La méthode de l’onde thermique : une technique non destructive d’étude et de test des matériaux isolants

The thermal step technique : an advanced method for studying the properties and testing the quality of polymers

¹ Advanced Metrology for Electrical Engineering (AM2E), Cap Alpha, Montpellier
² Laboratoire d’Électrotechnique de Montpellier (LEM) ; Université Montpellier II

Résumé

Il est bien connu que les propriétés physiques des matériaux plastiques et composites se détériorent dans le temps. Ce phénomène, appelé vieillissement, est fortement lié aux facteurs extérieurs qui agissent sur les matériaux et au processus de fabrication. Des efforts considérables sont faits afin de comprendre le mécanisme de dégradation des matériaux isolants.

De nombreux travaux ont montré que l’apparition et le développement de charges électriques à l’intérieur des polymères affectent leur propriétés de manière significative. Ces charges, appelées charges d’espace, ont été d’abord observées dans les matériaux plastiques utilisés pour les isolations électriques et donc soumis à des forts champs électriques.

Des études récentes, en particulier celles que nous présentons dans ce travail, ont montré que les charges d’espace sont présentes dans pratiquement tous les plastiques. Il est montré que les charges d’espace peuvent exister dans les matériaux dès leur fabrication, sans que le matériau ait subit des contraintes préalables. L’augmentation de la quantité de charges d’espace semble étroitement liée à la détérioration des propriétés physiques des polymères. Les mesures de charges d’espace peuvent ainsi être considérées comme un test de qualité pour les plastiques.

Ce travail présente une méthode non destructive pour mesurer les charges d’espace : la méthode de l’onde thermique (MOT). Les bases physiques de la méthode et ses applications sont présentées, ainsi que des résultats obtenus sur des polymères et directement sur un composant (câble de transport d’énergie). Les résultats montrent que ses caractéristiques, particulièrement sa sensibilité, font de la MOT un outil précieux pour la caractérisation d’une large variété de matériaux. La MOT peut être associée à d’autres techniques de caractérisation, physiques, chimiques ou physico-chimiques.

Abstract

It is well known that the physical properties of polymer and composites alter with time. This phenomenon-ageing-is strongly related to the external factors acting upon the material and to the manufacturing process. An appropriate process could prevent the premature and undesired charges in the characteristics of the material. For this reason, considerable efforts are made to understand the mechanism of degradation in time.

Past studies have shown that the existence of electrical charges in the bulk of plastic materials can affect their properties significantly. These charges-usually called space charges or space charge-were first observed in polymers used for electrical insulation and therefore submitted to high electric fields.

Some recent studies, particularly those presented in this paper, prove that space charge exists in almost every polymer. It has been shown that space charge can be present within the material from the very manufacturing process, without previous submission to stress. The increase of the amount of space charge seems strongly related to the deterioration of the physical properties of polymers. Space charge measurements can therefore be considered as a test of quality for polymers.

This paper is dedicated to a method for measuring space charge : The Thermal Step Method (TSM). The physical basis of the technique, as well as its applications, are presented. Results obtained on various polymers are presented and discussed. The results show that the features of this technique, particularly its high sensitivity, make it an appropriate tool for the characterisation of a wide variety of materials. The TSM could also be associated with other physical, chemical or physico-chemical techniques.