автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Накопление и релаксация заряда в электроизоляционных полимерных пленках

*■ л" ^ : 1" * '<<"''

- /' ' -- /

С

ЛШИНГРДДСКИЛ ГОСУДЛРСТПЕГШЗ' ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи БОРИСОВА Маргарита Эдуардовна

УДК 621.515.616.319.2

НАКОШГИШЕ И РЕЛАКСАЦИЯ ЗАВДА В ЭЛЖТРОЙБОЛЯфЮШЫХ ШМЯШХ ШИНКАХ

Специальность 05.09.02 - электроизоляционная

и кабельная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора телшческих наук

Ленинград .15']"

Работа выполнена в Ленинградском государственном техническом университете.

Официальные оппоненты:' доктор, технических наук, член-корр. АН СССР Ю.Н.Вершинин, доктор технических наук, профессор Г.С.Кучинекий доктор физико-математических наук, профессор Ю.М.Поплавко.

Ведушая организация: НИИ "Гирикощ}".

Зашита состоится " АО" 1991 г. в " час.

на заседании специализированного совета .

в Ленинградском государственном техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 2Э, ^ . учебный корпус, /¿¿ауд.

Автореферат разослан " ИО&ОрЛ 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук

О.Л.Мезенин

-о ОБ!(АЯ ХАРА1ЖРШТИКА РЛБ01Ы

" '^'Актуальность темы. Пленочные полимерные диэлектрики находят си-применение в сдектротехнике, приборостроении, электронике в ка-сстве электроизоляционных материалов, конденсаторных диэлектриков, татае материалов для производства электретньге мембран, используемых микрофонах, телефонах, различных датчиках электромеханических сигало и. С процессами накопления и релаксации заряда в пленочных подпершие диэлектриках связаны такие электрофизические явления, как эде-третчь'й эффект, приэлектродния и миграционная поляризация, абсорбцн-нше характеристики, явления пробоя и электрического старения.

Актуальность изучения закономерностей и механизма огих явлений полимершж пленках определяется непрерывным по вьшением требовании надежности электрической и;.оляции, энергоемкости конденсаторов, рас--иренпеч областей применения электрической изоляции в условиях воздей-ткия электрического поля объемных зарядов, иониэиругадеи радиации, ме-внических напряжений, а тгсте развитием производства микрофонов, дат-иков, слуховых аппаратов на основе электретных мембран. В связи со казанным представляется весьма актуальньм изучение электрофизических роцессов, происходящих в ;.;олкмзуш.к пленках в условиях накопления и йлаксации заряда, с решением ряда практических задач в интересах про-:гллешсстя.

Работа проводилась в г._<от зегствяц с координационными планг«и АН ХР на 19 ЕЮ-19 85 гг. и К>':5-199'; гг. но проблеме "Физика твердого з:»а" (разделы: 1.3.3.4; 1.2.4.7; 1.3.10.2) и по проблеме "Электрофи->1ка и электроэнергетика" (р-.здел 1.9.2.1.1),- по планам О ПИЛ электро-иозменной! технологии и электрофизики слоистых структур Шшэлектрон-рома СССР, иКИЛ теллосто» ой изоляция ,\;инэлектрот&хпрома СССР, по ^¿плекеной целевой программе "Диполь" Минвуза РСФСР и Мпнзлоктрон-10Ма СССР.

Цель и задачи работы. ]\(.лъа выполненной и предетавленно1 работы мнется всестороннее изучение происходящих в полимерных пленках: элек-эофпзпчоских процзссов, СЕЧзгл-шкх с накоплением и релаксацией зарт-1, создание на базе этого научно-технических осноз г.римененил полисных 'п.4».-'{.'.< л производств- с учетом' рола объемного заряда 1 зырч-/тка практических рекомендаций по по впавши качеот-ЕР., над«.:юсти юночной п;'Л'.:г.:~р:юй сголяцк.1 и олек".^отгшх избран. У соотгегствли постарения. иельу основ: ¡ли.; задачами работы являвшая:

- экспериментальное и теоретическое печенке процессов накопле пня и релаксации гоыозаряда в полимерных пленках в связи с разработ кой пленочных полимерных электретов;

- теоретическое и экспериментальное изучение абсорбционных явл Ш1й в диэлектриках в связи с необходимостью оценки абсорбционных ха рангеристик • коцценсагороа и электрической изоляции;

- экспериментальное изучение и теоретический анализ нестацпона них нелинейных э^ектов электропереноса в полимерных пленках при по вшешых температурах для оценки подвижности носителей , перенос мого заряда 0. , распределения поля £ в случае прпэлектродноИ поляри эации;

- экспериментальное изучение процессов электрического старения механического разруиения полимерных пленок под действием поля объем ного заряда, накопленного в приповерхностных слоях пленки; изучение электрического старения при отсутствии или подавлении частичных раз рядов; изучение процессов накопления и релаксации заряда, а тщке электрического старения полимерных пленок, подвергнутых действию но зирушего излучения; разработка метода обнаружения дифьктних мест I фторсодеркшаих пленках по потенциальному рельефу;

- совокупность результатов выполненных исследований является с шественным развитием нового научного направления в области техничес кой электрофизики диэлектриков - "экспериментальное изучение и мате матическое моделирование электрофизических процессов ь полимерных пленках в условиях накопления и релаксации заряда".

Научная новизна работы сводится к следующему:

- впервые систематически изучен весь комплекс явлений, связанных с процессами накопления и релаксации гомозаряда в полимерных и; ках при их зарядке в электрическом поле, в коронном разряде, а тык и вакууме электронным пучком;

- разработана физико-математическая модель накопления и релакс ции гоыозаряда, учитывавшая различие проводимости приповерхностных слоев и объема пленки; эта иодель позволила удовлетворительно объяс нить всю совокупность данных о накоплении и релаксации гомозаряда ] полимерных пленках;

- разработана последовательная теория абсорбционных явлений в диэлектриках на базе различных модельных представлений, учитывающие как характеристики самого диэлектрика, так и свойства контактов ди< электрика с электродами - от идеально блокирующих до идеально инке!

ругал их;

- выведены аналитические рирачения токов зарядки и разрядки, на-яжения саморазряда и восстановленного напряжения, частотных зависимей комплексной проводимости как на основе предположения о прост-нствонно неоднородном диэлектрике (соответствугаем эквивалентной оме (лакезелла), так и на основе предположения о наличии набора сос-вляетих релаксационной поляризации (соответстмушего эквивалентной эме <Лн'гта); определены условия идентичности этюс моделей и эквн-тенигых схем;

- предложены рациональные методы анализа и расчета абсорбционных ?актеристик на основе выведенных в работе аналитических выражений;

запо, что экспериментальные данные для полимерных пленок и пло-конденсаторов соответствуют этим аналитическим выражениям;

- проведено систематическое экспериментальное и теоретическое ,'чение нЕлннейн!.гх: нестационарных явлений электрснереноса, связанных ip¡¡электродной поляризацией и проявляющихся в полимерных пленках

i покясшопс температурах а виде максимумов на кривых динамических ¡ьтамперных характеристик и реверсионшх токов; на основании резуль-•ов теоретического анализа предложены способы оценки параметров игтроперсноса (подвижности , количества переносного заряда Q. , меня релаксации ~ ) и новые методы обработки экспериментальных i;i:jx, оспозаннмз на предположение об участии в приэлектродной полл-ацин носителей заряда двух знаков с частичной нейтрализацией гете-цргда в ппиэлоктродных слоях;

- злерг.ые установлены закономерности электрического старения по-ерных диэлектриков а условиях практически полного исключен!« чае-

Iп.г>: разрядов; в условиях воздействия электрического поля поверх-тнзго заряда; в условиях одновременного действия электрического я п мехэнг.чг-ской нагрузки, электрического поля и ионизирующего пз-

¡:,лкт-псска>1 ценность получению! результатов заключается в том, см;; позголплп:

- cpi= пить характеристики электретов :;з полимерных пленок при :;;■-■!,':;: егме ¡писссж'Я ?«рпда и на основе этого научно обоспо-■> ti ''.¡юл >п:о :'!!'ОТ:и;ло!м1: элсктре-таяс кембр-ш в коренном разряде

т ■■: ::'*•; г!:—с с Koiiwc'imB протлюАнгтыг (пленка 1-КБ-?) с

•„•.-»r-.-iH.-c! г чгстио о!:^:;: ссс-гон;роля стабильности электретаэ

;• : ; rv.-C'.-;;' у: '.:'Л <:.\ ДМ!лпг.очп".'.;:;

- разработать технологию зарядки за счет частичных разрядов злектретных элементов кабельного сейсыодатчика, предназначенного дл) морских геологоразведочных работ; разработать методику контроля пар. метров сейсмодатчика в процесса его производства и создать соответс вушую контрольно-измерительную аппаратуру;

