренного при одинаковых , , Ь не зависит от режима испытаний. На основе полученных результатов были даны рекомендации по составлению ГОСТа№12.315.11-87 на измерение коэффициента абсорбции пленочных полимерных конденсаторов.

5. Установлено, что для пленок ПВДФ в области высоких температур наблюдалось существенное, в несколько раз, уменьшение Е и ГдЙ под действием постоянного электрического поля. Величина эффекта возрастала с ростом температуры и уменьшением частоты измерительного сигнала. Показано, что данное явление может быть использовано для повышения температурной стабильности диэлектрических характеристик конденсаторов из пленки ПВДФ.

6. Установлено, что для многослойных диэлектриков на основе пленок ПВДФ и ПЭТФ абсорбционные токи, восстановленное напряжение, характер спектров тока ТСД, а также изменение £ и 1дб под действием постоянного электрического поля существенно зависят от полярности

приложенного напряжения. Влияние полярности напряжения на характеристики многослойных структур уменьшается с уменьшением температуры.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Борисова М.Э., Дийкова Е.У., Койков С.Н. Анализ релаксации заряда в полимерных пленках на основе модели двухслойного диэлектрика// Тез.докл.Всесоюз.научн.конф. Физика диэлектриков и новые области их применения, Караганда, 8-10 июля 1978 Г.--С.23.

2. Бондаренко П.Н., Борисова М.Э., Дийкова Е.У. Применение метода термостимулированной деполяризации для контроля технологии изготовления пленочных полимерных конденсаторов// Электрическая релаксация и электретный эффект в твердых диэлектриках: Межвуз.сб.научн.тр./ЛГПИ им.А.И.Герцена.-Л., 1380.-С. 12-15.

3. Борисова М.Э., Дийкова Е.У., Койков С.Н. Анализ электретных свойств полимерных пленок на основе модели двухслойного диэлектрика// Известия вузов. Физика.-1980.-№12.-С.26-29.

4. Борисова М.Э., Дийкова Е.У.,, Койков С.Н. Накопление и релаксация заряда в полимерных диэлектриках// 25 Intern. Wiss. KoK.Thflmenau. 25-27 oct. 1980 Г.-1980.-С.9-12.

5. Борисова М.Э., Дийкова Е.У., Койков С.Н. Определение природы носителей заряда инжектированного в полимерную пленку// Всесоюзн.научн.конф. Физика диэлектриков. Баку, 1-3 декабря, 1982 Г.-1982.-С.93-95.

6. Анализ процессов накопления и релаксации заряда в Полимерных пленках на основе модели многослойного диэлектрика/ М.Э.Борисова, Е.У.Дийкова, С.Н.Койков, В.П.Рымша// Неравновесные процессы а диэлектрических материалах: Межвуз.сб.научн.тр./МИРЭА.-М., 1983.-С.65-71.

7. Борисова М.Э., Дийкова Е.У., Койков С.Н. Накопление и релаксация заряда в пленочных полимерных конденсаторах// Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах интегральных схем: Межвуз.сб.научн.тр./МИЭМ.-М., 1984,- С.53-58.

8. Борисова М.Э., Дийкова Е.У., Старовойтенков В.В. Анализ абсорбционных характеристик пленочных лавсановых конденсаторов на основе модели многослойного диэлектрика// Электронная техника. Радиодетали и радиокомпоненты.-1986,- Вып.3.-С. 10-12.

9. Диикова E.V., ляховскии Ю.Э., Сажин б.и. Полевая зависимость дифференциальной емкости многослойного конденсатора на основе поливинилиденфторида// Тез.доклМ Всесоюз. научи. конф. Физика диэлектриков. Томск, 23-25 ноября 1988 г.- С.54-55.

10. Дийкова Е.У., Ляховскии Ю.Э., Сажин Б.И. Влияние постоянного электрического поля на величину эффективной диэлектрической проницаемости многослойных диэлектриков на основе поливинилиденфторида и полиэтилентерефтелата// Высокомолек. соед.-1992.-Т.АЗЗ, №3.-С.116-120.

11. Абрамова H.A., Дийкова Е.У., Ляховскии Ю.Э. Влияние термополевои обработки на диэлектрические характеристики пленок поливинилиденфторида// Высокомолек. соед.-1993.-Т.Б35, №9.-С. 1521-1522.