Étude de l'évolution de la morphologie et des propriétés électriques du polytétrafluoroéthylène (PTFE) pour des applications aéronautiques en hautes températures (250 - 400 °C)
Institution:
Toulouse 3Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The use of organic electrical insulators for electric cables has many advantages, such as their flexibility, lightness, good dielectric properties, etc. They are widely used in aeronautic domain. In a real operating environment of organic insulators, many factors may decrease their isolation performance over time: oxygen, moisture and salt spray in atmosphere, high temperature, application of operating voltage, machine vibration, radiation phenomena, etc. With technology development and new design of machines more efficient, insulators may undergo more severe stresses, therefore aging and degradation studies of dielectric materials in this context become more and more important. The organic insulators that we have investigated are used in electric insulators for ignition cables of helicopters. This kind of cable is located in hot area near engine, where electric insulators work in a severe environment (high temperature, high electric field, presence of moisture and oxygen, etc. ). For new generations of engine, the maximum operating temperature is much higher (approximately 350 °C), which may cause acceleration of end-of-life of insulator. Our research work particularly focuses on effect of thermal stress on aging and/or degradation of actually used organic insulators. The objective of our research work is study of usage limit, aging and degradation mechanisms of electric insulator, which is performed by physical-chemical, thermal and electrical characterization methods. The end portion of the cable is connected to the plug connector, cable insulator (PTFE) may undergo maximum operating temperature of about 340 °C, which is higher that the melting temperature (327 °C). Therefore we quantified the behaviour of PTFE at temperature higher than the melting point. We have two kinds of sample for characterization: thin films and cables. In order to study aging and degradation process of insulators (PTFE and PI) under conditions close to reality, samples were aged in air at constant temperatures ranging from 250 to 400 °C for durations ranging from several hours to several hundred hours. We have studies thermal stability, degradation kinetics, chemical structure and molecular morphology evolution of insulators by using several technics: TGA, FTIR, DSC. Chemical structure, molecular and surface morphology, dielectric strength evolution as well as partial discharges phenomena between metal sheath and cable insulator were also characterized.
Abstract FR:
L'utilisation des isolants électriques organiques pour les câbles électriques possède de nombreux avantages, telles que leur souplesse, leur légèreté, des bonnes propriétés diélectriques, etc. Ils sont notamment très utilisés dans le domaine aéronautique. Dans un environnement de fonctionnement réel des isolants organiques, nombreux facteurs peuvent diminuer leur performance d'isolation au cours du temps : l'oxygène, l'humidité et le sel dans l'atmosphère, l'élévation de température, l'application d'une tension de service, la vibration des machines, les phénomènes de rayonnement, etc. Avec le développement technologique et la nouvelle conception des machines de plus en plus performantes, les contraintes subies par les isolants peuvent devenir plus sévères. L'étude sur le vieillissement et la dégradation des matériaux diélectriques, dans ce contexte, devient de plus en plus importante. Les isolants organiques que nous avons étudiés sont utilisés comme isolants électriques pour la conception des câbles d'allumage des hélicoptères. Le câble d'allumage se situe dans une zone chaude proche du moteur, où les isolants fonctionnent dans un environnement sévère (haute température, champ électrique élevé, présence d'humidité et d'oxygène, etc. ). Pour les nouvelles générations de moteur, la température maximale de fonctionnement est plus élevée (environ 350 °C), cette contrainte thermique peut provoquer une accélération de la fin de vie de l'isolant et de sa fiabilité. Notre étude est focalisée plus particulièrement sur l'effet de ces contraintes thermiques sur le vieillissement et la dégradation des isolants organiques utilisés. L'objectif de ces travaux de recherche est de connaître les limites d'utilisation, et d'étudier les mécanismes du vieillissement et de la dégradation des isolants électriques, en utilisant des méthodes de caractérisation physico-chimiques, thermiques et électriques. Dans notre cas d'étude, l'extrémité du câble est reliée au connecteur de la bougie, l'isolant du câble (PTFE) peut subir une température d'utilisation maximale d'environ 340 °C, cette température est supérieure à son point de fusion (327 °C). Nous avons donc quantifié le comportement du PTFE avant et après son point de fusion. Deux types d'échantillons ont été caractérisés : des échantillons sous forme de films et sous forme de câbles. Afin d'étudier le vieillissement et la dégradation des isolants (PTFE et PI) dans des conditions proches de la réalité, ces échantillons ont été vieillis sous air à des températures constantes entre 250 et 400 °C pour des durées allant de quelques heures à quelques centaines d'heures. Nous avons ainsi caractérisé la stabilité thermique et les cinétiques de dégradation des isolants en utilisant plusieurs techniques expérimentales : ATG, FTIR, DSC. L'évolution de la structure chimique, de la morphologie moléculaire, de l'état de surface, de la rigidité diélectrique, des décharges partielles entre la gaine métallique et l'isolant du câble a aussi été caractérisée.