Влияние взрыва проводника электрического кабеля на диэлектрические свойства полимерного изолятора Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ИЗ ОПЫТА РАБОТЫ

Т.Г. Ляшук, Б.Б. Колупаев

ВЛИЯНИЕ ВЗРЫВА ПРОВОДНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНОГО ИЗОЛЯТОРА

Ровенский государственный гуманитарный университет, ул. Остафова, 31, г. Ровно, 33000, Украина, nightqHesttg@ ramhler.rH

Введение

Большинство высокомолекулярных соединений представляют собой диэлектрики, которые широко используются в качестве изоляционных материалов при производстве электрических кабелей [1]. В процессе эксплуатации возможен пробой одного или нескольких проводников, и в результате взрыва часть металла в виде высокодисперсного ингредиента внедряется в слой диэлектрика, изменяя его электрофизические свойства. При этом, в случае ухудшения диэлектрических свойств изолятора, возникает угроза электрического разрушения целостности всего кабеля. Однако влияние высокодисперсного металла в виде наночастиц, внедренных в полимер, на его диэлектрические свойства не исследовано. Цель работы - исследовать влияние высокодисперсного металла, возникающего при взрыве проводника, на электрофизические свойства линейного полимера, используемого в качестве изолятора при изготовлении многожильных электрических кабелей.

Установлено [2], что для разрушения проводника путем его нагревания и испарения, необходимо следующее условие:

2 СУЦ > жг+| Ix л, (1)

где С - емкость аккумулирующего конденсатора; У0 - начальное напряжение на конденсаторной батарее; Шг - энергия, необходимая для испарения проводника; I - сила тока; Я0 - эффективное

сопротивление разрядного контура.

При этом распределение энергии между наиболее вероятным участком повреждения проводника Е1 и сопротивлением внешней цепи Яе имеет вид [3]:

1 2

2 СГ02 = Е + ReS, (2)

где S - величина, отражающая распределение энергии во внешней цепи.

Следовательно, величина запасенной энергии в цепи зависит от ее параметров, величина которых определяет неустойчивость как один из видов нестабильности системы (у). Показано [4], что в случае

t <<у (3)

где í - время испарения проводника, у - временная постоянная неустойчивости, энергия взрыва проводника уже не зависит от его длины. Однако установлено [5], что время до взрыва проводника, линейно зависящее от его поперечного сечения, и состояние границы раздела диэлектрик - металл определяется характеристиками изолятора:

( 2Е У2 с

'=^зр/ (4)

пРо Г4 у

где г0 - начальный радиус проводника; рg и р 0 - плотности соответственно окружающей среды и

проводника, Е - энергия единицы длины цилиндрического проводника; - относительное увеличение его радиуса.

© Ляшук Т.Г., Колупаев Б.Б., Электронная обработка материалов, 2010, № 4, С. 90-96.

Исследования [6] показали, что взрыв проводника многостадиен, на одной из стадий происходит его разрушение с образованием наночастиц металла. В результате нелинейных эффектов, которые сопровождают такое разрушение твердого тела, наночастицы металла внедряются в слой диэлектрика, находящийся между последующими проводниками, изменяя его электрофизические свойства. При этом исходный полимер, выступающий в роли изолятора, преобразуется в полимерный композиционный материал (ПКМ) с новыми диэлектрическими свойствами. В качестве наполнителя исходного полимера выступают наночастицы металла, размер которых составляет величину [7]:

..............(5)

0 ^¡2шк

г1'2 = се4/2

где к, к - постоянные Больцмана и Планка соответственно, ш - масса электрона, еэ - характеристическая (дебаевская) температура.

