Исследование электроизоляционных свойств стекла с электрообогревающими пленками для технологии изделий конструкционной оптики" Кустов Максим Евгеньевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Основные направления развития и задачи, решаемые технологией создания электрообогреваемых покрытий ИКО 5

1.1 Диэлектрические характеристики стекла ИКО 7

1.2 Исследование диэлектрической проницаемости стекла 8

1.3 Диэлектрические потери стекла ИКО 11

1.4 Дефекты стекла ИКО и их влияние на процесс форматирования пленки 13

1.5 Электрическая и механическая прочность диэлектриков 14

Глава 2. Модель двойного слоя пленки и стекла и физика адгезии, поверхностного натяжения, упругости и микроразрушения в электрических полях 15

2.1 Физика адгезии и поверхностных микро разрушений в модели двойного слоя стекла и пленки... 16

2.2 Определение поверхностного натяжения в модели двойного слоя атомов пленки и стекла 32

2.3 Закономерности изменения поверхностного натяжения от электронной конфигурации элементов 45

2.4 Модуль упругости в модели двойного слоя пленки и стекла 46

2.5 Модуль упругости в модели двойного слоя и эксперимент 49

2.6 Модуль упругости неорганических веществ 51

2.7 Определение энергии адгезии в модели двойного слоя пленки и стекла 54

2.8 Условие равновесия роста пленки в модели двойных слоев 58

2.9 Критерий прочности стекла и других неорганических материалов

2.10 Изменение предела прочности при адгезии пленок на поверхности твердого тела (эффеккт Ребиндера) 69

2.11 Динамика микро-разрушения в электрических полях 70

Глава 3. Технология форматирования пленок на стекле 72

3.1 Выбор метода лазерного форматирования и обработки поверхности стекла 73

3.2 Сравнение лазерного и химического методов форматирования пленок на поверхности стекла ... 75

3.3 Разработка системы лазерного комплекса для форматирования электро-обогревающей пленки.. 76

3.4 Технология лазерного форматирования электропроводящих пленок на поверхности ИКО 81

3.5 Макет исследовательского центра лазерного форматирования электропроводящих пленок (нанесения отсечек) 83

3.6 Порядок технологического цикла форматирования резистивных пленок (нанесения отсечек) 84

Глава 4. Форматирование электропроводящих пленок на поверхности стекла ИКО 85

4.1 Технология получения пленок ІПгОз-ЗпОг на поверхности стекла 85

4.2 Электропроводность пленок In203-Sn02 88

4.3 Электрические свойства пленок с отсечками 94

4.4 Сопротивление резистивных пленок и электро-обогревИКО 101

4.5 Система обогрева поверхности ИКО 104

Глава 5. Процессы электризации и электрического пробоя ИКО 107

5.2 Распределение заряда на нагревательных и незаземленных проводящих поверхностях 110

5.3 Распределение заряда и напряженности электрического поля по сечению стекла 111

5.4 Распределение потенциала в слоях и электрический пробой пакета стекол ИКО 112

5.5 Электрический пробой стеклянной оболочки, форматированной отсечками 113

5.6 Экспериментальное исследование электрического пробоя стекла форматированного отсечками 114

5.7 Способы устранения пробоя стекла ИКО от атмосферных электростатических разрядов 116

з

5.8 Электрические и прочностные свойства стекла с резистивными пленками 117

5.9 Динамика микро-разрушения стекла в электрических полях 123

5.10 Электрический пробой стекла с проводящей пленкой, форматированной изоляционными отсечками 128

5.11 Экспериментальное исследование электрического пробоя стекла форматированного отсечками 130

5.12 Неполный пробой стекла 133

5.13 Испытание на электрический пробой стекла ТСК 033.8 2 134

6 Выводы

• Исследование диэлектрической проницаемости стекла
• Модуль упругости в модели двойного слоя пленки и стекла
• Сравнение лазерного и химического методов форматирования пленок на поверхности стекла
• Сопротивление резистивных пленок и электро-обогревИКО

