Etude du Déclin de Potentiel d`une Surface Chargée par une

4th International Conference on Computer Integrated Manufacturing CIP’2007
03-04 November 2007
Etude du Déclin de Potentiel d'une Surface Chargée
par une Décharge Electrique de Type Couronne
Mokdad REMADNIA, Mohamed NEMAMCHA, Lazhar HEROUS
Laboratoire de Génie Electrique de Guelma (LGEG) Université de 8 mai 1945 à Guelma B.P 401 - 24000 Guelma, Algérie.
[email protected], [email protected], [email protected]
Résumé–Le travail présenté dans ce papier consiste à étudier,
par des mesures sans contact du potentiel en surface du matériau,
l’écoulement de charges électriques déposées par décharge
couronne en surface du PET pour trois épaisseurs différentes
(0.1mm, 0.5mm, 1mm).
L’influence des paramètres électriques (tension initiale et
épaisseur), sur cet écoulement de charges est analysée.
De plus l’influence de la mouillabilité du PET nous a permis de
montrer l’importance de l’absorption d’eau sur le DPS.
Ce travail nous a permis de mettre en évidence la cohabitation de
deux processus : la conduction de surface et l’injection de charge.
On montre que le déclin de potentiel de surface est fortement
conditionné par le champ électrique et l’épaisseur de
l’échantillon.
I.
INTRODUCTION
Un diélectrique, chargé en surface, présente un potentiel
surfacique local. Au cours du temps, cette valeur du potentiel
décroît et ce fait représente nettement l’aptitude du matériau à
évacuer, par plusieurs mécanismes cette charge déposée.
Le champ appliqué par les charges déposées en surface crée
un phénomène de polarisation dipolaire, par l’orientation des
dipôles déjà existant ou une polarisation interfaciale par la
migration des charges vers les interfaces. Ceci provoque
l’apparition d’une charge en surface, de signe opposée par
phénomène d’influence totale [1]. La charge déposée en
surface peut être neutralisée par les porteurs libres provenant
de l’atmosphère environnante le matériau [2], ou aussi
traverser l’interface et pénétrer dans le volume pour engendrer
un phénomène d’injection [3, 4]. Ce dernier mécanisme dépend
fortement du champ électrique appliqué.
La conduction surfacique est une autre cause du déclin de
potentiel en surface [5], en particulier dans le cas des
polymères vieillis [6]. Dans le cas des films minces, les
phénomènes piézoélectriques peuvent aussi participer à
l’évolution temporelle du potentiel en surface d’un matériau.
La charge déposée exerce une force sur le matériau qui subit
l’effet d’une contrainte mécanique pouvant générer un effet
piézo-électrique. D’autre par, l’effet seul de la pression
électrostatique peut conduire à une relaxation mécanique du
volume du matériau qui peut avoir une influence sur le
potentiel de surface. Pour étudier un matériau diélectrique à
partir de la mesure du déclin de potentiel en surface, il est
primordial d’identifier les phénomènes prédominants.
En effet, dans le cadre de notre étude, on peut négliger la
neutralisation atmosphérique car même si ce phénomène
intervient c’est avec des constantes de temps très élevées et
dans des conditions expérimentales bien déterminées [7, 8].
Le phénomène piézoélectrique et la relaxation mécanique
peuvent être écartées, le premier est absent dans le matériau
étudié et l’autre intervient lors du dépôt de charge, avec une
constante du temps extrêmement faible, ce ci rend difficile la
mise en évidence de sa contribution parmi les mécanismes
intervenant dans le déclin de potentiel en surface [7, 8].
II. MODE EXPERIMENTAL
Le principe de la méthode du déclin de potentiel en surface
(DPS) est de suivre en fonction du temps l’évolution du
potentiel de surface d’un échantillon préalablement chargé par
décharge couronne. La mesure du potentiel en surface de
l’échantillon au cours du temps à partir d’une sonde
électrostatique à condensateur vibrant de type TREK “Fig. 1,”
permet de fournir des informations sur le mode d’écoulement
(surfacique et / ou volumique) des charges déposées et sur la
mobilité de ces charges.
