A study of the erosion suppression mechanisms of nanofilled silicone rubber composites for HVDC outdoor insulation applications

Résumé

Cette thèse présente une étude des mécanismes de suppression de l’érosion pour des composites caoutchouc silicone chargés de de particules inorganiques de dimension nanométrique et ce, dans l’optique d’applications comme isolant externe pour la haute tension CC. Le test d’érosion CC du plan incliné ainsi que le test de résistance à l’arc électrique ont été employés afin d’évaluer la performance des composites dans des situations d’érosion. De plus, des analyses thermiques et morphologiques ont été utilisées pour investiguer l’effet des nano-renforts sur la résistance à l’érosion sous CC du caoutchouc silicone. Cette nouvelle approche utilisant un ensemble de techniques est définie comme approche basée sur les mécanismes pour l’investigation des effets de suppression de l’érosion des nano-renforts, ce qui représente un critère critique pour la conception des isolants externes en caoutchouc silicone pour les applications en CC. L’étude commence par l’investigation du rôle de l’interface renfort/caoutchouc silicone sur la suppression de l’érosion en CC. Cette influence est analysée de façon comparative avec l’influence de l’augmentation de la conductivité thermique procurée par des renforts ayant une conductivité thermique élevée. La silice en fumée, l’alumine nanométrique tri-hydratée et le nitrure de bore hexagonal submicronique ont été utilisés comme renforts dans le caoutchouc silicone pour cette partie de l’étude. Il a été observé que la silice en fumée a une plus grande influence sur l’amélioration de la résistance à l’érosion que les autres types de renforts, malgré le fait qu’elle confère aux composites une conductivité thermique semblable aux autres renforts. En effet, l’interaction favorable entre la silice en fumée et le caoutchouc silicone empêche la dépolymérisation du silicone et entraine la réticulation du matériau durant l’érosion sous CC. De plus, les mesures de courant de fuite indiquèrent l’initiation la plus lente pour l’établissement d’un arc stable pour le composite renforcé par de la silice en fumée. Ceci met en lumière l’importance de l’interface entre la nanoparticule et le polymère dans la suppression de l’érosion, mécanisme qui est plus important que l’amélioration de la conductivité thermique du composite. Cette étude analyse également la corrélation entre le rôle de l’interface silice-silicone et l’écran résiduel du composite formé durant la présence d’arcs de bandes sèches en utilisant à la fois de la silice en fumée et de la silice broyée. Des analyses thermiques indiquèrent une plus grande quantité de résidus réticulés avec davantage d’interactions avec le renfort dans le cas de la silice en fumée par rapport à la silice broyée. La morphologie de la surface des résidus érodés des composites ayant subis le test du plan incliné a indiqué l’importance du rôle de la silice en fumée sur l’amélioration de l’intégrité et la cohérence du résidu menant à un effet barrière protégeant le caoutchouc silicone du volume contre l’érosion progressive. Cette conclusion a été supportée par les essais de résistance à l’arc montrant des caractéristiques de résidu semblables à celles obtenues durant les essais de plan incliné. Les résultats mentionnés ci-dessus ont été vérifiés pour des cas plus pratiques en utilisant des nano-renforts comme additifs pour des composites caoutchouc silicone pour isolation externe afin d’améliorer leur résistance à l’érosion. Dans ce contexte, la silice en fumée et la nanoalumine tri-hydratée ont été utilisés comme additifs, à un taux inférieur à 5% sur une base massique, en conjonction avec des micro renforts de silice broyée et d’alumine tri-hydratée présents en plus grande quantité. L’efficacité de l’effet de barrière des renforts a été synergétiquement obtenue en ajoutant de la silice en fumée au renfort principal, soit de silice broyée, soit de l’alumine tri-hydratée, en maintenant l’intégrité des résidus obtenant ainsi une résistance supérieure à l’érosion sous tension CC par rapport aux autres échantillons testés. Ce résultat est important puisqu’il confirme l’effet barrière comme un mécanisme important dans la suppression de l’érosion sous tension CC des nano-renforts qui renforcent l’effet de volume des micro additifs remplaçant le caoutchouc silicone dépolymérisable. Afin d’étudier d’avantage le rôle de l’effet écran dans la suppression des arcs stables sur bandes sèches, la résistance à arc a été proposée comme méthode de test rapide. Des composites renforcés par différentes concentrations et tailles d’alumine tri-hydratée ont été testés avec le test de résistance à l’arc ainsi que le test du plan incliné. Le classement des différents composites en fonction de la quantité de matière érodée s’est avéré être le même pour les deux tests. Ce classement a également aussi été en accord avec les résultats de l’analyse thermique. Ce bon accord dans les différents résultats indique la possibilité d’utiliser le test d’arc électrique comme une méthode rapide pour l’analyse de la résistance à l’érosion du caoutchouc silicone.

Date	20 janv. 2022
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Éric David (Directeur(-trice)) & Refat Ghunem (Codirecteur(-trice))