Установлено [8], что диэлектрические свойства ПКМ зависят от типа и содержания ингредиентов в определенной полимерной матрице, их топологии, состояния граничного слоя и других факторов. Так, согласно [9], следует, что

= 8 / Ф / + 8 ш( 1 -Ф /)'

(6)

,1 = ф/ +1-Ф/

8С 8/

„ = РФ/ Р(1-Ф/)

Ьа ~ & / Ьш 5

(7)

(8)

1 -Ф/ =

8 - 8

ш с

(

8 / 8 ш V "с У

(9)

8 = 8

с ш

8 г + 28ш + 2у г ( 8 г - 8ш ) /_ш_/ У / ш )

8 г + 28 ш -V г (8 г - 8 ш )

/ ш / \ / ш )

(10)

+ 28ш + 2( 1 - Р) ( 8/ - 8ш )

8 г + 28ш - Р (8 г - 8ш )

/ ш \ } ш)

^/Рс 8/'

(11)

8 с = 8 „

1 а2 п + апр (

1 - Ры (1 + Р

\

а

а

8 = 8 V0 + 80V0,

с ш ш / / '

(12) (13)

где 8с,8/,8ш - диэлектрическая проницаемость системы, наполнителя и матрицы соответственно, Ф/ - объемное содержание наполнителя, Р - вероятность образования проводящего канала,

6v

/1х

п8

8 / 2

, р = , 8/ф/ = 8//ф/) + 8/2(ф/) , ь/2

/1

8 - 8 /

ш

3ф /3

'бпр/ (1 - ц2)

8 0

с/ - комплексная диэ-

Е

0 0

лектрическая проницаемость наночастиц наполнителя, Ф/,Фш - эквивалентное и соответственно объемное содержание наполнителя, 8/1 - диэлектрическая проницаемость наночастиц наполнителя,

8

а =

е/2 - диэлектрическая проницаемость контактных поверхностей наночастиц, Е - модуль упругости

материала наполнителя, ц - коэффициент Пуассона, р ^ - давление между частицами.

В случае металлонаполненных полимерных систем для расчета величины ес также широко используют соотношения [10]:

е = е + 3v , е , (14)

с т / т' у1^/

„ _ е т

(15)

(1 -V )3'

е _ е т

Ьс

1 - 3У,

(16)

Особый интерес представляют ПКМ, имеющие критическое ( Ф кр / содержание наполнителя, при котором весь полимер в объеме переходит в состояние граничного слоя. Оценим величину фкр исходя из соотношения между радиусом инерции макромолекулярного клубка (К^ и диаметром частицы наполнителя й [11]:

Г лУз

й

Фп

Кфкр J

1 (17)

где Фт - предельное содержание дисперсной фазы в системе (0,63 при статистической упаковке равновеликих сфер).

При фт > фкр в ПКМ должны наблюдаться существенные изменения свойств, поскольку наступает упорядочение системы частиц наполнителя внутренним полем полимерной матрицы.

Используя полученные соотношения, проанализируем экспериментальные результаты исследования диэлектрических свойств композита.

Экспериментальная часть

В качестве исходного полимера для проведения исследований был выбран поливинилхлорид (ПВХ) марки ПВХ - С - 63- 59М с М -1,4 • 105 и Тд=354К (Каустик, Башкортостан).

Наночастицы меди вводили в ПВХ с помощью взрыва проводника [12], который закорачивали на батарею конденсаторов емкостью 50 мкФ при напряжении 10 кВ. Преимущественный размер частиц наполнителя, определенный согласно соотношению (5), составляет 13 нм. Содержание наполнителя в ПВХ варьировали в диапазоне (0+0,1 )об.% .

Диэлектрические свойства ПВХ-систем е', е'', tgS исследовали с помощью моста Р 5083 на частоте 100 кГц в температурном интервале (293 393)К при скорости нагрева образца 3 К/мин.

В качестве эталона выбран плавленый кварц (гкв = 3,8; tg5кв = 2-10"4) [9]. Погрешность измерений не превышала 1%.

Результаты и их обсуждение

Результаты, представленные на рис. 1, показывают, что по мере повышения содержания наполнителя величина е' , е' и ПВХ-систем нелинейно изменяется.

Характерной особенностью зависимости е ', при Т _ 293К является наличие ярко вы-

раженного минимума этих величин при ф_ 0,06 об.% наночастиц меди, а также интенсивное возрастание е' в этом диапазоне ингредиента.

Согласно соотношению (17) оценим величину критического содержания наполнителя в

К '

м

ПВХ - системе. Исходя из условия [11], что ^ "'М _ 10 16м2, следует - фкр _ 0,06 об.% . Таким образом

при ф>0,06об.% происходит формирование топологии фазы частиц высокодисперсного металла в полимерной матрице, что находит свое проявление в зависимости 8(tg8) = /(ф)|т .

