МОСКОВСКИЙ

2. ПРОЦЕССЫ СТАРЕНИЯ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ

2.1. Электрическая прочность диэлектриков

В сильном электрическом поле в связи с электропереносом зарядов в диэлектрике происходят необратимые изменения свойств – электрическое старение и пробой, сопровождающийся разрушением твердых диэлектриков. Пробой наступает при достижении некоторого порогового значения напряженности поля, выше которого электрическая прочность (характеризуемая малым и стационарным током) нарушается. При пробое ток через диэлектрик катастрофически возрастает и сквозь диэлектрик проходит мощный электрический разряд (искра или дуга).

Основным физическим механизмом первой стадии пробоя (при которой теряется электрическая прочность) является ударная ионизация электронами, вследствие которой концентрация носителей заряда резко увеличивается за счет возникновения в диэлектрике электронных лавин. Такая форма пробоя называется электронным пробоем. Этот вид пробой характеризуется малым временем развития предпробойных процессов, причем электрическая прочность диэлектрика мало зависит от температуры, частоты изменения электрического поля и от свойств окружающей диэлектрик среды. Электронная лавина инициирует стример (или «лидер») – плазменный поток, распространяющийся с помощью процессов фотоионизации. При малых толщинах диэлектрика электронный пробой становится многолавинным.

Как правило, основное внимание уделяется исследованию первой стадии пробоя – проводятся расчеты пробивной напряженности диэлектриков и определяется пробивное напряжение конкретных технических конструкций. Именно эти вопросы рассматривались в предыдущей главе.

Теория второй стадии электрического пробоя – разрушения диэлектрика – разработана в меньшей степени, поскольку в этом случае особенно сильно сказываются различия физико-химических свойств тех или иных диэлектриков. Характер второй стадии пробоя зависит также от свойств источника напряжения: если мощность источника велика, то при пробое возникает электрическая дуга, а при малой его мощности пробой завершается искровым разрядом существенно меньшей разрушительной силы. Через небольшое время после разряда газы полностью восстанавливают свою электрическую прочность (правда, мощный разряд может повредить электроды и, нарушив однородность электрического поля, косвенно повлиять на последующие испытания). В жидких диэлектриках электрическая прочность после пробоя также практически полностью восстанавливается, а необратимые химические изменения могут произойти только вследствие многократных повторений искрового пробоя (или в случае длительного дугового пробоя). Лишь в твердых диэлектриках вторая стадия пробоя приводит к необратимым изменениям даже в случае маломощного одиночного разряда: в таком диэлектрике после искрового пробоя остается узкий проплавленный током канал с повышенной проводимостью (электрическая дуга приводит к значительным разрушениям твердого диэлектрика, а для органических материалов – к обугливанию).

Различные физические и физико-химические механизмы, приводящие к развитию в диэлектриках необратимых процессов – старения, пробоя и механического разрушения, – существенно различаются по длительности. В случае, когда потеря электрической прочности происходит из-за быстрых электронных процессов (электронных лавин, освобождения поляронов), необратимые процессы развиваются за время с. При других механизмах диэлектрик выходит из строя за гораздо более длительные временные промежутки. Например, электротепловой пробой развивается за время с, т. е. гораздо медленнее, чем электронный пробой. При этом механизме пробоя количество теплоты, выделяющееся в диэлектрике под воздействием электрического поля за счет электропроводности и диэлектрических потерь, превосходит величину теплоотдачи в окружающую среду. В результате тепловой баланс диэлектрика нарушается, что приводит к потере тепловой устойчивости из-за повышения электропроводности диэлектрика с ростом температуры, перегреву и в конечном итоге – к пробою.