-.разработать комплексную методику экспериментального исследов; нин и теоретического анализа абсорбционных характеристик полимерных пленок к кощексаг^.ов, с учетом которой были даны рекомендации но составлению ГОСТ № 21.315.11-87 на измерение коэффициента абсорбции пленочных полимерных конденсаторов;

- предложить ряд способов оценки параметров электропереноса на основе анализа экспериментальных кривых с использованием развитие в работе теоретических представлений, а именно: определения удельной проводимости объема и приповерхностных слоев по вр&менной зашсииос ли элехтретноИ разности потенциалов и по кривым тока ТСД; оценки по вшностк носителей и количества подвижного заряда по кривым реверси онноро тока и динамическим вольтаыпершдм характеристикам;

; - разработать методику оценки дефектности полимерных пленок по потенциальному рельефу, позволяющую определять их качество неразруш та способом;

- усовершенствовать технологию изготовления полиэтилентерефта-латных Фольгоеых конденсаторов, что позволило повысить их еико.сть е результате злектротерыообработки до £0 55;

- предложить методику прогнозирования срока слукбы пленочной с лимерной изоляции при комплексном воздействии различных факторов (электрическое поле и механическая нагрузка, злектрическое поле и с

..лучение, электрическое поле объемного заряда);

- определить режимы радиационно-териической обработки полимер-мыс пленок, позволяющие существенно увеличить кратковременную, элек: 'рическую прочность и срок службы пленок ПЭТ2, повысить стабильнос-п електретного состояния в пленках £44!Б-2;

- предложить методику сравнительной оценки стойкости к электр; ческому старению полиэтиленовой изоляции при исключении частичных разрядов.

:. Перечисленные результаты выполненных исследований внедрены на ряде предприятий министерств электронной, радиотехнической и элекг технической промышленности СССР, а таюке на предприятиях фирмы Гер, г.Герлиц (Германия), на кабельном заводе г.Еуд?пеаха (Венгрия).

Результаты выполненных в работе экспериментальных и 'георетичес-¡x исследований используются в учебном процессе в соответствии с íe6nu4¡t планами по специальности 1803 - электроизоляционная и кабель-ifl техника: в курсах "(¿лзические основы материаловедения", '"Гокко-¡оРнал изоляция", "Современные методы испытаний диэлектриков", при ?полнении студентами дипломных, курсовик и лабораторных работ, рго-íthldc заданий. 'Эти результаты нашли отражение в написанных а соавторов учебных пособиях и 3 монографиях.

Апробация работы. Осносные результаты работы докладывались и сб-:кдались на 30 международных, всесоюзных и республиканских кок$йрен-ях, совещаниях, семинарах, проводившихся в СССР и за рубеаом в ;;э-од с TJ73 по 1991 года.

Публикации по работе. Результаты диссертации опубликованы в 104 vaThbK работах, включая 3, монографии (и соавторстве), 8 учебных, побил, о авторских свидетельств об изобретениях.

Структура и объем pafiovu. Диссертация coutohv из введения, чзтв-х глав, заключения и спи'.ла цитируемой литература, вклкчасаего 4С0, именований работ. Объем диссертации составляет 600 страниц машино-зного текста, 203 рисунка и 31 таблицу.

Объектами исслодопаии,; служили образцы, полимерных пленок промыл-шого изготовления: П0лиэт1.лен'терефгалат& (ПДТЧ>), поликарбоната, i), полиниида (Я!), полиг. опилена (ПШ, политетрафторэтилена (ГШЗ), ¡олпмера тетрауторэтилень с »•ексафторпропилеиом (£44Ж-2), яс-ливк-1щен-$торида (ПУД-'О , con симор.- тетра-£торэтилена с перфгоревнилошы ¡ром суль/.онилфтор.'ца СС40П"», а таю.те образцы многослойных структур основе этих пленок. Толшк"а пленок варьировалась в пределах от 3 50 мкм.

содешниз рлеош

Во пводешш обсуждается актуальность выбранной темы, оюеделяотпел ь и работы, формулируется научная новизна, практическая чккость г.олученннх результатов, приводятся сведения об апробаци:, оты.

Первая глава содомит ¿зультаты' экспериментального исоледов V-н теоретического аналпза закономерностей накопления и релаксации тзаряд» г- полимерных пленах, обуслатших'аетего электретнк-1 о$фзх?»

ирехде." псего были прг . на'шз кропаны электростатические харэкте-

ристики электретов при различных предположениях о распределении заря да и поляризации по толшине диэлектрика. Вместо упрошенных представлений об эффективном поверхностном заряде было введено, наряду с сум ыарным зарядом с^, , понятие электретной разности потенциалов 1/, . Установлена взаимосвязь между этими характеристиками, с одной стороны, распредегениеы объемного заряда ^(х), поверхностной плотностью заряд . <Зг и распределением остаточной поляризации 0х) » с друг°й сто роны:

К ^ Г 1

о 0 0

Получены выражения для расчета и по значениям компенсируй ией разности потенциалов V, и , определяемым экспериментально методом компенсации с вибрирующим электродом с двух сторон диэлектрика:

V =- 1 Я = —:- ' ^

где ^ - диэлектрическая проницаемость образца диэлектрика толшиной ■к , 6$ *- диэлектрическая проницаемость зазора у неподвижного электр да толщиной б .

Впервые была изучена и сопоставлена кинетика накопления гоиоза-ряда при зарядке полимерных пленок тремя методами:

- электронный пучком с измерением И"э непосредственно в вакууме в процессе зарядки пленки;

- коронным разрядом с использованием регулирующей сетки в возду хе, а также в азоте и в водороде как при нормальном, так и при пониженном давлении; .

- в постоянной электрическом поле при плотном контакте диэлектрика с электродами в интервале температур от 20 °С до 100 °С (плотный контакт обеспечивался прижатием к пленке под давлением р = 1,5-•10° Па

электродов из свинцовой фольги).

Установлено, что при зарядке пленок всеми тремя способами элект ретная разность потенциалов экспоненциально стремится к стационарному значению .

= (з)

Величина 1Г,'Т определяется в первой приближении при зарядке электрон-6

лм :1учком - энергией электронов, в короне - потенциалом сетки, в шктрическом поле - напряжением на электродах. Постоянная времени ¡ратно пропорциональна плотности тока электронного пучка или короны, при зарядке э электрическом поле соответствует максвелловому време-[ релаксации Ту'Е.Е/^ , где - проводимость приповерхностных слоев гешш суммарной толшиной "К,.

Установлено, что у заряженных такими способами полимерных пле-к - электретов с гомозарядом - остаточная поляризация Р^ и суммар-й заряд близки к нулю. Поэтому свойства электрета можно характе-зовать распределением объемного заряда р(х) . В таком случае сум-рное значение средней глубины проникновения заряда в пленку к{ , е. центроид заряда сс , определяются по формуле

<4) 1

з значения 1/, и суммарного заряда 0 , переносимого во внешней це-и определяемого по плошади под кривой тока ТСД при плотном контак-электродои с диэлектриком, связаны с эффективной плотностью заря-

Й : ^ Чг

«■— ! .«■ /Г1" „>

« О

Установлено, что при зарядке в коронном разряде или в электриком поле величина Ц составляет, в зависимости от природы полкме-

толшины пленки и температуры, от 0,1 до 2,5 мкм, а при зарядке ктронным пучком зависит от энергии электронов. Эти результаты со-этствуюг данным других авторов по оценке распределения заряда в нмергадс пленках с использованием разъемного цилиццра Фарздея, ска-ушего электронного зонда, акустического импульса.

Было установлено, что распределение заряда по толщине многослой-образцов, спрессованных из тонких пленок полипропилена толшиной ш, заряженных любил из перечисленных вале способов, соответству-зредполояении о том, что з процессе зарядки многослойного диэлект-I происходит переход носителей заряда через границы раздела в пре-IX тонких приповерхностных слоев пленок.

Проникновение носителей заряда в пленку и та локализация на глу-от поверхностей пленки могут быть объяснены на основе пред-

ставлений о повшенной проводимости приповерхностных слоев пленки ^ по сравнении с проводимостью объема .

Кинетика релаксации заряда была изучена как при плотном, так и неплотном контакте заряженной пленки с электродами. В изотермических условиях опыта изучались зависимости изСь), а при линейном возрастани температуры со временем регистрировались спектры тока и напряжения термостиыулиро ванкой деполяризации.

