Effects of Thermal Aging on Polymer Thin Film Insulations for Capacitor Applications
Ritamäki, Mikael (2014)
2014
Sähkötekniikan koulutusohjelma
Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta - Faculty of Computing and Electrical Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2014-12-03
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201412011554
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201412011554
Tiivistelmä
Ohutkalvoeristyksiä käytetään kondensaattorisovelluksissa, joissa vaaditaan luotettavuutta, korkeaa energiatiheyttä ja pieniä häviöitä. Itseparanevia metalloituja ohutkalvoeristyksiä käyttäen kondensaattorit saadaan ikääntymään hallitusti. Uudet sovelluskohteet ovat luoneet tarpeen ohutkalvokondensaattoreiden energiatiheyden parantamiselle, mihin voidaan päästä kentänvoimakkuutta tai suhteellista permittiviteettiä nostamalla. Parannusta on haettu uusien materiaalien, kuten nanokomposiittien sekä valmistusprosessin parametrien säädön avulla. Kondensaattoreilta vaaditaan usein luotettavaa yli 30 vuoden elinikää, ja uusien materiaalin ikääntymiskäytös täytyy tuntea ennenaikaisen ikääntymisen varalta. Vaikka lyhytaikaisten ominaisuuksien määrittäminen onkin verraten yksinkertaista, tiedon puute uusien eristemateriaalien ikääntymiskäytöksestä on yksi alan haasteista.
Diplomityön tavoitteena oli laatia kattava kirjallisuusselvitys polymeeriohutkalvoeristysjärjestelmistä ja kokeellisesti vertailla perinteisen BOPP-kalvon ja PP-silika nanokomposiitin ikääntymiskäytöstä lämpörasituksessa. Kappaleisiin 2–4 jakautuva kirjallisuusselvitys käsittelee polymeerien kemiallisia, fyysisiä ja sähköisiä ominaisuuksia, joiden pohjalta siirrytään tarkastelemaan kondensaattorisovelluksissa merkittäviä ikääntymismekanismeja sekä niiden vaikutusten mallintamista. Kokeellisessa osuudessa ohutkalvoja ikäännytettiin 1008 tuntia suojakaasussa ja askeleittain korotetussa 50…110 °C lämpötilassa. Ikääntymistä kartoitettiin läpilyöntikäytöksen muutoksien avulla, uutta MultiBreak-mittausmenetelmää hyödyntäen.
Puhtaassa PP-kalvossa mitattiin 50…70 °C lämpörasituksesta lähtien pääjakaumasta poikkeava defektipopulaatio, mitä kirjallisuusselvityksen pohjalta pidettiin merkkinä paikallisiin epäideaalisuuskohtiin keskittyvästä ikääntymisestä. PP-silikassa vastaavaa kehitystä ei havaittu, mikä nähtiin merkkinä erilaisesta, polymeeri-nanopartikkelien vuorovaikutusalueessa tapahtuvasta ikääntymisestä. Puhtaissa PP-kalvoissa esiintynyt heikkojen pisteiden jakauma katosi 90…100 °C jälkeen, minkä tulkittiin viittaavan erilliseen, vain korkeilla lämpötiloilla toimivaan mekanismiin. Aiheuttajaksi esitettiin rakenteellisia muutoksia tai antioksidanttien kulumista, mutta aihe vaatii lisätutkimusta.
Tutkimustulosten pohjalta esitetään, että puhtaiden PP-ohutkalvojen ikääntymiskäytöstä reaalimaailman sovelluksissa pitää tarkastella enintään 60…65 °C lämpötiloissa, kun taas nanosilika–materiaalien ikääntymistä voidaan kiihdyttää ainakin 110 °C:ssa. Lisäksi hallittu lämpökäsittely ja lämpöön liittyvien prosessointiparametrien säätö pitää nähdä mahdollisina keinoina parantaa nykyisten PP-kalvojen läpilyöntikestoisuutta.
Diplomityön tavoitteena oli laatia kattava kirjallisuusselvitys polymeeriohutkalvoeristysjärjestelmistä ja kokeellisesti vertailla perinteisen BOPP-kalvon ja PP-silika nanokomposiitin ikääntymiskäytöstä lämpörasituksessa. Kappaleisiin 2–4 jakautuva kirjallisuusselvitys käsittelee polymeerien kemiallisia, fyysisiä ja sähköisiä ominaisuuksia, joiden pohjalta siirrytään tarkastelemaan kondensaattorisovelluksissa merkittäviä ikääntymismekanismeja sekä niiden vaikutusten mallintamista. Kokeellisessa osuudessa ohutkalvoja ikäännytettiin 1008 tuntia suojakaasussa ja askeleittain korotetussa 50…110 °C lämpötilassa. Ikääntymistä kartoitettiin läpilyöntikäytöksen muutoksien avulla, uutta MultiBreak-mittausmenetelmää hyödyntäen.
Puhtaassa PP-kalvossa mitattiin 50…70 °C lämpörasituksesta lähtien pääjakaumasta poikkeava defektipopulaatio, mitä kirjallisuusselvityksen pohjalta pidettiin merkkinä paikallisiin epäideaalisuuskohtiin keskittyvästä ikääntymisestä. PP-silikassa vastaavaa kehitystä ei havaittu, mikä nähtiin merkkinä erilaisesta, polymeeri-nanopartikkelien vuorovaikutusalueessa tapahtuvasta ikääntymisestä. Puhtaissa PP-kalvoissa esiintynyt heikkojen pisteiden jakauma katosi 90…100 °C jälkeen, minkä tulkittiin viittaavan erilliseen, vain korkeilla lämpötiloilla toimivaan mekanismiin. Aiheuttajaksi esitettiin rakenteellisia muutoksia tai antioksidanttien kulumista, mutta aihe vaatii lisätutkimusta.
Tutkimustulosten pohjalta esitetään, että puhtaiden PP-ohutkalvojen ikääntymiskäytöstä reaalimaailman sovelluksissa pitää tarkastella enintään 60…65 °C lämpötiloissa, kun taas nanosilika–materiaalien ikääntymistä voidaan kiihdyttää ainakin 110 °C:ssa. Lisäksi hallittu lämpökäsittely ja lämpöön liittyvien prosessointiparametrien säätö pitää nähdä mahdollisina keinoina parantaa nykyisten PP-kalvojen läpilyöntikestoisuutta.