Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice

Introducere

Actualitatea şi importanţa temei

Multe dintre materialele folosite la ora actuală ca izolanţi electrici sunt amestecuri dielectrice cu două sau mai multe componente sau faze. O mare amploare a luat folosirea compozitelor ale căror proprietăţi mecanice deosebite (combinaţia unică de densitate mică şi rezistenţă mecanică mare) a dus nu numai la studierea proprietăţilor lor mecanice, dar şi la o tehnologie de fabricaţie foarte avansată. Prin comparaţie, s-a acordat puţină atenţie altor proprietăţi fizice care au afectat folosirea lor ca materiale izolante. În prezent ele au început să fie folosite ca izolanţi electrici în sistemele de izolaţie, înlocuindu-se materialele izolante tradiţionale (ulei, hârtie, sticlă, ceramici etc) cu materiale compozite bazate pe polimeri. Acestea sunt mai ieftine şi poluează mai puţin mediul ambiant. De aceea, ele sunt foarte studiate de mulţi cercetători pentru a se descoperi alte materiale mai rezistente la solicitările electrice şi cu preţ de cost mai scăzut. Mai mult, cu aceste materiale noi se încearcă ridicarea tensiunii de pe liniile de trasport de energie dar şi reducerea pierderilor şi a dimensiunilor echipamentelor folosite.

Avantajul principal al materialelor compozite este posibilitatea de a le modela pentru scopuri speciale. Aplicaţiile lor practice evoluează odată cu dezvoltarea tehnologiilor care permit o precizie ridicată în fabricarea lor.

Modelarea cu metodele clasice de încercări experimentale presupune timp şi bani. În cele mai multe cazuri nu e uşor să se imbunătăţească modelul iniţial. Totuşi, folosind calculatorul în stadiul de proiectare, proprietăţile dorite pot fi estimate şi corectate.

Considerând un sistem de izolaţie ca un tot unitar, proprietăţile lui electrice (permitivitatea dielectrică şi conductivitatea ) sunt influenţate de proprietăţile electrice ale constituenţilor, de interacţiunile dintre ei şi de configuraţia geometrică a sistemului studiat. Dacă se iau în considerare şi factorii de influenţă (temperatura, umiditatea, frecvenţa, tensiunea electrică, solicitările mecanice etc) problema studiată devine foarte dificilă.

Stadiul actual al cercetărilor în domeniu

Modelarea numerică a dielectricilor neomogeni utilizaţi ca izolanţi electrici în scopul predicţiei permitivităţii şi a factorului de pierderi dielectrice reprezintă o temă de cercetare nouă, modernă, ce vizează analiza teoretică a comportării compozitelor utilizate în sistemele de izolaţie electrică.

Materialele compozite, mult studiate din punct de vedere mecanic datorită combinaţiei unice de densitate mică şi rezistenţă mecanică mare, au început să prezinte interes şi din punct de vedere electric pentru că sunt mai ieftine şi poluează mai puţin mediul ambiant. Ca urmare, cercetările din acest domeniu au fost focalizate spre descoperirea de materiale noi, mai rezistente şi cu preţ de cost mai redus.

Se ştie că proprietăţile acestor materiale reprezintă o combinaţie a celor mai interesante proprietăţi termice, mecanice şi electrice ale constituenţilor şi că s-au obţinut materiale compozite polimerice cu conductivitate electrică ridicată, cu proprietăţi magnetice remarcabile, cu proprietăţi mecanice şi / sau termice foarte bune, cu rezistenţă mare la acţiunea mediului ambiant, cu prelucrabilitate ridicată, cu preţ de cost redus etc.

În ultima vreme cercetările sunt îndreptate îndeosebi spre obţinerea de compozite cu structură nanometrică, respectiv a unor materiale ale căror proprietăţi sunt influenţate direct de microstructura acestora, analizată la scară atomică. Unul din proiectele de cercetare europene importante se referă tocmai la realizarea şi utilizarea unor „izolaţii polimerice nanocompozite pentru dezvoltarea următoarei generaţii de echipamente pentru producerea, transportul şi utilizarea energiei electrice”.

Avantajul principal al materialelor compozite este posibilitatea de a le modela pentru scopuri speciale, în condiţiile în care proprietăţile lor sunt influenţate direct de caracteristicile constituenţilor (natură chimică, granulaţie, formă geometrică şi distribuţie a incluziunilor, concentraţie etc). Aplicaţiile lor practice evoluează odată cu dezvoltarea tehnologiilor care permit o precizie ridicată în fabricarea lor.

O aplicaţie mai puţin studiată până acum este utilizarea, în sistemele de izolaţie electrică, a unor compozite polimerice cu incluziuni organice sau anorganice. Dimensiunile şi greutatea sistemului de izolaţie influenţează mult preţul de cost al echipamentului electric în care este folosit. Obţinerea unui compozit uşor şi ieftin cu aceleaşi proprietăţi electrice ca şi materialele tradiţionale ar reprezenta o realizare importantă.

Modelarea compozitelor cu metodele clasice de încercări experimentale presupune timp şi bani. În cele mai multe cazuri nu e uşor să se îmbunătăţească modelul iniţial. Totuşi, folosind calculatorul în stadiul de proiectare, proprietăţile dorite pot fi estimate şi corectate.

Proprietăţile electrice (permitivitate relativă, conductivitate, factor de pierderi etc) ale amestecurilor dielectrice sau ale unui sistem de izolaţie considerat ca un tot unitar sunt influenţate de caracteristicile electrice ale constituenţilor, de interacţiunile dintre ei şi de configuraţia geometrică a sistemului studiat. Dacă se ia în consideraţie şi influenţa unor factori exteriori (temperatură, umiditate, frecvenţa câmpului electric alternativ, solicitările mecanice etc) problema studiată devine foarte dificilă.

Predicţia permitivităţii medii (efective) şi a pierderilor dielectrice pornind de la proprietăţile dielectrice (cunoscute) ale componenţilor şi de la concentraţia lor în amestec precum şi studiul comportării dielectricului neomogen în câmp de frecvenţă variabilă sunt problemele de interes în acest domeniu. Rezolvarea lor pe cale numerică presupune o bună cunoaştere a:

• fenomenului de relaxare dielectrică în dielectricii neomogeni;

• metodelor de calcul numeric a câmpului electric în amestecuri dielectrice;

• metodelor (analitice şi numerice) de estimare a permitivităţii medii şi a factorului de pierderi dielectrice;

• posibilităţilor de modelare numerică a amestecurilor dielectrice (cu structuri ordonate şi dezordonate) care să posede anumite proprietăţi prestabilite.

Din cercetarea bibliografică cu privire la modelarea numerică a dielectricilor neomogeni reiese că un număr destul de restrâns de cercetători au abordat această problematică.

În acest context, al efortului general al specialiştilor din întreaga lume de cercetare, din punct de vedere teoretic şi experimental, al comportării materialelor electroizolante în scopul obţinerii de materiale cu proprietăţi mai bune pentru o aplicaţie dată, tema acestui proiect prezintă şansa unui pas important înainte în acest domeniu de actualitate.

Obiectivele propuse sunt de mare actualitate, fiind reflectate în tematica de cercetare şi a altor colective, pe plan mondial.