Обнаружен вфф^'.т резкого возрастания скорости релаксации заряда с изменением направления тока разрядки при замене неплотного контакта электродов с диэлектриком плотным контактом. Направленно тока раз рядки при плотной контакте соответствует движению носителей заряда через приповерхностные слои пленки суммарной толщиной ^ , а малое время релаксации свидетельствует о повышенной проводимости р приповерхностных слоев. Направление тока разрядки при неплотном контакте, как и следовало ожидать, соответствует движению носителей заряда через внутренний слой пленки толщиной Ь,■ а большое время релак сации свидетельствует о невысокой проводимости ^ внутреннего слоя 'пленки. Следовательно,

В соответствии с этими данными, кинетика накопления и релаксаф гомозаряда в полимерных пленках была проанализирована на оснозе прос той кодели трехслойного, дпухкомпонентного диэлектрика с повышенной проводимостью ггриповерхностных слоев. Для такой модели задача .сводит '.ся к решению системы уравнений:

, (6)

;где , Ег - напряженности 'поля в слоях 4г , Ц ; , - диэлектриче ские проницаемости слоев; е - плотность поверхностного заряда на . границе раздела слоев. На основе решения этой системы получены выражения, характеризующие процессы накопления и релаксации заряда в полимерных пленках. Выражение плотности тока термостимулированной деполяризации имеет следуший вид:

V ¿(0) Г [¿1:1 г Гс1т

о о

е <¿(0) - начальная плотность заряда на границе раздела слоев. Врана релаксации , Т2 определяются следувдими выражениями:

V

. т = iiiiAlbM гл. ' 2" fA .

(8)

1 плотном контакте электродов с диэлектриком т^ «Т2 и тогда из (7) здует:

¿Л. tiM

е<р

1 ¿t '

V .

(9)

При неплотном контакте электродов с диэлектриком из (7) получаем:

t

. (Î) £< Ц

^тсд

<â(b)

ехр

■.fiL

J Г,

(•10)

î !in, , S г? , jVj^ii -тонина, диэлектрическая проницаемость и про-;имость изолируюшеп прокладки.

гамэаью выражений (9,10) по экспериментальным кривым тока ТСД онре-ялнсь температурные зависимости времен релаксации

4

'аГГ^'

j т { ТС V

\ ^ "Т

(II)

атем рассчитывались темпе'чтурные зависимости проводи.юотей:

\ V е k„„ /

(12)

аноьлено, что значения fi , при комнатной и несколько более вы-ri» температуре различаете) яа насколько порядков. С повышением тем-чтуры это различие умзньзастоя. .

Били проведен непосредственные измерения проводимости приповерх-гчнх слоен р и проводимости объема f, пленок ПЭ'К1, ПК, Ш. йспиль-;лкеь образцы в виде плана).нк;: тестовых структур со встр.лг?но-птыре-конструкцией этектподгв напыленных на одну поверхность елевяи, 1л01зннч с ¡га ем >!'.-?г.ллкэацич на другой поверхности пленки. 1рчменя-j такг:-;е обр-юны о паклпдк: "ч электродами. В зависимости О'; зпособа опченнч •»леятродоп к ' то лшку напртесзнют измерялись токи я при—

поверхностных слоях и через объем пленки, затем рассчитывались значе ния ^ > fJ • Установлено, что при таких непосредственных измерениях

на 3-4 порядка превышают ^z , что согласуется с данными анализа спектров тока ТСД.

Были проведены измерения частотной зависимости емкости С, и con ротивления Rx образцов пленки ПЭТЙ в интервале частот от 10"^ до Ю3 Гц. Обнаружена область дисперсии С, , R* , что свидетельствует о неоднородности диэл-.ктрика по величине удельной проводимости. Анализ этих результатов на основе модели двухкомпонентного диэлектрика позволил определить значения ^ , » Ц » которые согласуются с данны ыи, полученными непосредственным измерением Is, , f21 и с результатами расчета ^ , из спектров тока ТСД.

Таким образом, рядом методов установлено, что проводимость приповерхностных слоев полимерных пленок много больше проводимости объема . Особые свойства приповерхностны;« слоев полимерных пленок отмечаются в ряде работ других авторов, однако, различие удельной проводимости приповерхностных слоев и объема зарегистрировано нами впервые.

С целью более полного и объективного анализа установленных экспериментально закономерностей накопления и релаксации гоыозаряда в полимерных пленках были детально рассмотрены также физические модели электретного состояния, не связанные с представлением о повышенной проводимости приповерхностных слоев полимерной пленки.

Показано, что предположение о независимости удельной проводимое ти пленок от координаты coast fe)) не позволяет объяснить законо-иерности накопления и релаксации гоыозаряда. При условии coast(х) заряд не должен накапливаться в пленке под действием электрического поля, а релаксация имеющегося в пленке заряда не сопровождается током разрядки во внешней цепи. Очевидно, эти теоретические заключения полностью противоречат экспериментальны.! данным, поэтому условие <jp=coa&t(x)He соответствует действительности.

В работе тщательно проанализированы гипотезы, согласно которым процесс накопления и релаксации заряда в диэлектрике обусловлен ин-жекцией носителей из электродов и их закреплением на ловушках при за рядке, освобождением носителей с ловушек и их выведем на электроды при разрядке (в этих случаях полагается, что собственная проводимость . диэлектрика -ps 0 ). На основании анализа стационарного распределения эаряда и напряженности поля в диэлектрике при монополярной итаекции

широком интервале изменения контактных условий (от идеально инжек-'фушего до нейтрального контакта) показано, что шкекцион"ая гипоте-а злектретного эффекта не позволяет объяснить ряд экспериментальных 1нных. Расчетные значения центроида заряда х=й/3 не согласуются с змеренными хг

з согласуется с экспериментальными данными и кинетика изменения эи зарядке в электрическом поле: расчетное значение "U" уменьшается г iV-ТГрДо "^э = 0,25Up в процессе зарядки, тогда как на опыте наб-здается рост 1ГЭ от 0 до!Гэс1я \Гр.

В работе выполнен теоретический анализ кинетики зарядки и раздай диэлектрика за счет инфекции при эффективной подвижности носи-;лей ft , контролируемой процессом захвата носителей на ловушки и ¡вобоядения с ловушек. Этот расчет показал, что процесс релаксации квитированного в диэлектрик заряда при короткозамкнутых электродах цоке практически нз должен сопровождаться током разрядки во внешней ши, что полностью противоречит экспериментальным данным.

Частично удается согл'-^овать расчетные характеристики накопления релаксации заряда с экспериментальными дашшми только для более :ожных моделей, учитывавших движение инжектированных носителей з ус-биях многократного перез^ХЕата при до пушении J*= О . Одна из этих делей предполагает повьшет.уга подвижность инжектированных носителей приповерхностных слоях м, по сравнению с подвижностью в объеме |Ч2 . а модель, однако, не объясняет наблюдаемого на опыте соответствия жду удельной проводимое? о пле: ок и спектрами тока ТСД, стабильно -ью электретной разности по •■"гнциалов.

Наконец, нами впервые С'ла теоретически решена задача о релакса-и заряда для модели двух облаков захваченных на мелкие ловушки мотелей двух знаков с эффеьтивными подвккностями ^ , . Получены ражения и графики зависимостей тока разрядки и электретной разности тенциалов от времени для рг »личных сочетаний между , и раз-чных вариантов располоненчя облаков заряда в диэлектрике. 'гстанов-но, в частности, что направление тока разрядки при V = 0 зависит расположения облаков засчда относительно электродов и может соо;.-гствоЕать цибо движении носителей через среднюю часть образца, либо сел приповерхностные слей Однако, в отличие от экспериментальна ii'vx, расчетное время релаксации в обоих случаях было одинаково.

Таким образом, как результаты экспериментальных исследы ний за-юмерностей накопления и ретаксации гомозаряда и непосредственных

измерений проводимости приповерхностных слоев и объема пленки, так : результаты теоретического анализа, основинного на рассмотрении разл: ных моделей, убеждают нас в том, что модель диэлектрика с повышенны! значением удельной проводимости приповерхностных слоев наиболее аде; ватно соответствует экспериментальным данный.

Вторая глава диссертации посвяшена разработке теории абсорбцио; ных явлений в диэлектриках, конденсаторах, электрической изоляции и экспериментальному изучению этих явлений в полимерных пленках и пле ночных конденсаторах. Абсорбционные явления характеризуются времени; ми зависимостями токов зарядки и разрядки 1(*),1ра, ("О , напряжения саморазряда и восстановленного напряжения 1ГС(10,1Г6(1;) , абсорбционно емкость» и коэффициентом абсорбции ьСа ,<й= й СА / С , частотной завис «остью комплексной проводимости на низких частотах. Эти явлени. непосредственно связаны с процессами накопления и релаксации дополн тельного заряда как на электродах образца, так и в самом диэлектрик

3 работе проанализированы вклады в абсорбционные явления, обус ловленше как природой контакта диэлектрика с электродами - от идеа но инжектирующего до идеально блокирующего, так и свойствами самого диэлектрика - его пространственной или структурной неоднородностью.

