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Submitted on 1 Jan 1984
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ÉTUDE DU PHÉNOMÈNE DE CONDUCTION ÉLECTRIQUE DANS LES ISOLANTS SOLIDES SOUS
HAUTE PRESSION HYDROSTATIQUE
Hoang The-Giam, Bui Ai, P. Destruel, M. Bendaoud, M. Saidi
To cite this version:
Hoang The-Giam, Bui Ai, P. Destruel, M. Bendaoud, M. Saidi. ÉTUDE DU PHÉNOMÈNE DE CONDUCTION ÉLECTRIQUE DANS LES ISOLANTS SOLIDES SOUS HAUTE PRES- SION HYDROSTATIQUE. Journal de Physique Colloques, 1984, 45 (C8), pp.C8-217-C8-220.
�10.1051/jphyscol:1984841�. �jpa-00224342�
ÉTUDE DU PHÉNOMÈNE DE CONDUCTION ÉLECTRIQUE DANS LES ISOLANTS SOLIDES SOUS HAUTE PRESSION HYDROSTATIQUE
Hoang^The-Giam, Bui Ai, P. Destruel, M. Bendaoud* et M. Saidi*
Laboratoire de Génie Electrique*, Université Paul Sabatier, 118, route de Narbonne, 31062 Toulouse Cedex, France
^Institut de Physique, Université des Sciences et de la Technologie d'Alger, Dar SI Be-Vda, B.P. N°9, Alger, Algérie
Résumé - Par l'effet de la pression, on essaiera de mettre en évidence la prédominance d'un mode de conduction (électronique ou ionique) dans les iso- lants solides en utilisant les modèles théoriques classiques basés sur les variations de la conductivité du matériau. Les mesures de conductivité sont effectuées sur du Polyéthylène basse densité et du Polystyrène. Chaque maté- riau présente un mécanisme de conduction bien particulier à la pression at- mosphérique .
Abstract - The predominance of a conduction mechanism (electronic or ionic) in solid insulators could be proved by using the classical theories based on the conductivity variations of the material with the pressure. Conducti- vity measurements are made on low density Polyethylene and Polystyrene. At atmospheric pressure, one "of these mechanisms is observed in these materials.
L'utilisation grandissante des isolants solides dans le domaine des câbles de trans- port d'énergie et de télécommunications sous marins nécessite une. connaissance de plus en plus approfondie sur l'évolution des propriétés électriques de ces matériaux dans des conditions particulières de leur fonctionnement. De ce fait l'étude de la conductivité sous pression, en relation directe avec le claquage diélectrique des isolants, présente un intérêt particulier, d'abord pour la compréhension de la natu- re des porteurs qui peuvent être soit des électrons ou des ions, soit de l'ensemble des deux, et ensuite pour la vérification de certaines théories de claquage d'origine électronique ou thermique.
Cette étude porte essentiellement sur deux types de polymères : le polyéthylène basse densité (PEBD) utilisé en électrotechnique spécialement dans l'isolation des câbles d'énergie et le polystyrène en électronique et en particulier dans la passi- vation des composants lorsqu'on le fabrique sous forme de couches très minces. Les mesures de conductivité sont effectuées entre 18°C et 49°C pour des pressions de 1 à 3000 bars.
I - TECHNIQUES EXPERIMENTALES 1 - Dispositif haute pression
L'ensemble expérimental de haute pression est composé :
- d'une enceinte de 100 cm3 de Volume utile, munie de passages électriques à haute résistance d'isolement / 1 / (résistivité supérieure à 10l6fl.cm). La température T de l'échantillon est obtenue par Un four interné si T > T ^ ou par circulation d'un fluide thermostaté pour T < T , ou T > T ,
- d'un générateur de pression (compresseur à huile) à deux étages dont le premier fournit une pression maximale de 2500 bars, le second 10.000 bars. Le fluide trans- metteur de pression est de l'azote gazeux.
+Associé au CNRS, LA 304.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1984841
JOURNAL DE PHYSIQUE
2
-
EchantillonsLes échantillons de polyéthylène basse densité (PEBD) fabriqués de façon classique par extrusion se présentent sous forme de disques de 100 Pm d'épaisseur e t de 20 mm de diamètre. Les électrodes en aluminium sont déposées directement s u r l e s deux faces de l'échantillon par l a méthode d'évaporation sous vide.
Ceux du polystyrène (PS) sont obtenus par l a technique de dépôt de couches minces par décharges luminescentes à basse fréquence /2/ (caractéristiques : tension 1500 v o t t s , fréquence 2KHz). Cette méthode permet de r é a l i s e r des couc 5s de polymères de styrène à p a r t i r du monomère. Leur épaisseur, comprise entre 100
k
à quelques m i -crons, dépend des conditions de fabrication t e l s que l a fréquence de l a tension d'alimentation, l a densité-du courant de décharges, l a température du s u b s t r a t , l a pression de vapeur de monomère dans l'enceinte à décharges, l a durée de dépôt
....
Dans notre cas, l e s échantillons ont une forme rectangulaire de dimensions d'environ 3 m m x 7 m .
