автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Нестационарные электрические процессы в конденсаторных структурах с полярными полимерными пленками

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ -л

»

•'•л на правах рукописи _

ДИИКОВА Елена Урановна

УДК 621.315.616.9:621.319.4.

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КОНДЕНСАТОИЩХ СТРУКТУРАХ С ПОЛЯРНЫМИ ПОЛИМЕРНЫМИ ПЛЕНКАМИ

Специальность 05.09.02 - электроизоляционная

и кабельная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

Санкт-Петербург 1905 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.Закржевский.

Ведущая организация: НИИ "Гириконд"

Защита состоится А/сМ>'7У?&ШЪ г. в /С час,

на заседании специализированного совета К 063.33.21. в Санкт-Детербургском 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 установках. В процессе эксплуатации конденсатора диэлектрик подвергается }оздействию электрического поля, что обуславливает протекание в нем целого эяда процессов, во-первых, это процессы накопления и релаксации заряда, с «оторыми связаны абсорбционные характеристики, распределение электрических полей, определяющее явления пробоя и электрического старения, процессы электропереноса. Во-вторых, это явления электроочистки и изменения структуры материала, которые могут изменять весь комплекс электрофизических характеристик полимера.

В настоящее время среди полимерных конденсаторов наибольший удельный вес составляют конденсаторы из пленок полизтилентерефталата , [ЛЭТФ). Однако в последнее время все большее внимание уделяется изучению электрических характеристик пленок поливинилиденфторида (ПВДФ), а также комбинированной изоляции из пленок ПЭТФ и ПВДФ, позволяющей существенно увеличить энергоемкость конденсаторов.

Актуальность изучения закономерностей и механизма этих явлении в ' полимерных пленках, широко используемых в производстве пленочных полимерных кодснсаторов, определяется непрерывным повышением требований к надежности изоляции, расширением областей их применения в условиях воздействия электрического поля объемного заряда.

Цель и задачи работы. Целью выполненой и представленной работы является изучение электрофизических процессов в пленках ПЭТФ, ПВДФ и многослойных системах на их основе, связанных с накоплением и релаксацией заряда, с воздействием электрического поля и повышенной температуры, выработка практических > рекомендаций по повышению качества конденсаторов и методов оценки их характеристик. В соответствии с поставленной целью основными задачами работы являются:

• исследование природы заряда и механизмов его накопления и релаксации в пленках ПЭТФ; »

- изучение совокупности абсорбционных характеристик полимерных пленок в связи с необходимостью оценки абсорбционных характеристик конденсаторов;

. . I

- изучение влияния методов и режимов измерения на величину коэффициента абсорбции Ка конденсаторов из пленки ПЭТФ с целью разработки практических рекомендаций по его оценке;

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

- изучение абсорбционных и диэлектрических многослойных систем на основе 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 при температуре ниже 350 К в пленках ПЭТФ накапливается гомозаряд, эффективная глубина залегания которого под поверхностью пленки составляет 0.2 ч- 1.5 мкм;

• показано, что в области высоких температур (выше 350 К) в пленке ПЭТФ накапливается избыточный отрицательный заряд, инжектируемый из электрода. Для определения природы заряда в этом случае использовался оригинальный метод, основанный на измерении силы отрыва электрода от поверхности заряженного диэлектрика;

- установлено, что для пленок ПЭТФ при плотном контакте направление тока разрядки соответствует движению гомозаряда к электродам, при наличии изолирующих прокладок направление тока разрядки изменяется на противоположное и соответствует движению гомозаряда через толщу образца, что позволило сделать вывод о неоднородности пленки по величине проводимости;

• определена температурная зависимость проводимости приповерхностных слоев пленки ПЭТФ методом токов ТСД при различных условиях контакта. Показано, что приповерхностные слои имеют повышенное значение проводимости по сравнению с объемом пленки. Таким образом, накопление и релаксация заряда происходит по механизму поляризации Максвелла - Вагнера;

• разработана модель, учитывающая различие проводимости поверхностных слоев и объема пленки. Эта модель позволила удовлетворительно описать всю совокупность абсорбционных характеристик, токи зарядки ^ и разрядки восстановленное напряжение 11в, напряжение саморазряда 11с, как для пленок ПЭТФ, так и для конденсаторов на их основе;