Прежде всего был проведен полный теоретический анализ законоые ностей абсорбционных явлений .в диэлектриках для случая нейтрального контакта на базе двух обычно рассматриваемых моделей неоднородного диэлектрика. Одна из этих моделей учитывает пространственную каодно родшеть диэлектрика, моделируемую многослойной структурой или соот ветствуюшей ей эквивалентной схемой Максвелла. Другая модель учитыв ет структурную неоднородность диэлектрика, моделируемую набором рел сационных составляющих поляризации или, соответственно, эквивалент» схемой Фойгта. Выли впервые 'получены полные аналитические выражени абсорбционных характеристик для обеих моделей (схем) при любом коли чбетпе элементов и показана идентичность характеристик схем Мексвел ла и Фойгта при определенных соотношениях мезду их параметрами:

*

\ГС(*)_Л лсп-ъ) Г«! / м

к?»

1 .П 0 + ытО Г Ч

п (т^) 1=1 Кг

е - сквозной ток; , С;, - параметры эквивалентной схемы ксвелла; , с^ - параметры эквивалентной схемы Фойгта; <ТГ.(,= Й'С^ , = времена релаксации для характеристик го напряжению и по току, ответственно.

На основе этих формул была предложена оригинальная методика об-5отки экспериментальных данных для объективной оценки параметров эм Максвелла и Фойгта ил.; соответствующих этим схемам параметров зических моделей.

Дальнейшее развитие теории абсорбционных явлений в диэлектриках ю связано, прежде всего, с зыводом аналитических формул для экви-тентшх схем Максвелла г. Еойгт, с учетом сопротинления подеодяших >водов или электродов. По.глачо, что в этом случае изменяются врэ-ш релаксации и предэкспс "енциальные множители в выражениях (13) -I характеристик по току.

Впервые проанализирована обобщенная модель Ыаксвелла-Фойгта, 1тветстпукшая модели многослойного диэлектрика, где ка-кдый из слоев гадает релаксационной поляр.зацией с распределением по времени ре-:сацип. Установлено, что талая обобщенная модель может быт", сведена своим характеристикам к простой модели Максвелла или Фойгта.

Проведен анализ абсорбционных характеристик слоистой структург, тояшеЛ из чередукшихся слоев - непроводящих и проводящих, ьо с ог-иченной концентрацией го ¡телей заряда. 3 отличие от прос/ых и бииированных схем Максяелла-Фойгта, обладавших линейными.хатакте-тиками, данная модель уж( лчеет нелинейные свойства. Вывь,, ны фор-н, харакгеризуклие зави'я.псть эффективной диэлектрической'прони-

(15)

• (16)

цаемости для этой модели на переменном токе от величины постоянного напряжения, смешашего часть подвижных носителей заряда в пределах проводящих слоев.

Проанализированы для стационарного случая абсорбционные характеристики диэлектрика с учетом монотонной зависимости удельной проводимости от координаты. Показано, что в случае, когда зависимость (х) не меняется со временем, данная модель соответствует по своим характеристикам эквивалентной схеме Максвелла с бесконечным числом слоев. Если «е носители, образующие объемный заряд, вносят свой вклад в про цесс проводимости, го тогда, согласно расчету, абсорбционные харакге ристики нелинейны и отличаются от тех, которые предсказываются эквивалентными схемами Максвелла, Фойгта.

Выведены расчетные формулы для тока разрядки и изменения элект-ретной разности потенциалов со временем для случая, когда исходный заряд в диэлектрике сосредоточен в пределах облака, прилегающего к одному из электродов и характеризуемого независимостью плотности под вижного заряда от координаты в пределах облака. Рассмотрены случаи быстрого и медленного перезахвата носителей заряда, отсутствия или наличия фиксированного заряда, блокирующих или нейтральных электродо Разработана эффективная методика расчета токов зарядки, напряжения саморазряда в изотермическом и неизотермическом режиме, проверены и уточнены имевшиеся для некоторых частных случаев формулы других авто ров.

Рассмотрена модель, учитывающая также генерацию-рекомбинацию но сителей заряда, и показано, что в этом случае постоянная времени релаксации заряда возрастает по сравнению с максвелловым временем релаксации.

Проанализировано распределение заряда, электрического поля в ди электрике в стационарном случае в зависимости от природы контакта ди электрика с электродами - от идеально инжектирующего до идеально бло кирушего. Показано, как меняются эти характеристики з случае инжектирующего контакта от ограничения тока инжекции на контакте, а в слу чае блокирующего контакта - от величины сквозного тока, определяюшег отклонения свойств контакта от идеально блокирующего.

Во всех перечисленных случаях выполнены оценки абсорбционной еы .кости и коэффициента абсорбции. В частности, для модели двухслойного . . диэлектрика построены номограмма, позволяющие быстро определять вкле абсорбционной емкости в зависимости от параметров слоев диэлектрика.

ритически рассмотрена методика Квиттнера-Верана на основе некоторых ) моделей абсорбционных характеристик в диэлектриках. Показана не-эходимость уточнения представлений о так называемой "высоковольтной >л;<риэации" и "истинной проводимости" диэлектрика.

Перечисленные результаты теоретического анализа абсорбционных злений в диэлектриках, в электрической изоляции на основе различных >делей и предположений могут примениться в практической деятельности, ж инженерных расчетах характеристик абсорбционных явлений в диэлект-жах.

Б работе экспериментально изучена совокупность абсорбционных ха-штеристик полимерных пленок ГОК, ПМ и пленочных ксвденсаторов типа -73-22 (на основе пленки ПЭТФ) и показано, что эти характеристики ¡чественно соответствуют формулам, выведенным для эквивалентных схем 1ксвелла и Зойгта. По параметрам, определенным из разложения кривых "е (*) , то есть по значениям , , были рассчитаны, а затем сопо-'авлены с эксперименгальнши данными и другие абсорбционные характе-¡стики - зависимости!^,СОД^, (Ъ) , • Это сопоставление, показа-

достаточно удовлетворительное соответствие расчетных и зкспери-¡нтальных данных по характеру кривых.

В работе была изучена зависимость коэффициента абсорбции вденсаторов, определяемого по отношению восстановленного к моменту юмени \ напряжения к исходному, от условий измерений(от времени задки , разрядки Ьг и измерения "Ь3 ). На основе полученных резуль-,тов были даны рекомендации для составления ГОСТ № 21.315.11-87 на мерение к.. пленочных конденсаторов.

Как видно из формул (13-16), для полного описания абсорбционных рактеристик достаточно знать набор времен релаксации Т; , ^ и знание , если абсорбционные свойства могут быть описаны на основа делей пространственно или структурно неоднородного диэлектрика, йствктельно, прзд экспоненциальные множители в этих формулах могут ть выражены через набор величин ^ , . Такой набор монет быть пользован для паспортизации диэлектриков по абсорбционным характе-стикам.

Третья глава пэсвялена результатам изучения нелинейных процессов коплепия и релаксации заряда, которые проявляются при повышенных мпоратурах н. как !.'о<но полагать, обусловлены призлектродной шм гшноПной ке».слоовой поляризацией, привэдяшши к образованию гетеро-[йда. Эта процессы обнаруживаются в пленочнкх полимерных диэлектри-

ках ПЭТФ, ПВДФ, АБЦ и др. по максимумам на динамических вольтаыперк характеристиках (V) или реверсиошшх токах 1рг1(+). Обычно перед ре гистрацией или1ре,№ полимерные пленки поляризовались под пос

тоянным .напряжением -1Гр в течение времени^ при температуре . По ле поляризации напряжение на электродах в момент ^ - 0 либо резко менялось от-Ц| до + \Г$ (при измерении 1рев (*) ), либо снималось до н ля, а затем увеличивалось по линейному закону (при измерени

1А.«Лтг)>.

Теоретический анализ кривых ,1АНХ (и) был выполнен прежде

всего для модели диэлектрика с подвижными носителями заряда одного знака с плотностью у(х) как при наличии фиксированного заряда (о разец в целом электронейтрален), так и при его отсутствии. Предпола гался блокирующий характер контакта диэлектрика с электродами для подвижных носителей. Исходная система дифференциальных уравнений с граничными условиями в этом случае имеет следующий вид:

с Зр 0Е . ЭЕ Р +

к ' ■К

» о

где \Г="1/£ или 11=^-^ в зависимости от того, анализируются реверс ошше токи ) или динамические вольтампарные характеристики

( ).

Экспериментальное изучение Х^С*) и ^(»„(Ц") проводилось в рас те в условиях, далеких от квазистационарного режима. Поэтому диффуг онной составлявшей при расчетах этих характеристик можно было пренебречь.

Для случая ^ ^ 0 задача сводится к решению уравнения движенш границы подвижного облака заряда при допущении электронейтральност! Образца в области, занятой подвижным зарядом. Тогда для 1Р€, (+} пол; чаем следующие аналитические выражения:

где введены безразмерные величины:

Расчет 1ЛШ (V) в этом случае проводился с помошью ЭВМ. Расчетные кри-вые1к^),1ЛИХСи") характеризуются наличием максимумов, сравнивая расположение которых с максимумами на экспериментальных криьых, определяем подвижность носителей р и суммарный заряд О, .