I I
-
RESULTATS ET DISCUSSIONLes courants de charge e t de décharge des échantillons sont mesurés à l ' a i d e d'un électromètre Keithley 642 ( s e n s i b i l i t é inférieure à 1 0 - " ~ ) p i l o t é par un micro- ordinateur qui permet d'enregistrer toutes l e s valeurs obtenues e t t r a c e r l e s c o u r b e s correspondantes.
Un exemple e s t donné dans l a figure 1 . Pour un champ électrique de l ' o r d r e de
150 KV/cm, l e courant de conduction permanent du PEBD varie de l ' o r d r e de 4,6 x 10-13A à 4,8 x 10-1'2~ dans l a gamme de pression de 1 à 800 bars à 21°C e t d'environ 10-"A à 5 x 10-"A pour des températures a l l a n t de 22OC à 49°C. Cette augmentation de l a conductivité du PEBD avec l a pression pour une température donnée peut ê t r e expliquée par l a présence d'un mécanisme de condiiction d'origine électronique de type Poole- Frenkel dont l a densité de courant peut ê t r e représentée par l'expression suivante /3/ :
K : constante dépendant du matériau. X : distance entre deux s i t e s consécutifs de type Poole-Frenkel. k : constante Boltzmann. T température absolue. a = e /~TE,E, cr : permittivité du matériau. : permittivité du vide. Qo : profondeur de piège. E : champ appliqué.
Un e s s a i de calcul théorique, effectué par exemple en considérant l e s valeurs u t i l i - sées par d'autres chercheurs pour l e PEBD /3/, e t en supposant que l a pression réduit l a distance i n t e r - s i t e , a montré que l e s r é s u l t a t s obtenus sont en bon accord avec l e s mesures expérimentales compte tenu des valeurs approximatives des constan- t e s e t des précisions dans l e s mesures.
Quant aux films minces de Polystyrène d'épaisseur 2000 A, on remarque que l e courant permanent de conduction (figure 2)
,
obtenu à l a température de 20°C, diminue de l a valeur de 2,s x 10-12A à l a pression atmosphérique à 3,3 x 10-' 3~ à 3000 bars. Ces premiers r é s u l t a t s ont permis de penser, en s e basant s u r d'autrestravauxantérieurs /4,5/, q u ' i l s ' a g i t i c i d'un mécanisme de conduction d'origine ionique. En e f f e t , jusqu'à présent on a considéré l ' i o n comme uné charge ponctuelle possédant un volume qui ne l u i permet de se déplacer que s i l'arrangement des moléculeset des fragments de chaînes du voisinage prennent une configuration favorable. Cette notion e s t l i é e , dans l e cas des polymères, à l a notion de volume l i b r e /6/ à p a r t i r duquel on peut donner une expression de l a conductivité ionique sous l a forme :YV; E ; + W / 2 €
Ej : énergie du saut que d o i t effectuer l e porteur. W : énergie de dissociation.
E , k , T ont l e s mêmes significations que précédemment.
Dans ce cas, s i l ' o n admet que l a pression permet de réduire l e volume l i b r e du ma- t é r i a u , on voit que l a conductivité doit diminuer quand l a pression augmente. Ce qui e s t qualitativement v é r i f i é avec nos r é s u l t a t s expérimentaux.
I I I - CONCLUSION
Ces premiers r é s u l t a t s , quoique encore p a r t i e l s , ont permis de conclure que l a pres- sion constitue un puissant paramètre pour déterminer l a nature des porteurs (ions, électrons) dans l e s polymères e t de ce f a i t pouvoir fournir des renseignements pré- cieux sur l ' o r i g i n e possible des phénomènes de claquage dans l e s isolants solides.
REFERENCES
/1/ BU1 AI, DESTRUEL P., EOANG-THE-GIAM and LOCTSSIER R . , Rev. Sci. I n s t , Vol
9,
No 9 (Se~tember 19741.
/ 2 / SEGUI 'Y
.;
Thèse ~ o c t o r a t ès Sciences, Université Paul Sabatier, Toulouse (1 978) /3/ DAS G W A D.K. and BARABAREZ M.K., J. Phys. D , Vol 6 , (1973) 867-871./4/ WILLIAMS M.L., LANDEL R.E. and FERRY J . D . , J. Am. fiem. Soc, (1955) 3701.
/5/ PISTRE J . D . , D M 0 Y . , SMüTEK P., SALARDENNE J., BU1 AI, HOANG-THE-GIAM and DESTRUEL P., Thin Solid Films, 54, L5-L8 (1978).
/6/ MIYAMOTO T . and SHIBAYAMA K. , J F ~ p p l . Phys , Vol - 44, No 12 (December 1973)
.
FIGURE 1 - Variations du courant de conduction du Polyéthylène basse densité en fonction du temps à l a pression de 300 bars pour différentes valeurs de température (1 -> 35°C ; 2 -> 50°C ; 3 -> 57OC). Epaisseur de l ' é c h a n t i l l o n : 100 m.
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FIGURE 2
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Variations du courant de conduction du Polystyrène en fonction du temps à la température de 20°C pour 3 valeurs de pressions (1 -> P ; O2 -7 500 bars ; 3 --A 3000 bars). Epaisseur de 11éthantillo8 2000 A.
