WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 12 05;12 Об элементарных актах в кинетике электрического разрушения полимеров © А.И. Слуцкер, Ю.И. Поликарпов, В.Л. Гиляров Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия e-mail: Alexander.Slutsker@mail.ioffe.ru (Поступило в Редакцию 3 апреля 2006 г.) Рассмотрены результаты исследования кинетики электрического разрушения полимера — полиэтилентерефталата — в различных условиях экспериментов. Варьировались толщина пленок; вид, форма и материал электродов; участие частичных разрядов; режим действия электрического поля. Было установлено, что во всех случаях потенциальный барьер элементарных актов процесса, контролирующего кинетику электрического разрушения, имеет практически одинаковую величину: 1.1-1.3 eV. Обсуждается природа контролирующего процесса.

PACS: 62.20.Mk Электрическим разрушением твердого диэлектрика зан целый ряд соображений об электрических процеспринято называть наступление пробоя (образование про- сах, участвующих в подготовке пробоя. Сюда входят водящего канала) в диэлектрическом слое, находящем- инжектирование электронов и дырок из электродов;

ся между проводящими электродами при приложении формирование и эволюция объемных зарядов разных напряжения между ними. Установлено, что пробой в знаков; динамика электронных ловушек; ионизация поэтом случае выступает как событие не критического лимерных молекул; деструкция макроионов и др. [3].

характера, т. е. происходящее при достижении некоторо- Кинетические характеристики этих процессов, каждый го предельного значения напряженности электрического из которых может „по-своему“ участвовать в движении поля (E), а как явление, имеющее кинетическую приро- полимера к пробивному состоянию, очевидно, различду. Кинетический характер электрического разрушения ны. При суперпозиции различных процессов кинетику проявляется прежде всего в том, что пробой данного ди- подготовки полимера к пробою, т. е. темп движения электрика происходит при различных значениях E, но за к пробивному состоянию, будет определять один из различное время ( ) действия E, причем чем меньше E, процессов: наиболее „быстрый“ при параллельном ходе тем больше [1]. Так в физику электрического разруше- процессов или наиболее „медленный“ — при последования вошло понятие „электрической долговечности“ — тельном. Выявление такого контролирующего процесса времени между моментом приложения электрического с его элементарными актами — важная задача физики поля и моментом пробоя. электрического разрушения полимеров.

Наличие электрической долговечности ( ) означает, При экспериментальном изучении кинетики электричто под действием поля в диэлектрике идут процессы, ческого разрушения какого-либо полимера возможно подготавливающие диэлектрик к пробою. Регистрируе- влияние многих факторов: тип электродов (нанесенные, мые значения долговечности в зависимости от E дости- прижимные); форма электродов (плоскость, сфера); хигают больших значений — до 106 s и более [1]. Это сви- мический состав материала электродов; степень шеродетельствует о том, что средняя скорость контролиру- ховатости поверхности электродов; частичные разряды -ющего процесса, пропорциональная, сравнительно (ЧР); толщина полимерной пленки; разные партии полимала. Отсюда следует, что процесс состоит из последо- мерных образцов с вариацией чистоты и структурного вательности неких элементарных актов, время ожидания состояния полимера, режимы исследования кинетики которых и определяет темпы процесса. Элементарные электрического разрушения. Названные факторы должакты приводят к образованию локальных изменений, ны по-разному влиять на различные процессы в поликоторые условно назовем „элементами разрушения“. мерных образцах, находящихся под действием электриНакопление этих элементов за время создает условие ческого напряжения. Тогда и контролирующие кинетику зарождения и развития магистрального пробоя. процессы подготовки полимеров к пробою для разных Тогда исследование элементарных актов подготовки условий могут оказаться различными.

диэлектрика к пробою выступает важной задачей фи- Целью настоящей работы и являлось сопоставление зики электрического разрушения. Экспериментальные характеристик элементарных актов кинетики электричеисследования и анализ кинетики электрического разру- ского разрушения образцов одного и того же полимера шения диэлектриков различного химического состава и при варьировании условий эксперимента.

структуры, в том числе и полимеров, проводились во Получение информации об элементарных актах осномногих работах [1–3]. Относительно полимеров выска- вывается на анализе зависимости „электрической долгоОб элементарных актах в кинетике электрического разрушения полимеров вечности“ ( ) от напряженности постоянного электрического поля (E) и температуры (T ). Для полимеров эта зависимость была найдена в форме [3–5] Q(E) (E, T ) 0 exp, (1) kT при этом зависимость Q(E) близка к линейной Q(E) =Q0 - E. (2) Предэкспоненциальный коэффициент 10-12-10-13 s, т. е. имеет значение порядка периода колебаний атомов в твердых телах, k = = 8.6 · 10-5 eV/K — постоянная Больцмана. Температурная зависимость имеет вид фактора Больцмана, что указывает на термофлуктуационный (термоактивационый) механизм процесса. Если процесс состоит из элементарных актов, каждый из которых является случайным событием, то долговечность логарифмически близка к среднему времени ожидания флуктуации энергии, достаточной для преодоления барьера Q(E) [6].