- установлено, что для пленок ПВДФ в области температур выше 390 К наблюдается существенное уменьшение диэлектрической проницаемости £ и 1дб под действием постоянного электрического поля. Величина эффекта определяется температурой, напряженностью электрического поля и частотой

«мерительного сигнала, в зависимости от длительности воздействия и условии включения электрического поля эти изменения могут носить обратимый и юобратимый характер;

установлено, что в многослойных системах на основе пленок ПЭТФ и ПВДФ псорбционные характеристики и изменения диэлектрических характеристик под ;ействием электрического поля определяются как свойствами состовляющих 1ленок, так и процессами, происходящими на границе раздела, включающими

'1

скопление заряда и инжекцию носителем заряда из одного диэлектрика в ;ругои.

Практическая ценность результатов заключается в том, что они позволили:

- разработать методику экспериментального исследования и теоретического жализа абсорбционных характеристик полимерных пленок и конденсаторов. Эти >езультаты были использованы при составлении ГОСТа №21.315.11-87 на измерение коэффициента абсорбции пленочных полимерных конденсаторов;

- усовершенствовать технологию изготовления полиэтилентерефталатных ;онденсаторов, что позволило повысить их емкость в результате термообработки ) электрическом полена 20%;

- предложить метод повышения температурной стабильности емкости и 1дб утя поливинилиденфторидных конденсаторов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и Осуждались на следующих конференциях, совещаниях, семинарах: I. Всесоюзная конференция "Физика диэлектриков и новые области ее 1рименения", г. Караганда, 1978 г.

!. Всесоюзное совещание "Повышение качества и улучшение технико-жономических показателей силовых конденсаторов и комплексных ¡онденсаторных установок", г.Серпухов, 1979 г.

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

I. Международный научный коллоквиум по электротехнике, г.Ильменау, ГДР, 1980 г.

¡.У-я Национальная научно-техническая конференция с международным 'частием по электроизоляционным материалам и кабелям, "Элиэоткабель", .Бургас, НРБ, 1982 г.

!. Всесоюзная научно-техническая конференция "Физика диэлектриков", г.Баку, 19 82 г.

7. всесоюзное совещание-семинар 'Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах интегральных схем \ г.Гурзуф, 1983 г.

8. \ZI-IX Межвузовские научно-технические конференции "Электреты и их 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 работах.

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

Рассматривается теория абсорбционных свойств слоистой изоляции. Приведены выражения для тока, протекающего во внешней цепи при зарядке и разрядке и напряжения на электродах при разрядке в разомкнутом состоянии для конденсатора с многослойным диэлектриком, состоящим из любогс количества слоев. Показано, что такой подход может быть использован прг описании процессов накопления и релаксации заряда в визуально однородном диэлектрике. Применимость такого подхода обосновывается наличием е полимерных пленках приповерхностных слоев с измененными свойствами.

Приведены сведения о результатах исследования процессов накопления » релаксации заряда и диэлектрических характеристик пленок Г1ЭТФ и ПВДФ, г также многослойных структур на их основе.

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

Во второй главе описана методика эксперимента. При исследовани! абсорбционных характеристик измерялись зависимости из, Лр, ив и ис о 4 '

времени при постоянной температуре и токи термостимулированнои деполяризации (ТСД) при нагреве образца с постоянной скоростью К/мин. Для измерения тока и напряжения использовался электрометр ИТН-7, который позволяет измерять токи от Ю-15 до 3-Ю"6 А и напряжения от 5-10-5 до 60 В. При измерении напряжения входное сопротивление электрометра составляет 10^6 Ом, что позволяет проводить измерения для образцов с высоким рнутренним сопротивлением.

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

Метод компенсации с вибрирующим электродом позволяет определить два значения компенсирующей разности потенциалов ик, когда вибрирующий электрод находится с разных сторон диэлектрика 1/<) и 1_1|1 «• и рассчитать величину аффективной поверхностной плотности заряда с двух сторон пленки по соотношениям

°эфф = еое^о / Ь > °}э1фф = £оеин1Н

где Ь - толщина полимерной пленки.

