Depuis une dizaine d'années, une activité de modélisation du transport de charges dans les isolants sous contrainte électrique a été initiée dans l'équipe Diélectriques Solides et Fiabilité (DSF) du LAPLACE. Un modèle, unidimensionnel et bipolaire, capable de décrire les phénomènes de transport, de piégeage et de recombinaison sur la base de résultats expérimentaux a été développé. Il donne déjà de bons résultats sur du polyéthylène basse densité (LDPE), cependant des améliorations restent possibles, notamment afin de pouvoir prédire le comportement de la charge d'espace sous une quelconque contrainte électrique et pour différents matériaux diélectriques, plus particulièrement lorsque ceux-ci sont polaires.
L'objectif principal de ce travail de thèse est de développer ce modèle de transport de charges sur un polymère polaire dans le but d'implémenter la polarisation dans le modèle. Dans ce contexte, le poly(éthylène naphtalène 2,6-dicarboxylate) (PEN) a été choisi comme polymère polaire à étudier.
Dans un premier temps, nous avons caractérisé le comportement électrique du matériau d'étude. Différentes techniques de mesure ont pour cela été utilisées: des mesures thermo-électriques (courants de dépolarisation thermo-stimulés – TSDC), des mesures physico-chimiques (analyse enthalpique différentielle -DSC), des mesures diélectriques (spectroscopie diélectrique) et des mesures de charge d'espace par la méthode électro-acoustique pulsée -PEA. Des mesures couplées de TSDC et DSC ainsi que des mesures de TSDC et PEA ont ainsi permis de montrer l'origine des pics de relaxation observés sur les profils de TSDC. Les deux premiers pics sont dus à des mécanismes polaires, le troisième pic est lié non seulement à de la polarisation mais aussi à des charges d'espace présentes dans le matériau, et observée par mesure PEA. On a pu montrer dans le même temps que la mesure de charge d'espace était capable de mettre en lumière des phénomènes de polarisation.
Les phénomènes de polarisation ont ensuite été pris en compte dans le modèle de transport de charge sur la base des résultats de mesure de spectroscopie diélectrique sur le PEN. Le traitement de ces données expérimentales permettant d'obtenir la permittivité relative du matériau, qui est une variable complexe, en fonction des contraintes expérimentales (température, champ électrique, temps de polarisation) est relativement compliqué, que l'on se place dans le domaine fréquentiel ou temporel. La réponse diélectrique est modélisée à l'aide d'une fonction de Cole-Cole appliquée à chaque relaxation. Ensuite, à l'aide d'une transformée de Fourier inverse du domaine fréquentiel au domaine temporel, elle est introduite dans un modèle de transport de charges qui résout notamment l'équation de Poisson et qui permet d'obtenir des variables macroscopiques comme le courant externe ou la densité nette de charges.
Enfin, les résultats du modèle développé sont validés par des mesures de courant à champ faible (courant de polarisation alterné -APC) à différentes températures. La comparaison entre les courants simulés et mesurés donne une bonne cohérence pour des protocoles expérimentaux où la réponse est essentiellement polaire. Le modèle développé a ensuite été utilisé avec un modèle d'optimisation afin d'obtenir des paramètres permettant une validation du modèle conduction + polarisation à champs plus forts, où la conduction joue un rôle dominant. |
An activity of modeling charge transport in solid organic dielectrics under electrical stress was initiated in the group “Solid Dielectric and Reliability” (DSF) of LAPLACE laboratory ten years ago. A one-dimensional and bipolar model, able to describe transport, trapping and recombination of electronic carriers (electrons and holes) on the basis of experimental results has been developed. This model already gives good results on low density polyethylene (LDPE). However improvements are still possible, especially in order to predict the space charge behavior for different dielectric materials, particularly polar ones, under any electrical stress.
The main purpose of this thesis aims at developing the model of charge transport in a polar polymer, the poly(ethylene-2,6-naphthalene dicarboxylate) (PEN), in order to implement the polarization in this model.
First, the electrical behavior of PEN has been characterized, with different types of measurements: thermo-electric (Thermo-stimulated depolarization current -TSDC), physic-chemical (differential scanning calorimetry -DSC), dielectric (dielectric spectroscopy) and space charge measurements using the pulsed electroacoustic method -PEA. Coupled measurements of TSDC and DSC as well as TSDC and PEA have been performed in order to understand the origin of the TSDC peaks. The first two peaks are directly linked to polarization mechanisms whereas the third peak is also due to space charge present inside the dielectric, and observed using the PEA method. It has also been proved that the PEA method was able to highlight polarization mechanisms.
Polarization phenomena have then been implemented in the charge transport model on the basis of dielectric spectroscopy measurements. The dielectric response has been treated using a Cole-Cole function for each relaxation process, function of the temperature. Then, with the help of an inverse transform Fourier, the time dependent permittivity has been obtained and is then added to a charge transport model, which solves Poisson's equation and provides macroscopic variables such as external current or net charge density.
Finally, simulated currents issued from the transport + polarization model are compared to the measured currents under low field using the Alternate Polarization Current (APC) method. Experimental and simulated currents are in good agreement when the material response is essentially from dipolar origin. The model has then been coupled with an optimization tool in order to find parameters to validate the model at higher electrics fields, where conduction also plays an important role. |