Поэтому анализ температурно-силовых зависимостей электрической долговечности (E, T ) позволяет определить важнейшую характеристику элементарных актов процесса, контролирующего кинетику электрического разрушения полимеров, — величину начального (исходного) барьера Q0. При этом определяется и характер воздействия электрического поля, снижающего начальный барьер, выражаемый слагаемым E в (2).

Основным объектом были выбраны пленки из полярного полимера полиэтилентерефталата (ПЭТФ). При сопоставлении результатов исследований были привлечены и литературные данные, включены некоторые данные для другого полимера — неполярного — полистироРис. 1. Температурно-силовые зависимости долговечности.

ла (ПС).

Температура: 193 (1); 243 (2); 293 K (3). a — ПЭТФ. Условия Изучение кинетики электрического разрушения проэксперимента — в п. 1 таблицы; b — ПС. Пленки 20 µm.

водилось в двух режимах.

Условия эксперимента такие же, как в п. 1 таблицы для ПЭТФ.

1. Прямые измерения долговечности при различных T, E. В каждом отдельном опыте напряжение на образце поддерживалось постоянным до пробоя. Вариация T = 190-340 K, вариация E =(2-8) · 108 V/m. Диа- Учитывая E(t) = t; Er = tr, зависимость (1) и условие Er /kT > 1, получаем из (3):

пазон измеренных значений долговечности 1-106 s.

Такие измерения проводились на образцах ПЭТФ и ПС.

Q kT 0 kT 2. Измерение пробивной напряженности Er в зависиEr(, T) + ln + ln. (4) kT мости от скорости линейного подъема напряженности dE/dt =.

Таким образом, кинетический характер электричеЗависимость Er() позволяет, так же как и (E, T ), ского разрушения проявляется в определенного вида определять значения Q0 и. Эта возможность основана зависимости Er(, T ). Из (4) следует, что при постона использовании принципа накопления элементов разянной температуре зависимость Er (ln ) должна быть рушения — суммирования парциальных долговечностей, линейной, наклон которой позволяет найти значение.

что выражается интегралом Бейли [7] Линейная экстраполяция Er(ln ) к Er = 0 позволяет tr найти значение Q0:

dt = 1, (3) E(t), T Q0 = -kT ln + ln E =0. (5) r kT где tr — время наступления пробоя.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 54 А.И. Слуцкер, Ю.И. Поликарпов, В.Л. Гиляров Измерения зависимостей Er(, T ) проводились для ПЭТФ при T = 293 K в диапазоне (5-8)108 V/m · s.

Разброс измеряемых значений и Er требовал достаточного статистического набора для определения средних значений. Поэтому каждая точка на представленных графиках — среднее значение из 10-30 измерений.

Пример прямого измерения электрической долговечности в зависимости от E и T для образцов ПЭТФ и ПС приведен на рис. 1. Характеристики образцов и условия измерений указаны в таблице. Для выяснения того, выполняется ли для представленных данных зависимость (1), каждая точка (т. е. каждое значение lg ) на графиках рис. 1 пересчитывалась в соответствии с (1) в значение Q(E) =kT(ln - ln 0); 0 = 10-12 s.

Результаты пересчета показаны на рис. 2. Видно, что точки, относящиеся к различным E и T, хотя и с некоторым разбросом, но достаточно плотно сгруппировались вдоль прямых. Такое группирование означает удовлетво- Рис. 3. Зависимости пробивной напряженности от скорости рительное выполнение зависимости (1) с ее линейной подъема напряженности электрического поля. ПЭТФ. Темпе ратура 293 K. Цифры на графиках отвечают номерам пунктов функцией Q(E) Q0 - E. Тогда из данных рис. = таблицы, в которых указаны условия экспериментов. Данные получаем для ПЭТФ: Q0 1.3eV; 1.8 · 10-28 C · m;

зависимости 2 — из работы [8]. В получении данных 4-для ПС: Q0 1.5eV; 2.0 · 10-28 C · m.

участвовал студент РФФ СПбГПУ А.М. Юрков.

Значения Q0 и для ПЭТФ внесены в таблицу.

В таблицу также внесены значения Q0 и, полученные прямыми измерениями долговечности на других пленках ПЭТФ при других электродах и условиях измерений.

Результаты измерений зависимостей Er (lg ) для различных пленок ПЭТФ и различных условий измерения, что указано в таблице, приведены на рис. 3. Сюда включены и данные [8].

Видно, что измеряемые зависимости Er(lg ) близки к линейным. Это означает их соответствие выражению (4).

Видно также, что эти зависимости экстраполируются при Er = 0 к одному и тому же значению lg Er 1.

Исходя из (5) находим одно „общее“ значение для разных пленок ПЭТФ: Q0 1.1 eV. Наклоны Er(lg ) для разных пленок заметно различаются, что означает в соответствии с (4) разное значение коэффициента = kT( Er/ ln )-1. Полученные значения Q0 и для разных пленок ПЭТФ и условий измерения Er(lg ) внесены в таблицу.