Было показано, что при температуре больше 420 К между поверхностью пленки ПЭТФ и электродом из алюминиевой фольги возникает сила сцепления, величина которой определяется силой, действующей на электрод в процессе запекания. Если запекание пленки проводилось в присутствии электрического поля, то сила, действующая на каждый электрод определяется напряженностью электрического поля у электрода, которая в свою очередь зависит от величины, знака и распределения заряда в диэлектрике. Следовательно, измеряя силу сцепления между электродом и поверхностью пленки можно получить информацию о величине и знаке заряда, накопленного в диэлектрике. С этой целью измерялась сила отрыва электродов из алюминиевой фольги от поверхности пленки ПЭТФ после термополевой обработки. Измерения проводились с помощью разрывной машины 'Инстрон*. Свободные концы пленки и фольги закреплялись в зажимах разрывной машины, которые раздвигались с постоянной скоростью п=0.б см/мин. Зависимость силы отрыва от времени фиксировалась самописцем. Среднее значение силы отрыва определялось путем усреднения ее величины по длине электрода.

При изучении температурной зависимости й и Гдй ппенок ПВДФ измерения 1д5 и емкости С проводились мостом переменного тока Р5016 при частоте электрического поля 1, 5, 10, 50 кГц.

Исследовались зависимости дифференциальной емкости от времени при одновременной подаче на образец напряжения смещения (-¡см V высокочастотного измерительного сигнала. Измерительный сигнал амплитудоР 25 мВ имел одну из фиксированных частот: 0.2, 2, 20, 200 кГц и 1 МГц Напряжение смещения подавалось в виде ступеньки или изменялось с постоянной скоростью и=0.05 -:- 1 В/с. Для выделения емкостной состааляюще£ гока использовался фазовый детектор, чго необходимо при измерении емкости образцов, обладающих большими потерями.

В третьей главе приводятся результаты экспериментального исследована и теоретического анализа абсорбционных характеристик пленок ПЭТФ > конденсаторов на их основе. Измерения проводились на образцах и; промышленной пленки ПЭТФ с напыленными алюминиевыми электродами и нг промышленных конденсаторах серии К-73. изготовленных из пленки ПЭТФ Измерения проводились в интервале температур от 290 до 450 К V напряженностей электрического поля от 1.7 до 100 кВ/мм.

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

Спектры тока ТСД при плотном контакте имеют два максимума тока одногс направления. Направление тока в этом случае соответствует разрушеник остаточной поляризации или движению объемного заряда к электродам. Пр1 деполяризации с изолирующими прокладками из политетрафторэтилена (ПЭТФ) направление тока изменялось на противоположное и соответствовало движеник объемного заряда через среднюю часть пленки. Положение максимум; смещалосьв область более высоких температур. Следовательно можно считать что остаточная поляризация не играет существенной роли в образована абсорбционного заряда, а накопление заряда происходит за счет межслоево! поляризации.

Если зарядка образцов осуществлялась при температурах больших Тс, и отрыв электродов от поверхности заряженной пленки приводил к существенном изменению спектров ТСД, а измерения 11к не давали воспроизводимы результатов. Это обстоятельство не позволило применить описанные вьш методики для определения природы заряда, накапливаемого в пленке ПЭТФ пр| высоких температурах. В этом случае для определения знака абсорбционной 6

заряда проводилось измерение силы отрыва электродов из алюминиевой фольги от поверхности полимерной пленки ПЭТФ (h=12MKM) после ее выдержки при повышенных значениях температуры (440 К) а постоянном электрическом полз (Е-50 kB/мм). При этом использовались электроды из алюминиевой фольги в виде полос ширинои 14 мм и длинои 20 мм. Установлено, что сила отрыва положительного электрода F+ значительно превышает силу отрыва отрицательного электрода F\ В некоторых случаях сила F" была настолько мола, что измерить ее не удалось. Среднее значение силы отрыва электродов по измерениям на серии из 9 образцов составляли F+=0.141±0.04 Н и F-=0.012± 0.006 Н. Существенная разница в силе отрыва электродов свидетельствует о проникновении отрицательного заряда со стороны катода и накопления его в планке, что может быть следствием инжекции электронов в пленку ПЗТФ.