La technique du déclin du potentiel en surface comprend
pour son fonctionnement deux phases, une phase de charge par
décharge couronne, en utilisant une configuration pointe-plan
et l’autre de mesure de potentiel en surface sans avoir aucun
contact avec le matériau. Le dispositif expérimental est
constitué d’un plateau circulaire tournant. Il comporte un
porte-échantillon en cuivre permettant d'assurer un bon contact
entre la face arrière de l’échantillon et la terre. L’ensemble de
dispositif est installé dans une enceinte fermée.
L’échantillon à étudier, se trouve initialement sous le poste
de mesure. Un moteur pas à pas fait tourner le porteéchantillon jusqu’à l’amener au poste de charge, une décharge
couronne se produit pendant 2 s afin de charger le matériau en
surface. L’échantillon revient de nouveau au poste de mesure
(3 s) pour mesurer le potentiel de surface. Les 2 inconvénients
principaux de ce dispositif sont la perte des informations sur
les 3 premières secondes après la décharge couronne et la
difficulté de contrôle de la quantité de charges déposées. Ce
2eme point devant être résolu prochainement par la commande
au potentiel souhaité d’une grille métallique positionnée entre
l’aiguille et la surface de l’échantillon. Actuellement, cette
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Aiguille
Grille
Décharge
couronne
Ions
(II)
Poste de
mesure
Moteur
Carte
d’acquisition
-2400V
-1800V
-1000V
-2000
-1500
-1000
-500
0
0
200
400
600
800
1000
Temps(s)
Fig. 2. Déclin potentiel en fonction de la tension initiale à T=30°C et RH=50%
On observe aussi l’existence d’un croisement des courbes de
déclin ou “cross-over”. Au bout d’une même période de
mesure la déclinaison de l’échantillon le plus chargé -2400V
est plus grande que celle de -1800V et -1000V. Le cross-over
est généralement attribué à une injection de charges dans le
matériau.
B. influence de l’épaisseur
La “Fig. 3,” regroupe l’évolution de DPS pour deux
épaisseurs différentes du matériau : 0.1mm et 1mm.
(I)
Poste de
charge
ENCEINTE FERMEE
Voltmètre
-2500
Source de
H.T
-1000
1mm
0.1mm
-800
Potentiel en surface(V)
Sonde
Nous avons noté une dépendance avec ce paramètre. Les
résultats présentés montrent un déclin très rapide
particulièrement aux premiers instants. Le déclin s’accentue au
fur et a mesure qu’on augmente la tension. De plus le déclin
descend à zéro pour toutes les valeurs de tension.
Potentiel en surface(V)
grille est mise à la masse et a pour rôle de répartir
uniformément les ions sur la surface de l’échantillon.
Dans le cadre de cette étude, nous avons appliqué des
décharges couronnes continues négatives haute tension de
courte durée (environ 2 seconde) de manière à ne pas dégrader
physiquement en surface les échantillons. Des décharges de
-2 KV à -7 KV ont permis de mesurer des potentiels de surface
initiaux de -100V à -2500V respectivement.
Toutes les expériences ont été réalisées à l’air ambiant.
L’humidité relative de l’atmosphère varie entre 50 % et 60 %.
La température de l’échantillon est un paramètre important, sa
valeur est proche de 30°C.
Les échantillons utilisés dans cette étude se présentent sous
forme de plaques de différentes épaisseurs (1mm, 0.5mm,
0.1mm) à face arrière métallisée avec la laque d’argent (contreélectrode).
Afin d’évacuer rapidement les charges superficielles, tout les
échantillons ont été nettoyés et séchés avec un coton imbibé
d’alcool. Le nettoyage doit être soigneux sur les surfaces lisses
des échantillons. Pour chaque expérience nous avons utilisé un
échantillon neuf afin d’éviter q’un mesure influe sur l’autre.
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-600
-400
-200
0
0
1000
2000
3000
4000
Temps(s)
Fig. 1. Dispositif expérimental de mesure du Déclin de Potentiel de Surface
III.
RESULTATS EXPERIMENTAUX
A. Influence de la tension de dépôt V0
Dans cette partie, nous avons essayé de regarder l’effet de la
densité de charges déposées sur le comportement en déclin de
potentiel en surface.
Les mesures sont reportées sur la “Fig. 2,” qui montre
l’évolution temporaire du DPS pour différentes valeurs du
potentiel de dépôt à une température de 30°C et un taux
d’humidité relative de 50%.