Расчет кривых (V)при ^ = 0 проводился на основе решения системы уравнений (17) в бездиффузионном приближении численными методами на ЭШ. Однако для начальной стадии процесса были получены и аналитические выражения плотности тока ^ и напряженности поля Е, у электрода 5=1:

и

(19)

■ь

£

(20)

где Х*=№а.1сЦ(Г21)- время отрыва облака заряда от электрода х =0, а безразмерные величины определяются следующим образом:

Н' ^ ^1

(21)

Максимуму кривой Х^вм00 соответствует приблизительно время касания облаком электрода 5=1, определяемое выражением:

4

-^ЧЬт^И'-яГ^).

Для сравнения с результатами исследования 1АЦХ(1Г) полимерных пленок нами изучены были и динамичесг > вольтамперные характеристики

неорганических пленок в системе № . Применение изложенных тео-

ретических представлений в денном случае позволило получить вполне приемлемые значения р и 0 . Однако в случае полимерных пленок рассчитанная по ялошади под максимумами кривых Iр«в С*ь) и Таш (и") величина 09«сл на 3 порядка и более превышала возможное теоретическое значение О т«ор , которое для данной модели подвижных зарядов одного знака составляет «тгор=<'о'' 1Г/2А (в расчете на единицу плоиади электрода).

Для преодоления несоответствия .между расчетным и экспериментальным значениями (к в работе были рассмотрены и другие модели. Одна из них была основана на предположении о наличии в диэлектрике нелинейной миграционной поляризации, которая может быть обусловлена гетерогенностью структуры пленок при блокируших свойствах межфазных границ (например, границ между аморфной и кристаллической фазами). Анализ кривых 1<1{кхСи')в этом случае был проведен на основе полуэмпирической формулы, характеризующей зависимость нелинейной миграционной поляризации Р„ от времени V и напряженности поля Е :

5нМ»Р;Е|-ехр(-{в)][1-е«р(4)] (И)

при предположении об обратно пропорциональной зависимости Т от Е . Рассчитанные с помошыо (£3) кривые (V) оказались подобными экспериментальным .кривым. Кроме того, теоретическое значение <1те0р в данном случае приближается к экспериментально определенному значению. Параметры Р^ , Ев ,Т=Т0Ев/Е характеризуют нелинейную межслоевую поляризацию.

В качестве другой модели было использовано предположение о наличии подвихшх носителей двух знаков (очевидно, лонной природы) и о возможности частичной нейтрализации приэлектродного заряда за счет инкекции носителей электронного типа из электродов. Если рекомбинация носителей ионного и электронного типа не происходит, то мы имеем дело с типично электретным состоянием, когда в соответствии с феноменологической теорией взаимодействуют гетеро- п гомозаряд.

Для характеристики процесса релаксации заряда в рамках такой модели в работе предложена полузмпирическак формула

ехр

(24)

где время релаксации Т обратно пропорционально напряжению:1^» А/1Г . 18

Установлено, что соотношение (24) согласуется с экспериментальными данными, поскольку зависимости оказываются прямолиней-

ными, в соответствии с (24):

для

гР„Ф- еаеа[ав/ам]=»пе1иг-1п.йиг; ' (25)

для 1ШХ(+)- = (¿5)

Дня пленок ПЭТФ коэффициент т.« 1,5 (в пределах разброса данных) при измерении как (1;) , так и 1ДМХ 1» .

Из (24) нетрудно вывести зависимости 1Ре&(^) ,Хдмх (■Ь') , которые также соответствуют экспериментальным данным:

Таким образом, полуэмпирическая формула (24) удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными.

Непосредственные измерения 1ГЭ компенсационным методом подтвердили преобладание гетерозаряда над гомозарядом ири поляризации пленок напряжением"^ при высоких температурах. Установлено, что зависимость 1ГЭ от Тр , 1Гр при заданном значении характеризуется криви:«! с максимумом в области гетерозаряда, причем величина 1Гг в максимума может в 2-3 раза превышать (по абсолютной величине) поляризушее напряжение 1Гр . Характеристики электретов в таком случае могут анализироваться на основе феноменологической теории, развитой в работах Е.Адамса, У.Свенна, Б.Гросса, А.Н.Губкина.

Однако проверка показала, что в классической феноменологической теории уравнение, характеризующее релаксацию поляризации,'не учитывает влияние электрического поля в электрете Е^ . Б связи с этим нами было предложено более строгое уравнение

а-ь % % %

а котором в явном виде учтено влияние поля Е^ на кинетику релаксации поляризац ш (здесь ^^ Е^ - стационарное значение поляризованное-, тп в поле £(,_)•

С учетом этой поправки зависимость¿^(^»ё^-Рд при разрядка электрета имеет следушнй вид:

где постоянные времени , ^ являются корнями характеристического уравнения

. В этом случае основная часть заряда электрета релаксирует за время тУ^Ти . При толаине воздушного зазора б"-» О коэффициент к-»-1 и тогда из (<9, 30) получается обычное выражение классической феноменологической теории электретов:

Методы динамических вольтамперных характеристик, реверсионных токов, термостимулированной поляризации и деполяризации были применены в работе для изучения характеристик нестационарного электроперсно-са в слоистых конденсаторных полимерных пленках, предназначенных для разработки конденсаторов с повышенной удельной энергоемкостью, повышенной теплостойкостью и надежностью. Эти методы позволили обнаружить проникновение носителей заряда из более проводяаих пленок в менее проводящие, проанализировать природу различных эффектов, происходящих не только на границах раздела диэлектрик-металл, но и на границах раздела полимерных пленок, образуюиих слоистую структуру. Результаты этих исследований важны для разработки новых типов пленочных конденсаторов.

Четвертая глава посвяшена развитию научно-технических основ применения полимерных пленок в электроизоляционных конструкциях и в виде электретных мембран электроакустических устройств с учетом роли процессов накопления и релаксации заряда.

Изложены результаты исследований, связанных с разработкой технологии получения, с оценкой качества, долговечности электретных мембран. Установлено, что электреты из пленок ¡УЙЭ, ©4-МВ-£ с низкой

при

(30)

удельной проводимостью наиболее стабильны. Разработана методика получения электретов как электронным облучением, так и в коронном разряде с заданным значением злектретнсй разности потенциалов и с равномерна,", распределением заряда по поверхности диэлектрика. Рекомендовано для изготовления электрэтных мембран использовать зарядку в коронном разряде, поскольку отот метод достаточно прост, производителен, а стабильность электретов почти не зависит от способа зарядки (электронным пучком невысоких энергии, в коронном разряде, в электрическом поле). Этот метод до сих пор является основным в промышленности. Для производства электретных мембран была рекомендована пленка Ф4-1.Б-2, обеспечивавшая лучшие акустические характеристики мембран по сравнению с пленкой ГГМЭ. Даны также рекомендации по выбору материала металлического покрытия и по обеспечению необходимой однородности потенциального рельефа с целью повшення стабильности заряда электрета.

Совместно с НИИ 1.!оргеофизики ПО Союзморгео разработан метод и режим поляризации импульсным или линейно нарастающим напряжением электретных элементов в самой .конструкции кабельного сейсмодатчика. Предложено производить зарядку электретов со слоистой структурой за счет частичных разрядов в газовых прослойках. Показано, что чувствительность сейсмодатчика однозначно определяется величиной заряда частичных разрядов. Разработана методика термостабилизации заряда электретных элементов кабельного сейсмодатчика в циклическом режиме. Изготовлены установки для поляризации и измерения характеристик кабельного сейсмодатчика. Совместно с НИИ Ыоргеофизики ПО Союзморгео проведены натурные испытания технических параметров сейсмодатчика в акватории Каспийского моря.

Впервые установлено, что в процессе хранения заряженных пленок (электретных мембран) Ф-4 или (54-123-2, особенно в случае повышенного исходного значения V/ и в условиях повышенной влажности, екход мембран из строя может происходить за счет резкого, скачкообразного уменьшения V, в момент времени тг с одновременным появлением провала на потенциальном рельефе. Показано, что значения времени жизни Т распределены по закону Вейбулла, а зависимость*^ от напряжения V может быть представлена степенным соотношением. Следовательно, под действием электрического поля электрета Е происходит процесс электри-

ческого старения пленки, зевершаотийся образованием локального участка повышенной проводимости. В этом месте происходит утечка части заряда с образованием провала на по*.• циалыюм рельефе при одновреыен-

ном скачкообразном снижении 1Га .

Провалы потенциального рельефа обнаруживаются и у исходных, заряженных в короне полимерных пленок Ф-4 и Ф4-Ш-2. Установлено, что соответствующие-этим провалам дефектные участки обладают, как правило, резко пониженнши значениями электрической прочности Е,, и времени жизни по сравнению с бездефектными. Часть дефектов, как показано методом КС-спектроскопии, обусловлена вкраплениями остатков эмульгатора, другая часть дефектов связана с наличием невидимых под микроскопом сквозных отверстий. Для нахождения дефектных мест по провалам в потенциальном рельефе с целью контроля качества электретных мембран и конденсатор;шх полимерных пленок создана установка с вибрирующим зовдом малого диаметра (0,5 мм), сканирующим вдоль поверхности пленки, при автоматической записи потенциального рельефа.

