Dielectric strength and leakage current : From synthesis to processing optimization
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Abstract EN:
Electro-active polymers (EAPs) such as P(VDF-TrFE-CTFE) was demonstrated to be greatly promising in the field of flexible sensors and actuators. The advantages of using EAPs for smart electrical devices are due to their low cost, elastic properties, low density and ability to be manufactured into various shapes and thicknesses. In earlier years, P(VDF-TrFE-CTFE) terpolymer attracted many researchers due to its relaxor-ferroelectric property that exhibits high electrostriction phenomena. Although their attractiveness, this class of materials still owns two main technological limitations: low breakdown voltage and the high level of leakage current when high voltages are applied. The quadratic dependence of the strain response and mechanical energy density on the applied electric field highlights the relevance of EAP breakdown electric field, while reducing the dielectric losses. The low dielectric strength of P(VDF-TrFE-CTFE) terpolymer turns out to be a main concern for achieving high actuation performances. Moreover, the large of electric field required to attain satisfactory levels of deformation (≥ 40 V/µm, about) inevitably lead to high level of leakage current and thus short life-time. This work demonstrates that it is possible to dramatically increase the electrical breakdown and decrease the dielectric losses by controlling processing parameters of the polymer synthesis and fabrication procedures. Enhancement of intrinsic dielectric strength is obtained by tuning the terpolymer molecular weight and by improving the purity of polymeric dissolution used for fabrication of terpolymer films. The reduction of dielectric losses, and with particular attention at the high-voltage conduction losses (or leakage current) are achieved by the introduction of a novel thermal treatment in the film fabrication process, called electro-thermal annealing.
Abstract FR:
Les polymères électro-actifs (EAP) tels que le P (VDF-TrFE-CTFE) se sont révélés très prometteurs dans le domaine des capteurs et actionneurs flexibles. Les avantages de l'utilisation des PAE pour les appareils électriques intelligents sont dus à leur faible coût, leurs propriétés élastiques, leur faible densité et leur capacité à être fabriqués en différentes formes et épaisseurs. Au cours des années précédentes, le terpolymère P (VDF-TrFE-CTFE) a attiré de nombreux chercheurs en raison de sa propriété ferroélectrique relaxante qui présente des phénomènes d'électrostriction élevés. Malgré leur attractivité, cette classe de matériaux possède encore deux limitations technologiques principales: une faible tension de claquage et le niveau élevé de courant de fuite lorsque des tensions élevées sont appliquées. La dépendance quadratique de la réponse de déformation et de la densité d'énergie mécanique sur le champ électrique appliqué met en évidence la pertinence du champ électrique de claquage EAP, tout en réduisant les pertes diélectriques. La faible rigidité diélectrique du terpolymère P (VDF-TrFE-CTFE) s'avère être une préoccupation majeure pour obtenir des performances d'actionnement élevées. De plus, le grand champ électrique nécessaire pour atteindre des niveaux de déformation satisfaisants (≥ 40 V / µm, environ) conduit inévitablement à un niveau élevé de courant de fuite et donc à une durée de vie courte. Ce travail démontre qu'il est possible d'augmenter considérablement le claquage électrique et de diminuer les pertes diélectriques en contrôlant les paramètres de traitement des procédés de synthèse et de fabrication des polymères. L'amélioration de la rigidité diélectrique intrinsèque est obtenue en ajustant le poids moléculaire du terpolymère et en améliorant la pureté de la dissolution polymère utilisée pour la fabrication de films de terpolymère. La réduction des pertes diélectriques, et avec une attention particulière aux pertes de conduction à haute tension (ou courant de fuite), est obtenue par l'introduction d'un nouveau traitement thermique dans le processus de fabrication du film, appelé recuit électro-thermique.