Обсуждение результатов Из приведенных в таблице значений Q0 следует, что величина начального барьера элементарных актов в кинетике электрического разрушения ПЭТФ является практически постоянной (1.1-1.3eV), т. е. независимой от условий экспериментов: толщины и партии пленки;

вида; формы и состава электродов; подавления ЧР или Рис. 2. Силовые зависимости потенциальных барьеров элементарных актов в кинетике электрического разрушения. По- отсутствия защиты от них; режима действия электричелучены из данных на рис. 1. a — ПЭТФ; b —ПС. кого поля.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Об элементарных актах в кинетике электрического разрушения полимеров Характеристики элементарных актов в кинетике электрического разрушения ПЭТФ при различных условиях экспериментов Условия экспериментов Тип измерения Q0, eV, 10-28 C · m /e, nm Пленки 50 µm 1.3 1.8 1.Электроды нанесенные; плоскость–плоскость (E, T ) Защита от ЧР Пленки 30 µm 1.3 1.4 0.Электроды прижимные; плоскость–плоскость (E, T ) Без защиты от ЧР Пленки 3 µm 1.1 1.0 0.Электроды прижимные; сфера–плоскость Er (, T ) Защита от ЧР Пленки 15 µm 1.1 1.2 0.Электроды прижимные; сфера–плоскость Er (, T ) Без защиты от ЧР Пленки 13 µm 1.1 1.4 0.Электроды прижимные; сфера–плоскость E(, T ) Отрицательный электрод — Cu Без защиты от ЧР Пленки 13 µm 1.1 1.3 0.Электроды прижимные; сфера–плоскость Er (, T ) Отрицательный электрод — Pt Без защиты от ЧР Таким образом выявляется один процесс, контролиру- характерными ловушками для электронов в полимеющий кинетику подготовки образцов ПЭТФ к пробою. рах являются промежутки между цепными молекулами Начальный барьер элементарных актов этого процесса („межмолекулярные полости“). Эффективная ширина имеет устойчивое значение Q0 1.1-1.3eV.

таких ловушек, а также и расстояние между ними Отметим, что для другого, причем неполярного, поли- составляют несколько десятых долей nm. Поэтому знамера (ПС) значение Q0 1.5 eV оказывается близким.

чение Q0 может отвечать глубине ловушек или близкой Из ряда названных выше процессов, элементарные величине — барьеру перескока электрона из одной акты которых могут участвовать в подготовке полимера ловушки в другую в направлении электрического поля.

к пробою, выделяется в качестве контролирующего 2. Обратимость процесса подготовки полимера к прокинетику процесс направляемого полем прыжкового бою. Показано, что если выдержать образец в электриче(скачкового) перемещения электронов и дырок, ведущий ском поле (без достижения пробоя), затем действие поля к формированию, эволюции и взаимодействию областей прервать, а потом продолжить электрическое нагружеобъемных зарядов в полимере [3]. Данное заключение ние образца полем того же знака до наступления пробоя, согласуется с такими, например, фактами:

то „вторичная долговечность“ образца уменьшится [9].

1. Уменьшение барьера элементарных актов действиЭтот факт явно свидетельствует о накопительном хаем электрического поля составляет E (2). Изменение рактере процесса подготовки к пробою. Если же после энергии электрода при перемещении его на расстояние l выдержки образца в поле данного знака переключить в локальном поле qE (q — коэффициент концентразнак поля на противоположный и дождаться пробоя, ции напряженности поля) составляет elqE (e —заряд то „вторичная долговечность“ возрастет [9]. Это свиэлектрона). Тогда из баланса энергии получаем = elq, детельствует о способности „элементов разрушения“, откуда /e = lq.

вызываемых действием поля, к регенерированию.

Из таблицы видно: (1-2) · 10-28 c · m, тогда Установлено, что при переключении полярности поля /e = lq 0.6-1.2 nm. Отметим, что и для ПС велипосле выдержки полимера под напряжением регистричина /e имеет близкое значение.

руется резкая вспышка люминесценции [10]. Это свяЛокальная перенапряженность поля, характеризуемая зывается с появлением в полимере при действии поля коэффициентом q, возникает из-за шероховатости электродов, гетерогенности структуры полимеров, перерас- положительных зарядов, рекомбинация которых с электронами при переключении и вызывает люминесценцию.

пределения зарядов в объеме полимера. Значения q Такими положительными зарядами, как предполагается, могут составлять несколько единиц, тогда получаем l несколько долей nm. Такое значение длины „прыж- могут являться ионизированные при действии поля ка“ электрона представляется разумным. Действительно, макромолекулы [10].

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 56 А.И. Слуцкер, Ю.И. Поликарпов, В.Л. Гиляров Регенерационные эффекты, требующие перемещения зарядов для их встречи друг с другом, согласуются с представлением о том, что именно транспорт зарядов может являться процессом, контролирующим кинетику электрического разрушения полимеров.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.