Caracterización del daño eléctrico en geles de silicona

El objetivo principal de esta Tesis es profundizar en el estudio de los mecanismos de ruptura dieléctrica en materiales dieléctricos blandos como lo son los geles de silicona. Estos polímeros son ampliamente utilizados en una gran variedad de aplicaciones eléctricas en telecomunicaciones, electrónica y en la industria automotriz. Combinan las ventajas de las propiedades eléctricas y químicas de las siliconas con las propiedades particulares de los geles. Desde el punto de vista mecánico, las características más relevantes son bajo módulo, capacidad de deformación, amortiguamiento mecánico y adherencia. En los últimos años se desarrollaron aplicaciones en las que se usan geles de silicona (o polímeros ultra-blandos) como material aislante; por ejemplo, en la unión de cables de potencia o el encapsulamiento de circuitos electrónicos de potencia como IGBTs de alto voltaje (Transistor Bipolar de Puerta Aislada), donde el material está expuesto a intensidades de campo eléctrico elevadas. Pese al uso cada vez más frecuente de este tipo de materiales en aplicaciones de aislamiento de media y alta tensión, se requiere un conocimiento aún más exhaustivo de los mecanismos de envejecimiento y propagación del daño eléctrico bajo diversas condiciones. Los geles de silicona presentan propiedades inusuales con características tanto de líquidos como de sólidos. Consisten en una red levemente reticulada de polímero de silicona, que le da al gel su característica elástica, y proporciona interesantes propiedades mecánicas, a la vez que conserva y retiene una fase líquida formada por oligómeros de silicona de bajo peso molecular. Una vez alcanzado el punto de gelificación, estos geles de silicona dejan de fluir (como lo hacían un instante anterior en el estado de aceites), incluso a alta temperatura (hasta 200 °C), y son mucho más blandos que las gomas de silicona. Los geles pueden volver a su forma original después de una gran deformación mecánica y por lo tanto poseen una capacidad de auto-recuperación importante en cuya característica se centra el objetivo de esta Tesis.The main objective of this Thesis is to study in depth the dielectric breakdown mechanisms in soft dielectric materials such as silicone gels. These polymers are widely used in a wide variety of electrical applications in telecommunications, electronics and the automotive industry. They combine the advantages of the electrical and chemical properties of silicones with the particular properties of gels. From the mechanical point of view, the most relevant characteristics are low modulus, deformation capacity, mechanical damping and adhesion. In the last years applications were developed in which silicone gels (or ultra-soft polymers) are used as insulating material; for example, in the connection of power cables or the encapsulation of electronic power circuits as high voltage IGBTs (Bipolar Isolated Gate Transistor), where the material is exposed to high electric field strengths. Despite the increasingly frequent use of this type of material in medium and high voltage insulation applications, an even more exhaustive knowledge of the mechanisms of aging and propagation of electrical damage under various conditions is required. Silicone gels have unusual properties with characteristics of both liquids and solids. They consist of a slightly reticulated network of silicone polymer, which gives the gel its elastic characteristic, and provides interesting mechanical properties, while preserving and retaining a liquid phase formed by low molecular weight silicone oligomers. Once the gel point has been reached, these silicone gels stop flowing (as they did an earlier moment in the oil state), even at high temperature (up to 200 ° C), and are much softer than silicone gums. The gels can return to their original form after a great mechanical deformation and therefore have an important capacity for self-recovery in whose characteristic the objective of this Thesis is focused. On the other hand, in a solid the damage produced by an electric shock is permanent, while in a liquid gaseous cavities are formed that disappear quickly. In a soft gel there is an intermediate behavior that depends on the degree of crosslinking. There are very few data available in the literature on the electrical properties of silicone gels, self-recovery mechanisms and phenomena of load transport and rupture, especially at high voltages.Tesis dirigida por los Dres. Isabel María Irurzun y Lucas Matías Salvatierra.Facultad de Ciencias Exacta

Efectos electroreológicos y de frecuencia en polímeros de silicona sometidos a altos campos eléctricos