Рис. 1. Концентрационные зависимости величин диэлектрических характеристик ПКМ (ПВХ + Си) при Т=293К: а - е'(Ф); б - е" (ф); в - tgS(ф)

в

Рис. 2. Температурная зависимость величины е' ПВХ-систем (1 - нагрев, 2 - охлаждение): а -ПВХ; б -ПВХ + Си(0,05 об.%); в -ПВХ + Си(0,08 об.%)

При дальнейшем нагревании-охлаждении (рис. 2) исследуемых систем при (0 <ф< 0, 1) об.% Си площадь петли гистерезиса достигает максимального значения при ф = 0,06 об.% наполнителя. Характерно, что при (0,07 <ф<0,09) об.% Си имеет место инверсия данного свойства с последующим

выравниванием для системы ПВХ +0,1 об.% Си. Это указывает на различную степень участия структурных элементов ПВХ в релаксационных процессах системы. Так, при 290 к < Т < 350 к вклад локальной составляющей в диссипацию энергии, по сравнению с сегментальной подвижностью при 350 к < Т < 380 к, для всех ПВХ-систем незначителен.

а б

Рис. 3. Температурная зависимость величины е' ПВХ-систем (1 - нагрев, 2 - охлаждение): а -ПВХ; б -ПВХ + Си(0,08 об.%)

Повторный нагрев-охлаждение (рис. 3 и таблица) ПКМ значительно уменьшает гистерезис -ные потери энергии электрического поля, что характерно для систем с более равновесной структурой [11].

Диссипация энергии ПКМ при процессе нагрев-охлаждение (1) и повторном процессе нагрев-охлаждение (2)_

Ф„б,% 8' 8" tg5

Е нагр .№1 Е нагр .№2 Е нагр. №1 Е нагр.№2 Е нагр. №1 Е нагр.№2

Е ^охл.№1 Е охл.№2 Е охл.№1 Е охл.№2 Е охл.№1 Е охл.№2

0 0,92 1,11 0,76 0,87 0,83 0,90

0,06 1,36 0,70 0,70 0,83 0,97 0,85

0,07 1,04 1,05 0,71 0,90 0,77 0,91

0,08 0,48 0,89 1,63 0,77 1,82 0,82

0,09 1,53 0,80 0,88 0,68 0,77 0,76

0,10 0,76 1,00 0,74 0,93 0,84 0,93

Сравнение результатов экспериментальной зависимости 8 = /(ф)|т с теоретическими расчетами величин (6 ^ 16) показывает (рис. 4), что они не согласуются между собой во всем диапазоне (0 ^0,1) об.% содержания наполнителя.

Ф,%

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Рис. 4. Концентрационная зависимость диэле- Рис. 5. Концентрационная зависимость диэлек-

ктрической проницаемости ПКМ (ПВХ + Си) тричой проницаемости ПКМ (ПВХ + Си) при

при Т=293К: 1 - эксперимент; 2 - расчет (7); Т=293К: 1 - эксперимент; 2 - интерполяция

3 - расчет (8); 4 - расчет (10), (14), (16); 8(ф) = 4,90ф+3,57,8(ф) = 3,58-3,54ф;8(ф) = 3,58 • ехр(1,26ф) 5 - расчет (13)

Это обусловлено тем, что соотношения (6) - (9) учитывают двухкомпонентную модель; в (10) - допускают, что сферические частицы наполнителя окружены полимером, но между компонентами отсутствует взаимодействие. В то же время при получении соотношения (11) предполагают наличие проводящих каналов с вероятностью Р , а в случае (12) - учтена сферическая форма частиц наполнителя. В соотношении (13) рассмотрен композит, когда наночастицы наполнителя контактируют между собой, и учтен вклад диэлектрической проницаемости наполнителя, а также наличие контактной поверхности наполнителя и технология получения образцов.

Так, величины в согласно расчетным формулам (7), (8), (10), (14), (16) в области концентраций (0 + 0,03) об.% Си (рис. 4, кривые 2, 3, 4) удовлетворительно согласуются с данными эксперимента. В то же время расчет величины в ПВХ-систем, выполненный согласно соотношению (13), показал хорошее согласование с результатами эксперимента в области концентраций (0,07 + 0,09) об.% наполнителя (рис. 4, кривая 5).