Электрохимические процессы, приводящие к старению перед пробоем, развиваются медленнее, чем тепловые. Например, в жидких диэлектриках под воздействием электрического поля может происходить сегрегация примесей, приводящая к образованию «мостиков» между электродами, а также химическое разложение жидкого диэлектрика с образованием высокомолекулярных соединений и выделением газов. В твердых диэлектриках возможны разнообразные механизмы электролиза, прорастание металлических дендритов сквозь толщу диэлектрика, различные электрохимические процессы на поверхности и в объеме образца (вблизи газовых включений – пор). Такие явления были названы электродеградацией. Они приводят к значительному снижению пробивной напряженности и могут быть квалифицированы как электрохимический пробой. Время, за которое развиваются электрохимические процессы, оценивается в разных случаях интервалом с.

Таким образом, время развития необратимых процессов можно считать одним из важных параметров, который может быть использован для установления различия между возможными механизмами электрического пробоя. На рис. 2.1 приводится пример так называемой вольт-секундной характеристики. Такие зависимости могут быть получены экспериментально по определению пробивного напряжения . На исследуемые образцы подаются пилообразные импульсы напряжения, которые прерываются пробоем диэлектрика. Для получения кратковременных пилообразных импульсов используются высоковольтные генераторы импульсных напряжений.

Рис. 2.1. Зависимость пробивного напряжения  от времени экспозиции  для тонких пленок алунда (70мкм) при К [23]

Ээлектронный пробой при малых временах экспозиции; Тэлектротепловой пробой при средних временах экспозиции; Xэлектрохимический пробой при больших временах экспозиции с выраженным старением;  – измеряется в В, – в с.

Из рис. 2.1 видно, как различаются времена пробоя для электронного, электротеплового и электрохимического механизмов пробоя. Электрическая прочность диэлектриков максимальна в случае электронного пробоя, на порядок ниже для электротеплового пробоя и на два порядка – при электродеградации. В диэлектриках, находящихся в различных агрегатных состояниях, длина свободного пробега ускоряемых электронов различна и это влияет на электрическую прочность. В самом деле, если в газах при нормальных условиях в однородном электрическом поле пробивная напряженность составляет примерно В/м, то в жидкостях в случае электронного пробоя величина напряженности достигает В/м, а в кристаллах – до В/м. Однако кроме пробоя электронным ударом в диэлектриках возможны и другие механизмы электрического пробоя, вследствие чего сравнительные данные о средних пробивных напряженностях диэлектриков (в В/м), находящихся в различных агрегатных состояниях, выглядят следующим образом:

Пробой газов:

в неоднородном поле

в однородном поле

Пробой жидких диэлектриков:

примесный

собственный

Пробой твердых диэлектриков:

электрохимический

электротепловой

электронный

Время, в течение которого развивается и происходит электронный пробой, является небольшим (с). Большой диапазон значений времени пробоя объясняется не только особенностями диэлектриков (газы, жидкости, кристаллы) но и различиями в условиях экспериментов (температура, уровень облучения, толщина образцов, величина перенапряжения). На рис. 2.2 приводится зависимость времени электронного пробоя  от толщины диэлектрика. Такая зависимость типична для диэлектриков самых разных классов – от газов до кристаллов [102]. Видно, что механизмы электронного пробоя в тонких слоях и при большой длине разрядного промежутка существенно различаются. В окрестности некоторой критической длины  время развития пробоя скачком изменяется на два порядка. При больших и малых  характер зависимости  от  отличается. Причина в том, что при малой толщине диэлектрика электронный пробой, как правило, является многолавинным, в то время как при больших  преобладает однолавинный механизм.

Рис. 2.2. Зависимость времени развития электронного пробоя  от толщины диэлектрика

Перед пробоем электрическое поле ускоряет электроны (дырки). Ударная ионизация начинается в том случае, когда электроны (дырки) приобретают за счет поля энергию, которая больше ширины запрещенной зоны кристалла или равна ей. В этом случае они при неупругих взаимодействиях с атомами освобождают вторичные электроны, которые из валентной зоны переходят в зону проводимости. Можно считать, что при акте ионизации вместо одного быстрого (уже ускоренного электрическим полем) электрона в зоне проводимости оказываются два медленных электрона, которые затем ускоряются полем и вновь производят ионизацию, порождая уже четыре электрона, и т. д. В результате образуется лавина из  электронов, где  – число ионизаций.

