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 4th International Conference on Computer Integrated Manufacturing CIP’2007 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. 03-04 November 2007 -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. 4th International Conference on Computer Integrated Manufacturing CIP’2007 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 03-04 November 2007 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 4th International Conference on Computer Integrated Manufacturing CIP’2007 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] R. Goffaux, R. Coelho, “Considérations sur l’effet Maxwell-Wagner”, Revue Générale de l’Electricité. Vol. 78, pp. 619-624, 1969 R. Coelho, L. Levy, D. 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