Влияние барьерного разряда на электрофизические свойства полиимидных пленок

Основные свойства полиимидных пленок, закономерности изменения их структур, происходящие под действием барьерного разряда. Влияние обработки в барьерном разряде на процессы накопления гомозаряда в пленках. Кратковременная электрическая прочность.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«САНКТПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Влияние барьерного разряда на электрофизические свойства полиимидных пленок

Санкт-Петербург 2008

ВВЕДЕНИЕ

Полиимиды относятся к числу термостойких полимеров, содержащих циклические имидные группы. Большинство из них не растворяются в органических растворителях, устойчивы к действию озона и ионизирующих излучений [1]. Варьирование химической природы фрагментов макромолекул полиимидов позволяет получать широкий набор полимеров, значительно различающихся по структуре и свойствам и которые могут быть использованы в разнообразных электротехнических системах и устройствах [2].

Полиимидные пленки используются в качестве диэлектриков для пазовой и обмоточной изоляции низковольтных электрических машин [3]. Благодаря способности выдерживать кратковременный нагрев до 400?С они применяются для изоляции кабелей и проводов в авиационных конструкциях. Металлизированные полиимидные пленки используются в электронике в качестве основы гибких печатных схем. Многослойные пакеты из полиимидных пленок, покрытых золотом, алюминием или монооксидом кремния, находят применение в качестве наружного защитного покрытия космических аппаратов [4].

К недостаткам полиимидных пленок можно отнести их повышенное влагопоглощение и резкое увеличение их проводимости во влажной среде. Значительный интерес представляет повышение адгезионных свойств этих пленок в связи с их широким применением в составе композиций с другими материалами [5]. Относительно высокая себестоимость полиимидных пленок говорит о необходимости модернизации технологии их производства. Ведутся активные исследования с целью дальнейшего улучшения эксплуатационных свойств этих материалов путем введения различных добавок в структуру молекулы полиимида [6].

Барьерный разряд широко применяется в промышленных технологиях. Он используется для генерации УФ-излучения в эксилампах, нанесения тонких пленок металлов и полупроводников, создания плоских плазменных панелей и дисплеев, стерилизации медицинских инструментов и изделий, в озонаторах, а также для модификации поверхностей различных материалов [7]. Барьерный разряд находит применение при изучении механизма электрического старения полимеров под действием частичных разрядов [8-10].

При обработке полимеров в плазме электрических разрядов под действием бомбардировки заряженными частицами, а также жесткого ультрафиолетового излучения в поверхностных слоях протекают сложные физико-химические процессы, характер влияния которых на электрофизические свойства отдельных полимеров изучен недостаточно. Известны данные о значительном влиянии процессов деструкции, сшивки, окисления, протекающих при плазменной обработке, на структуру и свойства поверхностных слоев [11]. Комплексное влияние этих процессов на свойства конкретного полимера определяет необходимость проведения в каждом отдельном случае экспериментальных исследований, на основании которых можно выбрать и обосновать наиболее эффективный метод обработки поверхности, оптимизировать его технологические режимы.

С учетом этого данная работа посвящена изучению механизма старения полиимидных пленок под действием барьерного разряда, а также изменений их структуры, электретных, механических и адгезионных свойств.

Актуальность работы. Ароматические линейные полиимиды, к числу которых относятся полипиромеллитимиды (ПМ), используются в электротехнике для изготовления изоляции кабелей, конденсаторов, многослойной композиционной изоляции электрических машин и гибких печатных плат. Широкое практическое применение полиимида определяется высокими эксплуатационными характеристиками этого материала, такими как термостаильность, радиационная стойкость, механическая и электрическая прочность и эластичность.

Наличие пор или газовых включений между металлическим электродом и диэлектриком, а также между слоями диэлектрических пленок может приводить к возникновению частичных разрядов (ЧР). Известно, что существенными факторами, определяющими эрозию пленок под действием ЧР, являются бомбардировка их поверхности заряженными частицами из плазмы газового разряда, химическое взаимодействие с продуктами, образующимися в разряде, а также ультрафиолетовое облучение, повышенная температура и т.д. При этом разрушение происходит по механизму радикально-окислительной деструкции. Однако роль отдельных факторов действия разряда для разных полимеров в разных условиях может быть различной. При изучении процессов старения используется ионизационная ячейка, в которой над поверхностью полимера зажигается барьерный разряд, моделируя действие ЧР. Закономерности и механизм электрического старения подробно изучены для целого ряда полимерных материалов, таких как полиэтилентерефталат (ПЭТФ), полиэтилен (ПЭ), политетрафторэтилен (ПТФЭ) и полистирол (ПС). Вместе с тем, информация об особенностях механизма деструкции полиимидных пленок под действием ЧР довольно ограничена.