Fig. 3. Evolution de déclin de potentiel en surface en fonction de l’épaisseur à
T=30°C et RH=50%
On observe, durant les premiers instants une déclinaison très
importante de l’échantillon mince (0.1mm). Au bout d’une
heure, la charge est presque totalement disparue de la surface
de l’échantillon. Pour l’échantillon épais (1mm), la déclinaison
est moins importante.
C. Influence de la mouillabilité
Pour qu’on vérifie l’influence de l’absorption d’eau sur le
DPS, nous avons trempé des échantillons de PET pendant 90
jours dans l’eau, nous avons ensuite laissé ces échantillons
séchés à l’air ambiant pendant 24 heurs.
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Les résultats présentés sur la “Fig. 4,” qui regroupe le DPS
d’un échantillon neuf et un autre trempé dans l’eau, montrent
une importante influence de la mouillabilité sur le déclin de
potentiel de surface.
En effet, le déclin de l’échantillon trempé dans l’eau est plus
rapide particulièrement aux premiers instants.
-1000
un échantillon neuf
un échantillon mouillé
Potentiel en surface(V)
-800
-600
-400
-200
0
0
100
200
300
400
500
Temps(s)
Fig. 4. Déclin de potentiel sur un échantillon trempé dans l’eau pendant 90
jours à T = 30°C et RH = 55%
IV. DISCUSSION
L’étude expérimentale nous a permis de mettre en évidence
la dépendance du déclin de potentiel en surface en fonction de
différentes grandeurs (tension de dépôt initiale V0, épaisseur) et
l’influence de l’absorption d’eau sur l’écoulement de charges.
Nous discutons ci-après les résultats obtenus et nous essayons
de répondre à la question de la nature du phénomène de
transport de charges dans les matériaux isolants et identifier les
composantes fondamentales de la réponse diélectrique du
matériau comme la conduction, la relaxation dipolaire ou
l’injection de charge.
Nous avons d’abord noté l’apparition d’un phénomène très
important, c’est ce lui de croisement des courbes qu’on appel
cross-over. Ce phénomène a été observé dans plusieurs travaux
[4, 8, 9] pour différents matériaux isolants. Il a conduit la
quasi-totalité des auteurs à supposer une injection de la charge
déposée sur la surface de matériau.
Dans nos mesures, nous avons considéré l’absence des
phénomènes piézoélectrique qui peuvent avoir une influence
sur le potentiel de la surface. L’effet de la pression
électrostatique et de la relaxation mécanique du volume est
supposé être rapides, on peut considérer que la relaxation
mécanique du volume a lieu pendant la charge de l’échantillon
et qu’elle est donc intégrée dans la composante rapide de
ε (t ) . Par ailleurs, la stabilité de la charge déposée, permet de
négliger la neutralisation par le gaz dans nos mesures.
L’allure des caractéristiques obtenues peut être approchée
par une simple loi exponentielle. Ceci suggère donc la
supposition d’une conduction surfacique ou une conduction
volumique. La conduction de surface est généralement liée aux
polymères vieillis par des UV ou par décharges couronnes, ou
par la présence d’eau sur leur surface. En effet, la présence de
molécule d’eau diminue la résistivité superficielle des
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polymères. La dégradation des matériaux isolant entraîne la
fixation d’humidité en surface. Selon Molinie [10] la
conductivité de surface est proportionnelle à la quantité d’eau
présente sur la surface.
Selon Sawa [11], l’allure de la caractéristique courant / tension
dépend de l’état de l’eau sur la surface. Si l’eau dans une
couche primaire est à l’état gazeux la caractéristique est
linéaire, si elle est à l’état liquide, elle aura une allure plutôt
exponentielle.
L’augmentation de la conductivité de surface serait donc un
indicateur de la présence d’une couche vieillie, oxydée et
hydratée. Cette couche serait très superficielle.
Le fait que nos échantillons ne sont ni vieillis par des UV ou
décharge couronne, ni oxydé suppose donc que la conduction
de surface ne peut expliquer le déclin observé dans nos
caractéristiques par conséquent, l’allure exponentielle est loin
d’être une affirmation d’une conduction de surface.
L’évolution temporelle du déclin de potentiel en fonction de
la tension a montré une décroissance assez significative
particulièrement au début du déclin. Ce comportement nous
fait donc supposer qu’on devrait expliquer ce déclin par une
injection totale de la charge déposée sur la surface de l’isolant
sous l’effet du champ électrique crée par ces charges ellemême. Une fois les charges injectées, elles sont soumises au
champ local qui les entraînera vers la face arrière.
Le fait que le mécanisme d’évolution de déclin n’est pas le
même lorsque la tension augmente signifie probablement
l’existence d’un effet du champ qui a notre avis joue un rôle
important dans le processus de déclin.
L’influence de l’épaisseur est également un autre moyen
d’identifier la nature de l’écoulement de charges déposées sur
la surface du PET par la décharge couronne. Dans le cas de la
conduction volumique, l’épaisseur de l’échantillon n’avait pas
d’influence sur le DPS [12]. D’autre part l’influence de
l’épaisseur sur le déclin ne peut s’expliquer que par l’injection
de la charge dans le volume du matériau.
On peut expliquer dans nos courbes que plus l’échantillon est
épais, plus le champ électrique est faible, donc plus la vitesse
de l’injection de charge dans l’isolant est faible et un temps de
rétention des charges dans le matériau plus long. Ce temps est
généralement assimilé au temps de transit des charges à travers
le volume de l’isolant. Ceci ne fait donc que renforcer
l’hypothèse d’une injection de charge comme phénomène
prépondérant du déclin de potentiel de surface dans le PET.
Les polymères sont connues possèdes des pièges pour les
charges électriques qui peuvent exister à partir de défaut dans
la structure des polymères. Il est aussi un vraisemblable que le
PET soit dépourvu de pièges, la présence d’atomes étrangers
(impuretés) ou défauts ponctuels provoque l’apparition
d’énergie permise dans la bande interdite et peuvent
correspondre à des centres de piégeage ou de recombinaison.
Toutes ces irrégularités conduisent à l’existence des états
localisés ou pièges par les porteurs de charges. La mobilité
augmente dans des zones de haute densité des pièges. Ils
peuvent alors franchir la bande interdite en utilisant les niveaux
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comme une échelle s’ils acquirent une énergie suffisante pour
passer d’un piège à un autre. Les temps que les porteurs de
charges restent dans les pièges dépendent de la profondeur du
piège.
Les essais sur la mouillabilité du PET, nous pousse a poser
la question suivante : en atmosphère humide, tout polymère
absorbe-t-il une certaine quantité d’eau qui peut jouer un rôle
dans ses propriétés ?
Les résultats que nous avons obtenus confirment cet état.
C’est souvent en surface que l’humidité perturbe les propriétés
électriques des isolants. La conduction peut être prédominante
lorsque l’humidité augmente, de même Jestin [13] a observé
une conduction surfacique de nature exponentielle sur le
l’époxy, mais la surface de l’échantillon a été initialement
vieillie par la décharge couronne.
Dans notre cas, nous pensons que le PET a absorbé une
certaine quantité d’eau qui a permis l’accélération du processus
de déclin de potentiel, sans pour autant négliger une
conduction surfacique par la présence d’eau sur la surface de
l’isolant. En d’autres termes on peut supposer plusieurs
mécanismes gouvernants le DPS avec probablement
d’injection comme phénomène prédominant.
V. CONCLUSION
La dépendance temporelle de potentiel de surface après
dépôt de charges sur la surface du polyéthylène téréphtalate a
montré que le DPS dépend fortement de la densité de charges
déposées, l’épaisseur de l’échantillon et de l’absorption de
l’eau.
Nous avons mis en évidence pour le PET la prédominance
d’un mécanisme d’injection de charges dans le volume du
matériau.
Il est fort probable que le mécanisme de conduction de
surface coexiste avec le mécanisme d’injection lorsque
l’échantillon a été trempé dans l’eau.
L’étude de DPS en fonction de l’épaisseur nous a permis de
confirmer que le mécanisme d’injection de charges dans le
volume du matériau nous semble l’hypothèse la plus probable
pour expliquer la cinétique des charges.
REFERENCES
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
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[10]
[11]
[12]
[13]
03-04 November 2007
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