Síntesis de compósitos polímero-cerámicos para aislamiento en alta tensión

Abstract

RESUMEN: Durante este trabajo se pretende hacer un estudio sobre la influencia del titanato de bario BaTiO3 cuando se utiliza como relleno para elaborar compósitos de hule silicón (RTV-615) para aplicaciones en aislamiento para alta tensión, debido a que la elevada permitividad de este cerámico (k=154) puede modificar la constante dieléctrica del compósito y con ello conseguir una mejor distribución del campo eléctrico a través del material, evitando con ello esfuerzos eléctricos que lo envejecen prematuramente. Para ello se elaboraron compósitos con diferentes concentraciones de polvo de BaTiO3, yendo desde el silicón puro hasta 50 %vol. de polvo mezclado en el silicón. Los resultados preliminares que se han obtenido es que se logró incorporar uniformemente el polvo (tamaño de partícula=450nm) a la matriz de silicón sin necesidad de algún dispersante. Sin embargo, a concentraciones de 40 %vol. y 50 %vol. la porosidad de la muestra ya no hace a los compósitos óptimos para aplicaciones en exteriores ya que podría retener humedad y contaminantes que originarían una eventual falla por arco eléctrico superficial, sin embargo, a más bajas concentraciones de polvo los compósitos presentan las propiedades ventajosas del hule silicón, logrando obtenerse valores de la constante dieléctrica de hasta k=11.20 lo cual concuerda y rebasa sutilmente a algunos otros trabajos previos hechos en las mismas condiciones. El factor de innovación del trabajo es introducir este polvo de BaTiO3 dopado con átomos de Y que sustituyen a los átomos de Ti, mediante un tratamiento térmico a 1500°C. Se obtuvo este polvo y se encontró que su constante dieléctrica se elevó casi cinco veces hasta un valor de k=692, posteriormente este polvo fue incorporado a la matriz de silicón en un 40 %vol. Aunque su tamaño de partícula (≈ 358nm) es mucho más fino que el del BaTiO3 puro, y su dispersión también fue muy buena con baja porosidad, la constante dieléctrica no se elevó grandemente (k=10.61). No obstante la conductividad eléctrica disminuyó respecto al compósito elaborado con BaTiO3 puro en las mismas condiciones. Se hizo también el estudio de la aplicación de un ácido carboxílico como surfactante para mejorar la dispersión y propiedades eléctricas del compósito final. Se pretende estudiar este fenómeno y hacer más experimentación respecto al dopaje del BaTiO3 y realizar con ellos simulaciones de su desempeño bajos campos eléctricos intensos a fin de elaborar compósitos con mucha mayor permitividad, baja conductividad eléctrica, y propiedades mecánicas semejantes a las del hule de silicón. ABSTRACT: During this work we have done a study on the influence of barium titanate BaTiO3 when it is used as filler to make composites of silicone rubber (RTV-615) for applications in high voltage insulation. Because the high permittivity of the ceramic (k=154) we can modify the dielectric constant of the composite in order to achieve a better distribution of the electric field through the material thereby avoiding electrical stress that age it prematurely. For this purpose, composites were prepared with different concentrations of BaTiO3 powder, ranging from pure silicon to 50 vol.% of powder mixed in the silicon. Preliminary results obtained show that it has been possible to incorporate powder (particle size=450nm) as filler to the silicone matrix without any dispersant. The composite’s porosity of concentrations of 40 vol.% and 50 vol.% is no longer the optimal for outdoor applications as it may retain moisture and contaminants that give rise to a possible electrical fault surface by electric arcing. However, at lower concentrations of powder as filler, composites have the advantageous properties of silicone rubber, achieving dielectric constant values up to k=11 which agrees with some previous works made in the same conditions. The innovation factor introduced in this work was the addition of BaTiO3 powder with semiconducting properties through doping of Y atoms replacing Ti atoms at a rate of 0.4 at%, by heat treatment at 1300°. This powder was obtained and it was found that the dielectric constant increased almost fivefold, to a value of k=692. The powder was subsequently incorporated into the silicone matrix by 40 vol% and, although particle size (≈ 358nm) is much finer than that of pure BaTiO3 and dispersion was also very good with low porosity, the dielectric constant was not greatly increased (k=10.61), but the electrical conductivity decreased with respect to composite made with pure BaTiO3 same conditions. We intend to study this phenomenon and do more experimentation towards doping of BaTiO3 and make with them simulations of its performance under intense electric fields to develop composites with much higher permittivity, low electrical conductivity, and mechanical properties similar to those of silicone rubber.