Существенный интерес представляет модификация поверхности полимерных пленок в газовых разрядах. Изучение действия электрических разрядов в различных газовых средах на полимеры позволяет выявить новые пути обработки этих материалов. В процессе модификации пленок в разряде изменяются их объемные и поверхностные свойства. Однако информация о влиянии барьерного разряда на электрофизические свойства полиимидных пленок практически отсутствует. В связи с этим тема дипломной работы представляется достаточно актуальной.

Цель работы. Уточнение механизма старения и изучение изменений структуры, механических и электретных свойств полиимидных пленок при их обработке в барьерном разряде.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

изучить закономерности изменения структуры полиимидных пленок, происходящие под действием барьерного разряда;

исследовать влияние обработки в барьерном разряде на процессы накопления и релаксации гомозаряда в пленках ПМ;

изучить влияние барьерного разряда на прочностные, деформационные и адгезионные свойства полиимидных пленок;

исследовать изменение кратковременной электрической прочности пленок, подвергавшихся действию разряда.

Научная новизна работы.

Установлено, что разрушение полиимидных пленок под действием барьерного разряда происходит по гидролитическому механизму.

Впервые исследованы процессы релаксации заряда в обработанных в барьерном разряде полиимидных пленках, как в изотермическом, так и в термостимулированном режиме.

Изучено влияние влаги на спектры токов термостимулированной деполяризации (ТСД) и установлена взаимосвязь между величиной их энергии активации и состоянием воды в полимере.

Показано, что обработка полиимидных пленок в барьерном разряде необратимо увеличивает их гигроскопичность на 20 - 25%.

Практическая значимость работы.

Установлено, что адгезионные свойства пленок ПМ к эпокси-каучуковому клею ЭК2 после их модификации в барьерном разряде на воздухе увеличиваются на 30% при оптимальном времени обработки, что необходимо учитывать при изготовлении многослойной композиционной изоляции электрических машин.

Предложено использование обработанных в разряде полиимидных пленок в сенсорных влажностных датчиках с целью повышения их чувствительности.

Результаты дипломной работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров, инженеров и магистров на кафедре «Электрическая изоляция, кабели и конденсаторы» Электромеханического факультета СПбГПУ.

На защиту выносятся:

Исследование закономерностей изменения структуры полиимидных пленок при их модификации в барьерном разряде и определение механизма разрушения пленок.

Систематическое изучение спектров токов ТСД исходных, увлажненных и обработанных в барьерном разряде пленок ПМ, анализ этих спектров и определение значений энергий активации отдельных максимумов.

Исследование изменений механической жесткости и кратковременной электрической прочности полиимидных пленок при старении их в барьерном разряде.

Изучение влияния обработки в разряде на адгезионные свойства пленок ПМ к эпоксикаучуковому клею ЭК2 и выбор оптимального времени воздействия.

Достоверность результатов. Достоверность обеспечивается обоснованным выбором и использованием современных экспериментальных методов измерения электрических, электретных и механических характеристик исследуемых материалов; применением разнообразных методик, позволяющих всесторонне рассмотреть проблему; проведением многократных испытаний, показывающих воспроизводимость результатов и статистической обработкой полученных данных. Сопоставлением полученных результатов с литературными данными и их анализом на основе современных теоретических представлений.

Личный вклад автора состоит в участии в постановке цели и задач исследования; проведении экспериментальных исследований; обработке и анализе полученных результатов. Все результаты, представленные в работе, получены автором лично или при его непосредственном участии. В процессе работы автор пользовался консультациями д.т.н., профессора Цобкалло Е.С.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Полиимидные пленки и их основные свойства

Высокомолекулярные соединени...