Напряженность электрического поля, при которой образуются электронные лавины, определяется особенностями электрон-фононного взаимодействия в том или ином кристалле. В самом деле, ускорению электронов в бездефектном кристалле может препятствовать только кристаллическая решетка, поскольку при своем движении электроны рассеиваются на колебаниях решетки – фононах. Известно, что вероятность рассеяния максимальна в случае равенства как импульсов, так и энергий взаимодействующих квазичастиц. Поэтому ускоряемые полем электроны наиболее активно взаимодействуют с продольными оптическими фононами, поляризация которых согласуется с поляризацией электронной волны. Равенство энергий возможно лишь в том случае, когда энергия ускоряемых электронов становится равной , где  – частота продольной оптической моды. При этом происходит максимальная передача энергии от электронов к решетке, т. е. имеет место максимум энергетических потерь электронов, рассеивающихся на фононах.

Таким образом, чем выше частота оптических колебаний кристаллической решетки, тем больше должна быть электрическая прочность диэлектрика. На рис. 2.3 показана зависимость пробивной напряженности от частоты продольных оптических фононов, которая была определена по исследованию ИК-спектров, т. е. в центре зоны Бриллюэна [102]. С учетом дисперсии (зависимости  от волнового числа фонона ) величина  возрастает прямо пропорционально частоте (, где  измеряется в MB, a  – в см-1).

Рис. 2.3. Зависимость электрической прочности щелочно-галоидных кристаллов (ЩГК) от частоты продольных оптических колебаний, определенной на границе зоны Бриллюэна

В сильных полях, возникающих при гигантских импульсах лазерного излучения, происходит оптический пробой прозрачных диэлектриков. Ему способствует самофокусировка лазерного луча в диэлектрике. В большинстве случаев лазерный пробой обусловлен наличием в прозрачных диэлектриках поглощающих дефектов, которые могут иметь различное происхождение (примесное, ростовое, появляющееся при абразивной обработке). В окрестности дефектов образуется ионизационная волна или происходит локальный разогрев, разрушающие диэлектрик.

Вопросы и ответы для самопроверки

Вопрос. Как ведут себя диэлектрики в различных агрегатных состояниях после электрического пробоя?

Ответ. Через небольшое время после разряда газы полностью восстанавливают свою электрическую прочность (правда, мощный разряд может повредить электроды и, нарушив однородность электрического поля, косвенно повлиять на последующие испытания разрядного промежутка). В жидких диэлектриках электрическая прочность после пробоя также практически полностью восстанавливается, а необратимые химические изменения могут произойти только вследствие многократных повторений искрового пробоя (или в случае длительного дугового пробоя). В твердых диэлектриках вторая стадия пробоя приводит к необратимым изменениям даже в случае маломощного одиночного разряда: в таком диэлектрике после искрового пробоя остается узкий проплавленный током канал с повышенной проводимостью (электрическая дуга приводит к значительным разрушениям твердого диэлектрика и для органических материалов – к обугливанию).

Вопрос. Что такое электродеградация и к чему она приводит?

Ответ. Электрохимические процессы, приводящие к старению перед пробоем, развиваются медленно. В жидких диэлектриках под воздействием электрического поля может происходить сегрегация примесей, приводящая к образованию инородных «мостиков» между электродами, а также химическое разложение жидкого диэлектрика с образованием высокомолекулярных соединений и выделением газов. В твердых диэлектриках возможны разнообразные механизмы электролиза, прорастание металлических дендритов сквозь толщу диэлектрика, различные электрохимические процессы на поверхности и в объеме образца (вблизи газовых включений – пор). Такие явления были названы электродеградацией. Они приводят к значительному снижению пробивной напряженности и могут быть квалифицированы как электрохимический пробой. Время, за которое развиваются электрохимические процессы, оценивается в разных случаях интервалом с.

 
К началу страницыСтарениеЭлектродеградация  В системе пользователей: 0 Написать администратору © НИУ МЭИ, 2007-2012