Установлено, что механическая долговечность полимерных пленок ПЧФЭ и Ф4-МБ-2 снижается в 4-5 раз при наличии электрического поля Е = 2*10^ В/м, создаваемого или гомозарлдом, или постоянным напряжением , приложенным к притерты:.! к поверхности пленки фольговым электродам. Зависимость долговечности от температуры Т и механического напряжения <5„ и при наличии электрического поля подчиняется формуле С.Н.Журкова

где "W - энергия активации, - структурный коэффициент. Параметры формулы C.HJtiypKOBa зависят от напряженности электрического поля. Этот результат подтверждает электротермофлактуационную гипотезу о природе электрического старения полимерных пленок в условиях отсутствия частичных разрядов.

Впервые изучены зависимости времени жизни V от напряжения V при электрическом старении кабельной полиэтиленовой изоляции в условиях практически полного исключения частичных разрядов, которое достигалось путем нанесения полупроводяших слоев у краев электродов и проведения испытаний в водной среде (разряды не обнаруживались индикатором М1ГТ-8 с чувствительностью 10 Кл). Установлено, что в таких условиях зависимости [^.(U/IT„,)] изобретаются почти совпадающими прямыми линиями при постоянном, переменном, импульсном апериодическом и импульсном колебательном напряжении. Этот факт подтверждает, что в данном случае электрическое старение действительно не спя-

(32)

зато с частичными разрядами. Оно может быть обусловлено влиянием объемного заряда (его наличие обнаружено в пленке измерениями тока ТСД) или же воздействием электромеханических напряжений в сильных электрических полях.

Был выполнен качественный анализ влияния гомозаряда на величину пробивного напряжения. Показано, что установленное в данной работе, а также в работах других авторов приближенное соотношение между пробивным напряжением на переменном и постоянном токе можно объяснить усилением электрического поля в приповерхностном слое при перемене полярности напряжения-за счет влияния гомозаряда (напряженность поля в этом слое может при перемене полярности почти вдвое превышать среднее значение ЕСр=-1Г/Ъ ).

Итак, образование гомозаряда в сильных электрических полях может влиять на развитие процессов пробоя и старения полимерной изоляции.

Изучены изменения удельной проводимости ^ и стабильности элект-ретной разности потенциалов 1ГЭ в результате предварительного облучения (до нанесения заряда) электронами с энергией 900 кзВ или ^ -квантами с энергией 1,4 ЫэЗ полимерных пленок ПЭТЙ, ПК, Ш, Ф4-МБ-2. Остановлено, что по мере возрастания дозы предварительного облучения эт 0 до 1,0 кГр происходит повышение удельной проводимости ^ , сни-кается стабильность 1ГЭ , изменяется вид зависимости .

Дальнейшее увеличение дозы до 100 кГр не приводит к дошлнительнкм изменениям этих характеристик.

Однако наблюдаемые изменения зависимостей , 1Г3»|("9

,1-спектров тока ТСД полимерных пленок являются обратимыми. При увеличении времени и температуры выдержки пленок после облучения их до за-зядки происходит постепенное восстановление сЕормы кривых ^^"{(^Л)» спектров тока ТСД.

Сопоставление экспериментальных зависимостей (^/Т), "Ц'э'К'Ь)

! спектров тока ТСД с результатами расчета на основе модели двух.сом-тонентного диэлектрика свидетельствует о том, что изменения спектров гока ТСД и уменьшение времени релаксации !ГЭ в облученных пленках )бусловлено увеличением их проводимости.

Проводимая при определенных условиях радиационно-термическая обработка пленок может существенно повысить стабильность злектретньгх (ембран. Если зарядка производится после облучения пленок <24403-2 до-юй 25-50 кГр и последующего прогрева при 200 °С в течение 3 часов, га время стабилизации электретной "£ дзности потенциалов сокращается

/

на 4С-60 суток, стабильное значение 1Г» возрастает в 1,3-1,4 раза' по сравнению с исходным значением. Соответственно, и максимумы тока ТСД обработанных таким образом пленок смешаются в область несколько более высоких температур по сравнению с максимумом тока ТСД исходных пленок.

В работе впервые изучены закономерности электрического старения пленок ПЭТФ как после предварительного облучения, так и при одновременном действии на'них электрического поля и радиации; как в переменном поле частотой 50 Гц, так и в постоянном поле; как в среде воздуха, так и в среде диэлектрической жидкости, где ч.р. не обнаруживались до 210 кВ/мм в переменном и до 400 кВ/мм в постоянном поле. Облучение проводилось либо пучком электронов с энергией 900 кэВ, либо ^ - лучами от источника Со .

Распределение срока службы V во всех случаях можно охарактеризовать логарифмически-нормальным законом, а зависимость изображается ломаной линией в случае переменного поля и прямой - в постоянном поле. В соответствии с этим справедливы эмпирические соотношения для переменного и постоянного поля

СаВ^'"4 ; 1Г= В-Е'"1 . (33)

Значения времени жизни V у облученной пленки в 1,5-3 раза ниже, Ч'-м у необлученной, как в постоянном, так и в переменном поле при Е<Е*; как при старении в воздухе, так и в диэлектрической жидкости. Это различие может достигать двух порядков при старении в белее слабом постоянном поле, в диэлектрической жидкости. Существенно отметить, что срок службы предварительно облученных пленок, при старении в диэлектрической жццкости практически совпадает со сроком службы пленок, облучение которых ^ -квантами производилось непосредственно в ходе старения.

Наконец, было установлено, что при радиациошго-терыической обработке (облучение пленок ПЭТ1» электронами с энергией 900 кэВ до погло -шенной дозы 10 кГр и прогрев при Т = 120 °С в течение I часа) увеличивается кратковременная электрическая прочность, а также возрастает срок службы (на 1-2 порядка в случае переменного пол* и в 6-Ю раз в случае постоянного поля). Таким образом, прогрев нэ только устраняет негативные явления, вызванные действием облучения, но более того, комбинация этих воздействий может привести к существенному улучиениз характеристик пленок 11Ж'.

С учетом проведенных; исследований в четвертой главе выполнен

бобшенкь'й анализ закономерностей электрического старения полимерных лектроизоляционных пленок - сопоставлены полученные нами зависимос-и времени кизни от напряженности поля на переменном и постоянном апрнженин с данными других авторов. Этот аналнз дает основу для ценки допустимых значений напряженности поля в различных условиях ксплуатации.

ЗАКЛШЫШ И Ш60ДН ПО РЕЗУЛЬТАТАМ НАУЧгЫХ ИСШ^ДОВАНИй

В работе выполнены систематические экспериментальные исследовали и проведен зсесторонний теоретический анализ процессов накопла-ия и релаксации заряда в пленочных полимерных диэлектриках. Изучены лектрические характеристики пленок, связанные с этими процессами и г ракше существенную роль при использовании полимерных пленок в ка-естье электретных мембран, коеденсатор!шх диэлектриков, злектричес-ой изоляции. Результаты этих исследований позволяют сделать следую-ие шводы и заключения:.

I. Показано, что закономерности накопления и релаксации гомоза-яда в полимерных пленках определяются в первую очередь величиной дельной проводимости пленки £ , которая в приповерхностных слоях

) оказывается сушественно выше, чем в объеме пленки ( ^ ). Та-ой вывод подтверждается результатами изучения кинетики зарядки пле-ок в коронном разряде, в электрическом поле, изучением кинетики ре-аксацпи заряда при плотном, неплотном контакте пленки с электродами, акой вывод подтверждается и количественными расчетами, выполненными, а основе модели двухсло'йлого диэлектрика, а та;охе контрольной опы-аыи по непосредственному измерению значений f^ и .

'¿. Существенно развиты и уточнены теоретические- представления накоплении и релаксации .заряда, о процессах нестационарного элект-опереноса в диэлектриках.

Проанализирован процесс релаксации облака внедренных в диэлект-ик извне носителей заряда с эффективной подвкяностью р .для ¡¡деаль-ого диэлектрика (^ =» 0) в дрейфовом приближении - 'выведены выражэ-ия для завис!г.юстей 1Ра»С-Ь) , V, ("к) при Т= согг»Ф,(+) * а такае X (Т) ¿ ГТСД(Г) при Т-Т. + рт1? .

Впервые решена задача о релаксации двух облаков носителей загя-а разных знаков с разными значениями эффективной подвижности . , (такле для случая ~ 0).

Проанализировано распределение заряда, рассчитаны и сопоставлены токи зарядки и разрядки для модели ыоно полярной инкекции избыточных носителей в идеализированный ( £ к 0) однородный диэлектрик.