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

По результатам измерения U|< и суммарного заряда Q, рассчитанного по площади ограниченной кривой тока ТСД при плотном контакте электродов с диэлектриком было определено расстояние центроида заряда X от поверхности заряженной пленки:

X=hQ/(Q + £o£EKS) , (1)

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

Для уточнения механизмов релаксации гомозаряда были рассчитаны температурные зависимости времен релаксации по спектрам токов ТСД при различных условиях контакта. Расчет проводился с помощью соотношения

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

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

Значения ti и Тг при плотном контакте и при наличии прокладок определяются выражениями

Г| = Sq£ / У\ ; г2 = £Q(£nh + áh) / (Yihn) (3) где hn, Сп, уп толщина, диэлектрическая проницаемость, проводимость прокладок. С помощью (2) - (3) из спектров тока ТСД были1 определены зависимости Yi=í(T) и y2=í(T) для пленок ПЭТФ. Оказалось, что Y1>=*Y2 причем зависимость Y2=fCO практически совпадает с зависимостью проводимости

7

пленки НЭТФ, измеренном по остаточным значениям тока. Следовательно, собственная проводимость полимерной пленки играет определяющую роль в процессах релаксации заряда, причем полимерная пленка неоднородна по толщине - приповерхностные слои имеют повышенное значение проводимости по

Итак, экспериментальное исследование процессов накопления и релаксации заряда а пленках ПЭТФ показало, что существенную роль в них играет собственная проводимость полимерного диэлектрика, причем полимерная пленка неоднородна по толщине, приповерхностные слои имеют повышенное значение проводимости.

Для уточнения механизма накопления и релаксации гомозаряда исследовалась вся совокупность абсорбционных характеристик: ^-({"в; ив=т-(1:) и Установлено, что зависимости ^=1(1;) и хорошо

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

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

которых характеризуется значением проводимости У|, диэлектрической

проницаемости £| и толщиной Ь,. На границе ¡-го и ¡+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 ¡(1) - плотность тока во внешней цепи; Е^) - напряженность поля в ¡-том слов: 11(0 - напряжение на электродах.

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

сравнению с толщей образца.

(4)

0} (Г) = Ео£„ \Еи ,(/) - ЕоЕ-, Е1+ ,(Г) (5)

п

(6)

ПЕ^ + еоВ; -£-=0 (7)

Решение уравнения (7) записывается в виде

Е{. (0 = £(рехрН/г, ) (8)

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 и|° могут быть определены из экспериментальной зависимости напряжения от времени в процессе саморазряда. При постоянном значении диэлектрической проницаемости по толщине диэлектрика проводимость 1-го слоя определяется по значению Т| из соотношения (9). Если считать, что в процессе зарядки устанавливается стационарное состояние <У1Е-(=У2Е2=-"=7п^п). то толщины слоев могут быть определены из соотношений

Для проверки предложенной модели были исследованы зависимости токов зарядки и разрядки, восстановленного напряжения и напряжения саморазряда для пленки ПЭТФ толщиной 6 мкм при Т="383 К. Установлено, что зависимость ис=Т(1) а этом случае хорошо описывается суммой четырех экспонент. Следовательно для описания процессов накопления и релаксации заряда можно ограничиться рассмотрением четырехслойной структуры, параметры которой у; и И| могут быть определены из соотношений (10) - (12).

Полученные значения у-, 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

(10)

где

Ь 1*ц\=и?п нимгм) (11)

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

Итак, проведенные исследований 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 кривым 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 Ka=UB/U3 при различных значениях времени зарядки t-j, времени закорачивания обкладок tj и времени измерения восстановленого напряжения tj. Установлено, что величина коэффициента абсорбции в значительной степени определяется условиями проведения испытаний, однако, распределение конденсаторов по величине Ка, измеренным при одинаковых значениях t-j, t^. tj не зависит от условий измерения. Следовательно для сравнительной оценки абсорбционных свойств конденсаторов можно выбрать режим измерения наиболее оптимальный для практической реализации. На основе полученных результатов были дани рекомендации для составления ГОСТ №12.315.11-87 на измерение Ка пленочных конденсаторов.

