Transport de charges dans les alumines polycristallines : application à l'optimisation de la rigidité diélectrique

Charge transport in polycrystalline alumina materials – Application to the optimization of dielectric breakdown strength.

• Auteur / Autrice : Matthieu Touzin
• Direction : Dominique Goeuriot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diélectriques

Amorçage (électricité)

Alumine

Résumé

Le claquage diélectrique constitue une limitation importante dans l'utilisation des matériaux isolants sous haute-tension puisqu'il conduit à la fusion et la sublimation locales du matériau. La microstructure (taille de grains, phase intergranulaire) joue un rôle important sur la capacité du matériau à résister à ce phénomène catastrophique. En effet, les interfaces entre les différentes phases constituent des sites potentiels de piégeage pour les charges. L'optimisation de la rigidité diélectrique d'une alumine polycristalline frittée en phase liquide passe donc nécessairement par le contrôle des paramètres microstructuraux. Ainsi, est montré qu'en maîtrisant les conditions d'élaboration (taux d'ajouts, granulométrie de la poudre et cycle thermique), il est possible de contrôler la densité (par la taille moyenne de grains) mais également la nature (par la cristallisation ou non de l'anorthite) des joints de grains. L'étude de l'influence de ces deux paramètres ainsi que de la température sur les propriétés de transport et de piégeage des charges a été réalisée par les méthodes ICM et SEMME. Les résultats obtenus, interprétés à la lumière de la simulation numérique du comportement d'un isolant soumis à une irradiation électronique, ont permis de mettre en évidence des comportements, et les microstructures correspondantes, favorables à une bonne tenue au claquage diélectrique en fonction de la température considérée. Ainsi, à température ambiante une densité d'interfaces élevée (taille de grains faible et phase intergranulaire cristallisée) permet au matériau de piéger durablement une quantité importante de charges, ce qui conduit à une rigidité diélectrique élevée. En revanche, à plus haute température, la présence de pièges de faible profondeur (phase intergranulaire vitreuse) favorise la diffusion des charges et permet de retarder le claquage.

Dielectric breakdown constitutes an important limitation in the use of insulating materials under high-tension since it leads to the local fusion and the sublimation of material. The microstructure (average grain size, intergranular phase) has a great influence on the ability of material to resist this catastrophic phenomenon. Indeed, the interfaces between the various phases constitute potential sites of trapping for the charges. The optimization of the dielectric strength of a polycrystalline alumina sintered with a liquid phase passes necessarily through the control of the microstructural parameters. Thus, it is shown that by controlling the conditions of process (rate of sintering aids, powder grain size and thermal cycle), it is possible to control the density (by the average grain size) but also the nature (by the crystallization or not of anorthite) of the grain boundaries. The study of the influence of these two parameters as well as temperature on the properties of charge transport and storage was carried out by methods ICM and SEMME. The results, interpreted in the light of the numerical simulation of the charge transport in bulk alumina samples during electron beam irradiation, allowed to highlight behaviors, and the corresponding microstructures, favourable to the dielectric breakdown resistance according to the considered temperature. Thus, at room temperature a high density of interfaces (low grain size and crystallized intergranular phase) makes it possible material to durably trap a great amount of charges, which leads to a high dielectric strength. On the other hand, at higher temperature, the presence of shallow traps (vitreous intergranular phase) supports the charge diffusion and makes it possible to delay breakdown.