Проведен анализ процессов накопления и релаксации избыточного заряда на основе модели диэлектрика, характеризуемого разными значениями подвижности избыточных носителей в приповерхностных слоях ( |ц, ) и в объеме ( ^ ).

Выполнен подробный анализ роли собственной проводимости диэлектрика б процессе накопления и релаксации заряда как для однородного по толщине диэлектрика ( соп.«* (х) ), так и для двухслойной, многослойной структуры, наконец, при наличии монотонной зависимости

Проанализированы процессы приэлектродной поляризации, получены новые, ранее неизвестные решения этой задачи. Существенно уточнена феноменологическая теория электретов: решена самосогласованная задача с учетом влияния электрического поля электрета на релаксацию поляризации.

Результаты этого теоретического анализа вносят существенный вклад в развитие технической электрофизики диэлектриков.

3. Экспериментально исследована и теоретически проанализирована вся совокупность абсорбционных характеристик полимерных пленок и. пленочных конденсаторов - зависимости тока зарядки 15аР(» и разрядки Хра] О) , напряжения саморазряда УС(Х) и восстановленного напряжения Проанализировано соответствие между двумя основными физическими моделями абсорбционных явлений или иелду соответствующими ш эквивалентными схемами - Максвелла и Фойгта. Впервые получены компактные выражения для этих моделей и схем, которые позволяют проводить анализ абсорбционных характеристик как на основе представлений о неоднородном по величине проводимости диэлектрике, так и на основе представлений о наличии набора составлю.инк замедленной поляризации- с различными временами релаксации. Проведен теоретический анализ абсорбционных характеристик электрической изоляции для ряда бо-лео сложных моделей и схем.

Показано, что любой диэлектрик или любуп электроизоляционную систему можно характеризовать набором времен релаксации токовых характеристик и характеристик по напряжении : исходя из значений >1ч1 по выведенным в работе формулам можно рассчитать весь набор абсорбционных характеристик, в соответствии с эксперименталысдш

.аншм», включая также и частотную зависимость комплексной про води -юсти У (и)) •

На основе моделей двухслойного и многослойного диэлектриков шпо лион шш.лиз прирзШо нпя емкости конденсатора за счет абсорбционное явлений, исследована кинетика перераспределения зарядов I! напря-енности поля по слоя!., ь процессе зарядки и разрядки под действием [апряженпя на электродах.

4. Установлено наличие максимумов тока на динамических вольт-.мперних характеристиках ( 00 ) и кривых реверсионного тока

^ре» О-) ) предварительно заряженных (поляризованных) в электрическом оле полимерных пленок 11ЭГ4, ГШДч1, ГШБ и др., если поляризация и из-ерение осуществлялись при повышенных температурах Т* , Т„1И>Т*, де Т - температура, иревшшшая максимальную рабочую температуру.

Показано, что наличие этих максимумов обусловлено смешением при-уиих пленке носителей (видимо, ионной природы) из объема к электро-вм, контакт которых с диэлектриком для носителей данного типа явля-тся блокирующим. За счет такого смешения образуется гетероэаряд, ричем зависимости от Тр и 1Гр в области образования гетерозаряда ариктиризуктся кривы:.! 11 с максимумом.

Ьыполнон комплексный теоретический анализ кривых 1АШ(У) и

на основа различных моделей, получены расчетные соотношения лн определенна эффективных подвкжностей носителей и количества ереносимого заряда 5 . Достаточно удовлетворительное соответствие е«ду вывода'.ш теории 1: экспериментальны:.!;! данными получено либо для одели, учитывавшей участие в приэлектродной поляризации носителей ьух знаков с частичной компенсацией гетерозаряда инкектированными осптелями, либо для модели нелинейной мекслоевой поляризации, Ана-¡13 в этих случаях выполнен на основе полуэмпирических выражений, редлоиенных в работе.

5. Установлена корреляция между изменениями спектра тока ТСД, авискмостыо э.чектретной разности потенциалов от времени и эменоннями удельной проводимости ^ и ее температурной зависимостью

результате воздействия ионизирующего облучения (электро-■л с энергией 900 кзВ и -кванты с энергией 1,4 МэВ). Разрядка обученных полимерных пленок происходит с большей скоростью в связи возрастанием ^ в р-. зультате облучения; по мере хранения облучение пленок или в реэу;. .тате их нагрева вместе с восстановлением ис-эдных значений восстанавливаются и исходные спектры тока ТСД,

зависимость 1Г9(+). Найдены режимы радиационно-термической обработки пленок й4-МБ-2, поэволяшиэ существенно уменьшить по сравнению с исходным значение удельной объемной проводимости ^ и в соответствии с этим повысить -стабильность электретного состояния. При этом максимум тока ТСД смещается в область -более высоких температур.

' 6. Выполнена серия оригинальных исследований закономерностей и механизма разрушения под действием различных факторов - поля объемного заряда, электрического поля при подавлении частичных разрядов, электрического поля и механической нагрузки, электрического ноля и радиации.

Установлено, что прл исключении частичных разрядов зависимости С^И^гГДУ практически одинаковы на постоянном, переменном и импульсном напряжении.

Показано, что механическая долговечность Т'ке* уменьшается под действием электрического поля напряженностью Е = 2-В/л; при этом формула С.НЛСуркова остается справедливой, лишь изменяются коэффициенты ^ , V , .

Установлено, что Выход из строя электретов из фторсодержаших планок, о о'у словленный резким снижением V, и появлением провала на по. тенциальноы рельефе в момент времени ^ •, происходит в результате развития процессов электрического старения под действием електреткой разности потенциалов. При этом распределение образцов по подчиняется закону Вейбулла, а зависимость от 1Г, является степенной, как и обычно при электрическом старении.

Установлено, что дефектные участки в исходных пленках М и 44435-2, где обнаруживаются провалы потенциального рельефа, имеют резко пониженную электрическую прочность и срок службы. Это поззоли-ло создать установку для регистрации дефектных мест в пленке нераз-рушаяаим методом - по изучению потенциального рельефа.

Показано, что время жизни при электрическом старении Т уменьшается для облученных пленок или при испытаниях в условиях од."¡овременного действия ионизирующего излучения и электрического поля; при этом сохраняются обычные для электрического старения степенные зависимости от Е , которые можно использовать для прогнозирования срока службы, изоляции, эксплуатируемой в условиях еоздсусчеия радиации.

Результаты ¡экспериментальных и теоретических исследований внед-р?ш на ряде промышленных предприятий и объединений - -ИЛУ "Позитрон1,' С НПО "Идасхполимер", ЬЗИ им. В. И. Ленина, ПИИ ¡¿оргеофизика ш Сосзмор-

feo, ПО "Октаьа", Таллиннской электромеханической заводе им.Пегельма-ла и др., что подтверждается прпложенными к диссертации актами о внедрении. Только по работай, выполненным по хоздоговора!,! с ЛНЮ "Позитрон" экономический эффект составил 450 тыс.руб. Отдельные технические решения зашишены пятью авторскими свидетельства!.»! на изобретения. Материалы исследований отражены в 3-х монографиях и 6 учебных пособиях, используются в учебном процессе на кафедрь электрической изоляции, кабелей и конденсаторов ЛПУ, на кафедрах электроизоляционной и кабельной техники, физики диэлектриков других институтов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах :

1. Борисова Ы.Э., Койкоз С.Н., Ыорозоз С.Анализ процессов деполяризации электретов на основе различных моделей. // Известия вузов. Физика-- 1974.- № 6.- 0.. 104-110. .

2. Борисова i>i.3., Ко Яков C.ri., £оыин В.А. Исследование кинетики зарядки полимерных пленок при облучении электронами и в газовом разряде. // Методы миниатюризации и автоматизации производства компонентов ЭБМ.- Киев, К74.- С.73-80.

3. Борисова Id.Э. и др. Связь стабильности полшерных электретов с величиной удельной электропроводности / Н.Э.Борисова, С.Н.Койков,

B.А.Парибок, В.А.'5оиин // Еысокоыолек.соед.- 1975.- Т.ХУП В, JS 6.-

C. 488-492.

4. Борисова М.Э., Койков С.Н. Сопоставление различных гипотез о природе олентретного состояния диэлектриков. // Материалы Второго симпозиума по физике диэлектрических материалов.-Ii., 1976,- С. 131-135.

5. Борисова Ы.Э. и др. Распределение зарядов по толиине электретов, полученных электронным облучением и в коронном разряде / М.Э.Борисопа, С.Н.Койков, В.А.Парибок, В.А.Фомкн // Электретный эффект и электрическая релаксация в твердых диэлектриках.- М., IS76.-С.57-66.- (¿"руды .'¿ilS'i, Вып.34) .

6. A.c. 731860 СССР. Способ зарядки электретов / Н.З.Борисова, П.Н.Даиук, С.Н.Койков, Г.К.Новиков; ЛШ1 ¡:ы.Ы.И.Калшшна СССР.-

ß 2685472; залвл. 16.11.78.