Неудовлетворительное согласование результатов эксперимента с расчетными значениями е _ /(ф)т в области (0,03 ^ 0, 07) об.% Си и при ф> 0,09 об.% наполнителя, видимо, обусловлено

значительными структурными изменениями ПКМ, а также действием высокоэнергической составляющей процесса взрыва проводника [3].

Действительно, следуя [9], воспользуемся формулой Фрелиха для энтропии:

^ _ Я0 + ^, (18)

0 йТ

где Ж - диссипация энергии электрического поля, величина которой пропорциональна е" . Поскольку йЖ/йТ меняет знак в случае нагрева-охлаждения ПВХ-систем при ф > 0,08 об.% Си, следовательно, при Т > 360к для таких композитов при следующем их охлаждении имеет место переход типа беспорядок-порядок. Расчет методом Симпсона показал, что экспериментальную зависимость

1(ф)т можно представить полиномом вида е(Ф) а<>Ф _ 3,64 0,75ф + 59,71Ф или

путем ком-

пьютерной интерполяции, с помощью которой можно рассчитывать диэлектрические свойства композита в диапазоне (0 + 0, 1) об.% содержания наполнителя (рис. 5).

Заключение

Получены убедительные доказательства того, что при электрическом взрыве проводника происходят необратимые изменения электрофизических свойств полимерного изолятора. При этом по мере увеличения содержания ультрадисперсного порошка меди в ПВХ в процессе его неоднократного „охлаждения-нагревания" наблюдается инверсионное изменение величины энтропии системы, указывающее на структурный переход беспорядок-порядок. Это достигается за счет локальной (при 290К < Т < 350К) и сегментальной (Т > 350К) подвижности структурных элементов аморфного полимера.

ЛИТЕРАТУРА

1. Канель Г.И., Фортов В.Е., Разоренов С.В. Ударные волны в физике конденсированного состояния // УФН. 2007. Т. 177. № 8. С. 809-830.

2. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Академия, 2005.

3. Орешкин В.И. Перегревные неустойчивости при электрическом взрыве проводников // Письма в журнах технической физики. 2009. Т. 25. Вып. 1. С. 76-82.

4. Яворский Н.А. Электрический взрыв проводников - метод получения ультрадисперсных порошков: Автореф. дисс... канд. техн. наук: 05.14.12 / Томский политехнический институт им. С.М. Кирова. Томск, 1982. 24 с.

5. Тесакова М.В., Парфенюк В.И., Годлевский В.А. Влияние добавок ультрадисперсных (наноразмер-ных) медьсодержащих порошков на трибологические свойства промышленных смазок // Электронная обработка материалов. 2008. № 6. С. 56-62.

6. Кускова Н.И., Бакларь В.Ю., Гордиенко В.И., Хайнацкий С.А. О получении ультрадисперсных порошков металлов при электрическом взрыве проводников в жидкости. Часть I. Особенности взрыва проводников в жидкости // Электронная обработка материалов. 2008. № 1. С. 44-50.

7. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2005.

8. Лущейкин Г.А. Моделирование свойств полимеров по их химическому составу. Моделирование электрических свойств // Пластические массы. 2008. № 4. С. 45-51.

9. СажинБ.И. Электрические свойства полимеров. Третье изд. Л.: Химия. 1986. 224 с.

10. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия, 2000.

11. Френкель С.Я., Цыгельный И.М., Колупаев Б.С. Молекулярная кибернетика. Львов, Свит. 1990. 186 с.

12. Котов Ю.А., Яворский Н.А. Исследование частиц, образующихся при электрическом взрыве проводников // Физика и химия обработки материалов. 1978. № 4. С. 24-29.

Поступила 24.03.10

Summary

A process of electric explosion of a conductor as a part of an electric cable is investigated. It is established that electrophysical properties polymeric dielectric nonlinear depend on the maintenance of ultradisperse metal filler. In the course of numerous heating - coolings of the insulator a streamlining of structure of a polymeric composite takes place.