En el presente trabajo se muestran resultados preliminares relacionados a un interesante efecto electro-reológico y otros relacionados a la frecuencia del campo eléctrico aplicado sobre muestras de siliconas con distinto grado de entrecruzamiento, utilizadas en la industria eléctrica como aislantes eléctricos de alta tensión y en electrónica de potencia. Para los ensayos electro-reológicos se utilizó un gel de silicona dieléctrico de dos componentes, denominados parte A y parte B, con una relación de mezcla 1:1 tal como es ofrecida por el proveedor. Una vez preparadas las muestras aplicamos una señal de alta tensión, controlada en amplitud y frecuencia, sobre un electrodo con forma de aguja, inserta en una muestra al momento de su preparación o curado. Enfrentada a la punta de la aguja se coloca un electrodo plano puesto a tierra, a una distancia aproximada de 3mm. Con nuestro dispositivo experimental, se registra en forma continua la dinámica del daño mediante una cámara de video de alta resolución y una iluminación desde atrás de la muestra mediante luz de leds blancos y un difusor.Hemos encontrado que durante la aplicación de un campo alterno, la presión electrostática mantenía estirada la estructura de daño y red de entrecruzamiento. Y cuando reducíamos la tensión a cero, los filamentos del árbol eléctrico se encontraban en un estado tensionado y sufrían por lo tanto una retracción en sentido inverso. Llamamos a este proceso electro-strain recovery (ESR), y el ciclo completo de estiramiento y contracción reproducido a través de funciones escalón de estrés, lo hemos llamado electro-creep-recovery (ECR). También, a través del fenómeno de electroluminiscencia pudimos relacionar que esta dependencia de la capacidad de estiramiento de una rama más que otra, y de deformaciones residuales, está relacionada con cuáles son los canales activos durante un determinado momento en  la generación del daño eléctrico a partir de la actividad de descargas parciales.Para los ensayos de frecuencias se prepararon diferentes muestras, algunas con una relación 1:1 y otras  cambiando la proporción de mezclado, diferentes a la sugerida por el fabricante, obteniendo muestras con una relación 1:2 es decir  una matriz con una fase liquida viscosa y otras con una relación 2:1 alcanzando una fase elastomérica con el mayor grado de entrecruzamiento. Durante estos ensayos pudimos observar que la dinámica de crecimiento de los arboles eléctricos difiere sustancialmente al modificar la frecuencia del campo aplicado y a altas frecuencias, además, se encontró una estructura de daño eléctrico que no ha sido reportada en la literatura en estudio. Con estos ensayos, recientemente realizados, lo que nos proponemos es estudiar cómo varía la dinámica de crecimiento de los arboles eléctricos y poder registrar y encontrar, la correlación entre la tensión de inicio en función de la frecuencia aplicada, para muestras con diferentes concentraciones de la parte A; o la dependencia de la geometría fractal con la frecuencia.Facultad de Ciencias Exacta

Efectos electroreológicos y de frecuencia en polímeros de silicona sometidos a altos campos eléctricos

En el presente trabajo se muestran resultados preliminares relacionados a un interesante efecto electro-reológico y otros relacionados a la frecuencia del campo eléctrico aplicado sobre muestras de siliconas con distinto grado de entrecruzamiento, utilizadas en la industria eléctrica como aislantes eléctricos de alta tensión y en electrónica de potencia. Para los ensayos electro-reológicos se utilizó un gel de silicona dieléctrico de dos componentes, denominados parte A y parte B, con una relación de mezcla 1:1 tal como es ofrecida por el proveedor. Una vez preparadas las muestras aplicamos una señal de alta tensión, controlada en amplitud y frecuencia, sobre un electrodo con forma de aguja, inserta en una muestra al momento de su preparación o curado. Enfrentada a la punta de la aguja se coloca un electrodo plano puesto a tierra, a una distancia aproximada de 3mm. Con nuestro dispositivo experimental, se registra en forma continua la dinámica del daño mediante una cámara de video de alta resolución y una iluminación desde atrás de la muestra mediante luz de leds blancos y un difusor.Hemos encontrado que durante la aplicación de un campo alterno, la presión electrostática mantenía estirada la estructura de daño y red de entrecruzamiento. Y cuando reducíamos la tensión a cero, los filamentos del árbol eléctrico se encontraban en un estado tensionado y sufrían por lo tanto una retracción en sentido inverso. Llamamos a este proceso electro-strain recovery (ESR), y el ciclo completo de estiramiento y contracción reproducido a través de funciones escalón de estrés, lo hemos llamado electro-creep-recovery (ECR). También, a través del fenómeno de electroluminiscencia pudimos relacionar que esta dependencia de la capacidad de estiramiento de una rama más que otra, y de deformaciones residuales, está relacionada con cuáles son los canales activos durante un determinado momento en  la generación del daño eléctrico a partir de la actividad de descargas parciales.Para los ensayos de frecuencias se prepararon diferentes muestras, algunas con una relación 1:1 y otras  cambiando la proporción de mezclado, diferentes a la sugerida por el fabricante, obteniendo muestras con una relación 1:2 es decir  una matriz con una fase liquida viscosa y otras con una relación 2:1 alcanzando una fase elastomérica con el mayor grado de entrecruzamiento. Durante estos ensayos pudimos observar que la dinámica de crecimiento de los arboles eléctricos difiere sustancialmente al modificar la frecuencia del campo aplicado y a altas frecuencias, además, se encontró una estructura de daño eléctrico que no ha sido reportada en la literatura en estudio. Con estos ensayos, recientemente realizados, lo que nos proponemos es estudiar cómo varía la dinámica de crecimiento de los arboles eléctricos y poder registrar y encontrar, la correlación entre la tensión de inicio en función de la frecuencia aplicada, para muestras con diferentes concentraciones de la parte A; o la dependencia de la geometría fractal con la frecuencia.Facultad de Ciencias Exacta

Efectos electroreológicos y de frecuencia en polímeros de silicona sometidos a altos campos eléctricos