7. A.c. 818358 СССР. Способ зарядки электретов электрический разрядом / Ы.Э.БорисоЕа, П.Н.Дадук, С.Н.Койков; ЛПК пи.М.И.Калинпна СССР.- Я £316946; заявл. 12.09.79.

8. Борисова М.Э. и др. Исследование методом термодеполяризации радиационных измерений в полиэтилентерефталате / М.Э.Борисова, Г.А.Ефремов, С.Н.Койков, Г.К.Новиков // Високомолек.соед.- 1979.-Т.ХХ1Б, № 5.- С.334-337.

9. Борисова М.Э., Койков С.Н. Электретнни эффект в диэлектриках // Известия вузов. Шизика,- 1979.- Р 1.- С.74-8Э.

10. Борисова Ы.Э., Койков С.Н. Физика диэлектриков: Учебное пособие.- Л.: ЛГУ, 1979.- 240 с.

11. Борисова М.Э., Воедаренко П.Н., Дингова Е.У. Применение метода термостимулированной деполяризации для контроля технологии изготовления пленочных полимерных конденсаторов // Электрическая релаксация и электрегный эффект в твердых диэлектриках: Ыехвуэ.сб.науч.тр, / ЛГПИ им.А.И.Герцена.- Л., 1980.- С.12-15.

12. Борисова М.Э., Дийкова Е.У., Койков С.Н. Анализ электретных свойств полимерных пленок на основе модели двухкомпонентного диэлектрика. // Известия вузов, £>изика.- 1980.- 1.« 12.- С.26-29.

13. Борисова Ы.Э., Тихомиров А.Ф. Эффективная глубина залегания зарядов в электретах из пленок поликарбоната // Известия вузов. Физика.- 1981.- К 4.- СЛ04-105.

14. Борисова Ы.Э., Койков С.Н., Рымша В.П. Взаимосвязь между спектрами тока термостимулированной деполяризации и температурной зависимостью электропроводности полимерных пленок // Высокомолек. соед.- 1982.- Т.ХШБ, Я 3.- С.858-861.

15. Борисова М.Э., Койков С.Н., Тихомиров А.Ф. Влияние потенциального рельефа на стабильность эяектретного состояния // Электрора-диоматериалы и их применение.- 1,1., 1982.- С.¡>'.'-60.- (Тр.ШРЭА; Вып.Ю).

16. Борисова Н.Э., Койков С.Н., Орос Я. Закономерности электрического старения изоляции при отсутствии ч.п. // Электричество.-1982.- Р 12.- С.58-59.

17. Борисова Ы.Э. и др. Влияние дефорча;' :л на величину заряда полимерных пленочных электретов. / М.Э.Борп-^.за, В.А.Закрссский, С.Н.Койков, Л.й.Тихомиров // Высокомолек.сосл.- 1963.- Т.ллУБ, .V 8.-С.571-574.

18. Борисова М.Э. и др. Сопоставление р .^льтатов теоргтичсск^ги анализа и экспериментального исследования .¿••ишееккх гол: тг-'ш. рч:д характеристик / 1.1.3.Борисова, 0.В.1 альков, С.^.КоП^л-, В.Ц.Ит-¡о. // Известия вузов. Физика.- 1984.- Л. - С.47-

19. A.c. IC94503 СССР. Стабилизации электрегного заряда бо фгор-зодериалых полимерных пленках / Ы.Э.Борисова, С.Н.Койкоэ, Ю.А.Скорняков, А.В.Зиневич; ЛИЛ им .У.И.Калинина СССР.- 35I684I; заявл. 26.11.82.

20. Борисова М.Э. и др. Влияние ионизирующих излучений на электрические и электретние свойства полимерных пленок / М.Э.Борисова,

3.И.Койков, Ю.А.Скорняков, А.В.Зпневич // Высокомолек.соед.- 1984.-Г.ХХУ1Б, tf 7.- C.537-&i2.

21. Борисова 1.1.З., длйкова Е.У., Койков С.Н. Накопление и релаксация заряда в пленочных полимерных конденсаторах // ¡лате;.:атиче-;кое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах интегральных cxei.f: Мехвуз.сб.науч.тр. / Ш13М.-L- 1984.- С.53-58.

22. Борисова 1.1.3., Койков С.Н., Скорняков Ю.А. Влияние облуче-шя на закономерности электрического старения пленки полиэтилеитере-зталата при ограничении ч.р. // Электричество.- 1985,- 2.- С.64-66.

¿3. Борисова L1.3. и др. Долговечность пленочных полимерных (лектретов / М.Э.Борисова, В.А.Закревский, С.Н.Койков, Т.П.Сапфирова, i.4.Тихомиров // Пластические массы.- 1985.- !? 4.- С. 15-16.

24. A.c. !,» 132593 СССР. Способ отвода зарядов статического аектрнчест&а / П.Н.Вондаренко, М.Э.Борисова, Ю.А.Скорняков; ЛПИ im.М.И.Калинина СССР.- .7> 3925736; заявл. 08.04.85.

25. Борисова Н.Э., Рымша В.П. Роль иккенции в процессе накопле-[ия заряда в полимерных диэлектриках. // Известия вузов. Физика.-98а.- I.- С.3-7.

25. Борисова Ы.Э., Койков С.Н. Полимерные электреты // Электрические свойства полимеров. / Б.И.Сейсин, А.М.Лобанов, 0.С.Романовская др.; Под ред. Б.И.Са-яина.- 3-е изд.- Л., Химия. 1986.- Гл.5.-.191-219.

27. Койков С.Н., Романовская О.С., Борисова М.Э. Электрическая рочность полимеров // Электрические свойства полюаеров // В.И.Сожин, .У.Лобанов, О.С.Романовская и др.; Под ред.Сажина.- Л.: Химия, ЭБ6.- Гл.4.- С.123-172.

28. Борисова Ы.Э., Тихомиров A.ffl., Чихладзе Р.Г.Старение элект- . етши мембран в поле объемного заряда. // Электретный эффект и лектрическая релаксация в твердых диэлектриках: Иежвуз.сб.научн.тр.

ЫИЭИ.- 1.1., 1986.- С.18-23.

29. Борисова Ы.Э., Дийкова Е.У., Старовойтенков Б.В. Анализ абсорбционных характеристик пленочных полиэтилентерефталатных конденсаторов на основе модели многослойного диэлектрика. // Электронная техника. Радиодетали и радиокоыпоненты.- IS86.- Бып.З.- С.10-12.

ЗС. Борисова ii-Э., Койков С.Н., Чихладзе Р.Г. Электростатическая дефектоскопия конденсаторных нолииерных пленок. // Тез.докл. Всесоюз.науч.-техн.совеш. "Состояние и перспективы развития электрической изоляции".- Свердловск, 8-10 сентября 1987 г.- 1987.- С.41-42.

31. Борисова М.Э., Галоков О.В. Исследование параметров переноса в полиыерности пленках методом динамических вольтамперных характеристик // Известил вузов, йиэика.- 1987.- }!> 10,- С. 101-106.

32. Борисова Н.Э. Токи утечки, сопротивление изоляции, абсорбционные характеристики конденсаторов // Расчет эксплуатационных характеристик и применение электрических конденсаторов /' Б.П.Беленький, П.Н.Боццаренко, М.Э.Борисова и др.-Ы. : Радио и связь, 1983..- Гл.2,-С.35-54.

33. Борисова Ы.Э., Койков С.Н. Анализ абсорбционных и частотных характеристик диэлектриков на основе модельных эквивалентных схем // Электричество.- 1983.- ,'f 4.- С.66-70.

34. Галюков О.В., Борисова М.Э., Сажпн Б.И. Нестационарные ин-кекцнонные токи в двухслойной пленке полизтилентерефталата с поливи-нилиденфторкдом // Высокомолек.соед.- I989-- T.A3I, № 4.- С.734-737.

35. Геллай И.Я., Борисова М.Э. Измерение емкостного сопротивления изоляции и тангенса угла потерь на инфрзнизшяс частотах // длеу.т ронная техника. Сер.5., Радиодетали и компоненты, вып.4 (81).- 1990. С.38-39.

36. Борисова Ы.Э., Койков С.Н. Анализ природы электретного эффекте. и спектра ТСД в полимерных пленках // Диэлектрические материалы в экстремальных условиях: Тез.докл. I Всесоет.совепанля, Суздаль. 22-26 янз.ВЭО.- Суздаль, 1990.- Т.2.- C.287-ÎS4.

37. Борисова М.Э., Галаков О.В., Койков С.Н. Нелинейные эффекты нестационарного электропереноса в пленочных полимерных диэлектриках. // Электротехника.- 1391.- £ 7.- С.69-71.

38. Борисова Н.Э., Нойков С.Н., Марченко й.С. Нестационарные процессы проводимости в конденсаторных пленках полиимида //' Электротехника.- 1991.- № 8.- С.14-17.