Διηλεκτρικά υλικά και περιβάλλον

Abstract

This work studies the properties of gaseous and solid dielectric materials used in electronic and electric power applications and their interaction with the environment. In the first part we describe the interaction of the dielectric gas sulphur hexafluoride (SF₆) with the construction metals copper, aluminum and their alloys, under high temperature conditions. Such material combinations are found in industrial apparatus (Gas Insulated Switchgear (GIS), Gas Insulated Trasmission Lines, Gas Insulated Transformers) located in electric power substations. We investigate the ageing mechanisms or the gas by recording the formation of gaseous and solid byproducts. In the second part several solid crystalline ionic dielectrics in powder form are investigated, namely oxides (TiO₂, AI₂O₃, Sm₂O₃) and carbonates (CaCO₃, Li₂CO₃). Solid samples are formed from mixtures of different ratios and are subjected to thermal treatment, which leads to physical and chemical alterations, most notably ceramics formation. Dielectric spectroscopy (in frequency domain) results are given for the samples, relating the dielectric measurements to the sample composition and morphology (particle size, packing density), the degree of thermal treatment and the environmental conditions (temperature, relative humidity). For certain conditions, high-K and low-loss materials are produced, which may be exploited in the telecommunications or microelectronics industry.

Στην εργασία αυτή μελετώνται οι ιδιότητες αερίων και στερεών διηλεκτρικών υλικών που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές, τηλεπικοινωνιακές και ενεργειακές εφαρμογές και ο τρόπος που αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον. Στο πρώτο μέρος μελετάται η αλληλεπίδραση υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας του αερίου διηλεκτρικού εξαφθοριούχου θείου (SF₆) με τα κατασκευαστικά μέταλλα χαλκό (Cu), αλουμίνιο (Al) και κράματά τους. Συνδυασμοί αυτών των υλικών απαντώνται σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις ισχύος (διακόπτες, γραμμές μεταφοράς και μετασχηματιστές) στο εσωτερικό υποσταθμών με αέρια μόνωση (GIS). Διερευνώνται οι μηχανισμοί γήρανσης του αερίου υπό τις συνθήκες αυτές και καταγράφονται τα παραγόμενα αέρια και στερεά παραπροϊόντα στο περιβάλλον εργασίας. Στο δεύτερο μέρος μελετώνται ορισμένα στερεά ιοντικά διηλεκτρικά υλικά: οξείδια (TiO₂, AI₂O₃, Sm₂O₃) και ανθρακικά άλατα (CaCO₃, Li₂CO₃). Τα υλικά αυτά χρησιμοποιούνται σε μορφή κονίας σχηματίζοντας μείγματα ποικίλης σύστασης, τα οποία στη συνέχεια μορφοποιούνται σε στερεά δείγματα και υποβάλλονται σε θερμική κατεργασία που οδηγεί σε φυσικοχημικές μεταβολές, καθώς σχηματίζονται κεραμικά υλικά. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας των δειγμάτων στο πεδίο της συχνότητας και μελετάται η εξάρτηση των διηλεκτρικών μεγεθών από τη σύσταση και τη μορφολογία του δείγματος, το βαθμό της θερμικής κατεργασίας και τις συνθήκες του περιβάλλοντος (θερμοκρασία, υγρασία). Προτείνεται η κατασκευή υλικών με υψηλές τιμές διηλεκτρικής σταθεράς και χαμηλές απώλειες, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μικροηλεκτρονικές και τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές.