Relation entre architecture et rupture diélectrique de composites isolant-isolant : approches expérimentale & théorique

Relationship between architecture and dielectric breakdown of insulator-insulator composites : experimental and theoretical approaches

• Auteur / Autrice : Laetitia Vouyovitch
• Direction : Nicole Albérola, Lionel Flandin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux polymères et composites
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Chambéry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites

Industrie et commerce

Isolants

Mots clés libres

Isolant

Composite

Epoxyde

Rupture diélectrique

Vieillissement

Champ électrique élevé

Espèces polaires

Situation numérique

Résumé

Cette étude est basée sur une approche 'materiau' de la rupture diélectrique de composites (pol yepoxyde-charges minérales) utilisés dans l 'industrie comme isolants soumis a des champs électriques intenses. L'objectif de ce travail est de comprendre la relation entre l'architecture et la rupture diélectrique de ces composites et de déterminer les mécanismes pouvant altérer le caractère isolant des systèmes vieillis sur site industriel. Nous avons montré que ce type de vieillissement conduit a une dégradation chimique de la matrice polymere, a un phénomène de "vieillissement physique" et à une altération de l' adhésion renforts/matrice. Dans le cas des systèmes natifs, le rôle joué par les renforts a eté analysé. Sous champ quasi homogène, les renforts provoquent une chute de la rigidité diélectrique des isolants, alors que sous champ divergent, ces mêmes renforts engendrent une augmentation de la tension de claquage. Les mécanismes a l'origine de cet "effet composite" ont pu etre identifiés a l'aide d'une simulation numérique de la rupture diélectrique prenant en compte la morphologie réelle des isolants. Le rôle joué par la matrice polymère a egalement eté etudié. Il a eté montré, d'une part, que la dégradation chimique de la matrice accompagnée de la formation d'espèces polaires mobiles, conduit a une diminution linéaire de la tension de claquage des composites, et d'autre part, que la densification de la matrice induit, au contraire, une augmentation monotone non-linéaire de cette même tension de claquage. Par l'analyse comparative des comportements sous champ électrique elevé de ces composites vieillis sur site et en laboratoire, nous avons proposé une interrelation révélant que la réduction des propriétés sous champ elevé de ces composites vieillis en conditions industrielles est principalement d'origine chimique, cet effet pouvant être contrebalancé par les effets dus au vieillissement structural qui minimise l'effet de la dégradation chimique

This study is based on a "material" approach of dielectric breakdown of composites (poly epoxy -mlneral fillers) used ln industry as insulators to withstand high electric fields. The main objectives of this work is to understand the relationship between architecture and dielectric breakdown of these composites and to determine the mechanisms which may reduce the insulating properties of systems aged ln industrial conditions. It was shown that this kind of aging leads on the one rand to a chemical ,degradation of the polymer matrix, and, on the other rand, to a physical-aging phenomenon and last a reduction of the fillers/matrix adhesion. The role played by the fillers was analysed on "as received" materials. Under quasi homogeneous :field, the fillers induce a decrease ln the field to breakdown, whereas under divergent field, these same fillers induce an increase of the breakdown field. The mechanisms responsffile for this "composite effect' have been illentified thanks to an original numerical simulation of the dielectric breakdown, taking into account the real insulators morphologies. The role played by the polymer matrix was investigated. It was shown, on the one rand, that the cj1emical degradation of polymer matrix (pointed out by a shift of tg to lower temperatures and which results from the formation of polar species), leads to a linear decrease ln the composites field to breakdown, and, on the other rand, that the polymer-matrix densification induces, on the contrary, a monotonous non-linear increase of this breakdown field. By comparative analysis of the behaviours under intense electric field of these composites aged ln laboratory and ln real conditions of application, we propose an inter relationship, which shows that the reduction ln properties of composites aged ln industrial conditions under intense field, originated from chemical degradation penalizing effect could be counter-balanced by the effect related to the structural aging.