En el presente trabajo se muestran resultados preliminares relacionados a un interesante efecto electro-reológico y otros relacionados a la frecuencia del campo eléctrico aplicado sobre muestras de siliconas con distinto grado de entrecruzamiento, utilizadas en la industria eléctrica como aislantes eléctricos de alta tensión y en electrónica de potencia. Para los ensayos electro-reológicos se utilizó un gel de silicona dieléctrico de dos componentes, denominados parte A y parte B, con una relación de mezcla 1:1 tal como es ofrecida por el proveedor. Una vez preparadas las muestras aplicamos una señal de alta tensión, controlada en amplitud y frecuencia, sobre un electrodo con forma de aguja, inserta en una muestra al momento de su preparación o curado. Enfrentada a la punta de la aguja se coloca un electrodo plano puesto a tierra, a una distancia aproximada de 3mm. Con nuestro dispositivo experimental, se registra en forma continua la dinámica del daño mediante una cámara de video de alta resolución y una iluminación desde atrás de la muestra mediante luz de leds blancos y un difusor.Hemos encontrado que durante la aplicación de un campo alterno, la presión electrostática mantenía estirada la estructura de daño y red de entrecruzamiento. Y cuando reducíamos la tensión a cero, los filamentos del árbol eléctrico se encontraban en un estado tensionado y sufrían por lo tanto una retracción en sentido inverso. Llamamos a este proceso electro-strain recovery (ESR), y el ciclo completo de estiramiento y contracción reproducido a través de funciones escalón de estrés, lo hemos llamado electro-creep-recovery (ECR). También, a través del fenómeno de electroluminiscencia pudimos relacionar que esta dependencia de la capacidad de estiramiento de una rama más que otra, y de deformaciones residuales, está relacionada con cuáles son los canales activos durante un determinado momento en  la generación del daño eléctrico a partir de la actividad de descargas parciales.Para los ensayos de frecuencias se prepararon diferentes muestras, algunas con una relación 1:1 y otras  cambiando la proporción de mezclado, diferentes a la sugerida por el fabricante, obteniendo muestras con una relación 1:2 es decir  una matriz con una fase liquida viscosa y otras con una relación 2:1 alcanzando una fase elastomérica con el mayor grado de entrecruzamiento. Durante estos ensayos pudimos observar que la dinámica de crecimiento de los arboles eléctricos difiere sustancialmente al modificar la frecuencia del campo aplicado y a altas frecuencias, además, se encontró una estructura de daño eléctrico que no ha sido reportada en la literatura en estudio. Con estos ensayos, recientemente realizados, lo que nos proponemos es estudiar cómo varía la dinámica de crecimiento de los arboles eléctricos y poder registrar y encontrar, la correlación entre la tensión de inicio en función de la frecuencia aplicada, para muestras con diferentes concentraciones de la parte A; o la dependencia de la geometría fractal con la frecuencia.Facultad de Ciencias Exacta

Self-healing during electrical treeing: A feature of the two-phase liquid-solid nature of silicone gels

We report the results of electrical treeing tests carried out on a range of silicone dielectric gel samples made by varying the ratio of the same two components used for cross-linking a commercial silicone gel. These samples range from liquids to elastomers via two-phase gels. The extent of the curing is followed by means of FTIR spectroscopy and the samples are characterized through their dynamical mechanical properties. It is shown that the gel samples exhibit treeing behavior that includes features typical of both liquids and solids. A filamentary structure is produced that has permanence together with attached bubbles that self-heal locally during treeing, although differences in detail were found depending on the degree of curing. Removal of the treeing voltage allows a more substantial self-healing to occur. This behavior is discussed in terms of the two-phase liquid-solid nature of the silicone gels.Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicada

Effect of grain size on the forces governing the dynamics behavior of electrostatically driven powder media

The aim of this paper is to identify the forces that govern the dynamic behavior of polydisperse granular systems under high electric fields in air media. In a previous paper, we reported the changes in the morphology and dynamics of grain structures under a frequency and amplitude variable voltage and summarized them in a diagram [L. M. Salvatierra et al., Chem. Phys. Lett. 481, 194 (2009)]. In the present article, we investigate the influence of the grain size distribution and the speed of voltage increase during tests. We explain the main transitions observed in the diagram in terms of the change in grain size and the frequency-dependent electrical response, related to electrophoretic and dielectrophoretic interactions.Fil: Salvatierra, Lucas Matías. Pontificia Universidad Católica Argentina "Santa María de Los Buenos Aires"; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico La Plata. Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas; ArgentinaFil: Dammig Quiña, Pablo Leandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico La Plata. Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas; ArgentinaFil: Kovalevski, Laura Inés. Consejo Nacional de Invest.cientif.y Tecnicas. Centro Cientifico Tecnol.conicet - la Plata. Instituto de Inv.fisicoquimicas Teoricas y Aplic.; Argentina. Pontificia Universidad Católica Argentina "Santa María de Los Buenos Aires"; ArgentinaFil: Irurzun, Isabel Maria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico La Plata. Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas; ArgentinaFil: Mola, Eduardo Elías. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico La Plata. Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas; Argentina. Pontificia Universidad Católica Argentina "Santa María de Los Buenos Aires"; Argentin