Метод токов ТОД был использован при разработке способа повышения емкости фольговых конденсатороа 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 18+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 а пленке ПЭТФ избыточного отрицательного заряда. Поэтому изменение полярности напряжения во время запекания конденсатора приводило к дополнительному увеличению его емкости на 2+5%.

В четвертой главе описаны результаты экспериментального исследования абсорбционных характеристик пленок ПВДФ и многослойных структур на основе ПЭТФ и ПВДФ, а также изменения S 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 лаковым способом из порошка Ф2М марки Г(ПТР=8.72 г/мин) на подлояасс из ПЭТФ. При исследовании 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 ПВДФ, 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 tokos за рядки и разрядки от времени для пленок ПВДФ наблюдаются максимумы тока, положение которых смещалось в область меньших времен при увеличении температуры. Кроме того, показано, что при еыдержке пленки ПВДФ в постоянном электрическом поле происходит существенное, в несколько раз, уменьшение S и tg5 в области высоких температур. Величина эффекта возрастает с увеличением температуры и уменьшением частоты измерительного сигнала.

Показано, что для двухслойных систем типа ПВДФ + ПЭТФ зависимости J3=f(t), Jp=f(t), UB=f(t), спектры токов ТСД и изменение £(t) и tg5(t) 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 гкпа 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 Е до некоторого значения Scj. которое в дальнейшем практически не изменяется. При отключении напряжения наблюдается очень медленное возрастание

диэлектрической проницаемости до значении близких или меньших, чем первоначальные. Скорость нарастания е 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 в от напряжения смещения при изменении его с постоянной скоростью показало, что при некотором значении исм*=5-И0 В • происходит резкое уменьшение Б до некоторого значения, после чего диэлектрическая проницаемость изменяется незначительно: Величина исм* уменьшалась с ростом температуры и уменьшением скорости изменения напряжения смещения.

При подаче ступеньки напряжения на систему ПЭТФ - ПВДФ с течением времени наблюдается изменение эффективной диэлектрической проницаемости Еэфф. 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 полярности исм 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 Сэфф возрастало до значений равных или несколько меньших, чем первоначальные. Величина относительного изменения еЭфф увеличивалась с возрастанием иСм и уменьшением толщины пленки ПЭТФ.

Исследование зависимостей С3фф=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 Сэфф 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

существенно меньше, чем величина постоянного, то положение, ориентация закрепленных релаксаторов переменным полем существенно не меняется, то есть величина С 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 выдержке ее в постоянно^ электрическом попе.

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 1дб 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 1д5 путем охлаждения пленки ПВДФ в присутствии электрического поля. Для ятого 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 во 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 заряди* в постоянном электрическом поле в пленке ПЭТФ накапливается гомозаряд. Эффективная глубина проникновения заряда зависит от условии 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 исследована и теоретически проанализирована вся совокупность абсорбционных характеристик пленок ПЭТФ и конденсаторов на их основе - абсорбционные токи, 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 серии конденсаторов их расположение по величине восстановленного напряжения измеренного при одинаковых ^ , ^ 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 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.

С. Установлено, что для многослойных диэлектриков на основе пленок ПВДФ и ПЭТФ абсорбционные токи, восстановленное напряжение, характер спектров тока ТСД, а также изменение е и 1д6 под действием постоянного электрического поля существенно зависят от полярности И

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 злектретный 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. Фиэика.-1980.-Na 12.-С.26-29.

А. Борисова М.Э., Дийкова Е.У.., Койков С.Н. Накопление и релаксация заряда в полимерных диэлектриках// 25 Intern. Wlss. KoIl.Thilmenau. 25-27 oct. 1980 г.-1980.-C.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 в диэлектрических материалах: Межзуз.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.З.-С. 10-12.

9. Диикова Е.У., Ляховскии Ю.Э., сажин Б.и. Полевая зависимость дифференциальной емкости многослойного конденсатора на основе лоливинилидснфторида// Тез.докл.У! Всесоюз. научи. конф. Физика диэлектриков. Томск, 23-25 ноября 1988 г.- С.54-55.

10. ДиИкова 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.-ТАЗЗ, №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.-0.1521-1522.