Приведены результаты экспериментальных исследований электрической прочности пленки полипропилена толщиной 2 µm при импульсном нагружении образцов в субмикросекундном и микросекундном диапазонах времен. Показано, что экспериментальные данные импульсного пробоя полимерной пленки можно описать, используя представления об ионизационном механизме пробоя полимеров, не связанном с развитием в них ударной ионизации молекул. DOI: 10.21883/JTF.2017.02.44133.1907 ВведениеИзучение импульсной электрической прочности по-лимерных пленок представляет большой научный и практический интерес. Такие пленки используются в различных электротехнических устройствах в качестве изоляционных и диэлектрических слоев. В частности, они применяются в импульсных высоковольтных конден-саторах, что позволило существенно повысить рабочие характеристики этих устройств. Стремление к миниа-тюризации обусловливает необходимость использования в конденсаторах тонких полимерных пленок, толщины которых не превышают нескольких микрометров. В про-цессе эксплуатации конденсаторов пленки подвергают-ся воздействию электрических полей, напряженность которых может превышать 2−3 MV/cm. Ясно, что в столь сильных электрических полях проблемы электри-ческой прочности пленок приобретают первостепенное значение.Вопросы импульсной электрической прочности раз-личных полимерных пленок обсуждались в ряде работ. Электрические испытания проводились с использовани-ем высоковольтных импульсов различной амплитуды, формы и длительности. Это либо короткие импульсы длительностью не более 10 −7 s и протяженностью фрон-тов ∼ 1 ns [1-3], либо импульсы микросекундной (и бо-лее) длительности с существенно меньшей крутизной переднего фронта [4][5][6]. Установлено, что электрический пробой пленки происходит как на переднем фронте [4], так и на плато высоковольтных импульсов [1]. Причина наблюдаемого смещения момента пробоя с фронта на плато импульса напряжения в литературе не обсуждает-ся. В ряде работ по импульсной электрической проч-ности полимеров отмечается уменьшение пробивной напряженности на импульсах по сравнению с величиной пробивной напряженности при медленно (100−1000 V/s) возрастающем напряжении [5,7,8].Целью настоящей работы было выяснение законо-мерностей импульсного электрического пробоя пленки полипропилена (ПП) и обсуждение возможных причин его развития (механизма электрического разрушения) в субмикросекундном диапазоне времен. Используя вы-сокоскоростные методы регистрации с высоким вре-менным разрешением, предполагалось выяснить условия возникновения пробоя на фронте и плато импульса. Методика экспериментаОбъектом исследования служила двуосноориениро-ванная пленка ПП толщиной 2 µm, которая закреплялась в специальной оправке между двумя стальными элек-тродами и помещалась в конденсаторное масло. Один из электродов (плоский) находился под потенциалом земли. На второй (сферический электрод диаметром 2 mm) подавался высоковольтный импульс отрицатель-ной полярности. Осциллограмма импульса представлена на рис. 1. Используемый в работе генератор позволял формировать импуль...

Исследовано влияние крутизны переднего фронта высоковольтного импульса на электрическую прочность пленки полиэтилентерефталата толщиной 3 µm. Установлено, что ее пробивная напряженность логарифмически возрастает с 550 до 700 MV/m при увеличении скорости нарастания напряжения (крутизны фронта импульса) c 2 до 70 GV/s. Показано, что полученные экспериментальные данные можно описать, используя представление об ионизационном механизме пробоя полимеров, не связанном с развитием в них ударной ионизации и учитывая уменьшение коэффициента электрических перенапряжений в полимерном диэлектрике при увеличении крутизны фронта импульса.

An explanation of the difference in the electrical properties of polymers in the DC and AC electric fields is proposed. Energy release during recombination of electrons and holes injected into a polymer dielectric is considered as a factor accelerating the processes of electric aging of these dielectrics in an AC field. It is shown that nonradiative relaxation of electron excited states causes breaks of bonds in macromolecules and formation of free radicals. Due to the lower ionization energy of free radicals (compared to the original molecules), the rate of charge accumulation in the polymer dielectric increases, which leads to a decrease in its durability in an AC field compared to the durability of polymers in a DC field.

An explanation is proposed for the difference in the electrical strength properties of polymers in DC and AC fields. Energy release during recombination of electrons and holes injected into a polymer dielectric is considered as a factor accelerating the process of electrical aging of these dielectrics in AC field. It is shown that the nonradiative relaxation of electronic excited states, which causes bond breaks in macromolecules and the formation of free radicals, leads to the formation of deep electron traps in a polymer dielectric, as a result of which the ionization of macromolecules in the electric field is accelerated due to electron transitions into these traps. In solid-state plasma, a shielding effect occurs, leading to a decrease in the ionization potential of molecules. As a result, the ionization rate of macromolecules increases, i.e. the rate of formation of charge carriers, which leads to a decrease in the electrical life time of the polymer dielectric in AC field compared with the life time of polymers in DC field.

In this article we present the results of time-of-flight mass spectrometry of volatile products formed during the electrical breakdown of polyethylene terephthalate and polypropylene polymer films in high vacuum. During the breakdown of films, all the substance emitted from the breakdown channel is a gas of low-molecular products of destruction of macromolecules. The breakdown mass spectra do not contain lines of carbon molecules, the presence of which could indicate carbonation of the channel. To explain the formation of charge carriers, the ionization mechanism of destruction of macromolecules in an electric field is used without the involvement of impact ionization. The final stage of electrical breakdown (the flow of a high-density conduction current) occurs when the critical concentration of traps and electrons ≈ 10^24 1/m^3 is reached.