Введение к работе

Актуальность работы определяется проблемой повышения надежности изделий конструкционной оптики (ИКО), поскольку во многих случаях нарушения электроизоляционных свойств этих изделий являются причинами выхода из строя или ограниченного функционирования авиационных аппаратов. ИКО - это пластина или оболочка, состоящая из одного или нескольких слоев прозрачных для электромагнитного излучения материалов, являющееся несущим элементом конструкции летательного аппарата (ЛА) и обеспечивающее необходимые механические и оптические параметры в заданных условиях внешних воздействий и температур.

Остекление кабин с помощью ИКО должны обеспечивать широкий
обзор при всех режимах полета и отсутствие оледенения при температурных
условиях атмосферы на всех высотах. Для этого на материал оболочки
наносится оптически прозрачная резистивная, токопроводящая пленка, из
которой форматируются система электро-обогрева, включающая

нагревающие секции, электроды, систему температурной стабилизации, разделенные электроизоляционными полосами (отсечками). При удалении материала пленки в отсечках необходимо обеспечивать высокие электросопротивление и напряженности электрического пробоя отсечек в тоже время не ухудшить механическую прочность оболочки.

В последнее время появились сообщения об аварийных ситуациях с «фонарями» кабины летчиков при полетах во время грозы, особенно в тропических широтах. Причины этих аварий в настоящее время не ясны, однако можно заключить, что выход фонаря из строя в конечном итоге происходит из-за электрического пробоя наружного слоя триплекса стеклянного пакета, на внутренней поверхности наружного слоя которого находятся секции электро-обогрева.

Во многом эта ситуация определяется технологией изоляционных полос формирующие секции обогрева, их формой, наличием неровностей по

периметру, которые могут вызывать неоднородности и высокие

напряженности электрического поля.

Однако до последнего времени изготовление авиационных ИКО
основывалось на ручном, химическом формировании изоляционных полос
электро-обогреваемых пленок, что вызывает неровности по их периметру за
счет растекания реагентов травления. Для увеличения точности

форматирования пленок на поверхности ИКО необходима замена химических методов технологии новым лазерным методом создания отсечек. Это можно сделать применением лазеров и роботов для манипулирования лазерным лучом по всех поверхности 3D формы крупногабаритных изделий конструкционной оптики.

Поэтому исследование электроизоляционных свойств стекла с электро-обогревающими пленками и развитие технологии форматирования электро-обогревающих пленок на поверхности 3D изделий конструкционной оптики является весьма актуальной задачей, что обуславливает выбор направления диссертационной работы.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является исследование электроизоляционных свойств стекла с электро-обогревающим покрытием и реализация технологии лазерного форматирования электропроводящей пленки на поверхности стеклоизделий 3D формы входящих в состав ИКО. Для этого надо решить следующие проблемы.

1. Исследовать электрофизические и диэлектрические характеристики пленок, стекла и стекла с пленками для стабилизации технологических процессов создания электро-обогревающих покрытий на стекле.

2. Исследовать процессы электрического пробоя стеклопакета ИКО вследствие коронных разрядов ионизированной атмосферы.

3. Решить проблемы теоретического характера, связанных с теорией
развития трещин в хрупких средах в электрическом поле высоких
напряженностей.

4. Разработать методы расчета поверхностного натяжения, адгезии,
упругости и электрической прочности стекла с пленкой на поверхности
ИКО.

5. Осуществить подбор и разработку оборудования необходимого для осуществления автоматизированного форматирования электро-обогревающих покрытий на поверхности стеклоизделий 3D формы с соблюдением основных требований к ИКО.

6. Провести исследования по подбору мощности лазерного луча и конфигурации фокусного пятна для форматирования электро-обогревающих покрытий на поверхности 3D стеклянных ИКО.

Обоснованность и достоверность полученных результатов

Подтверждается хорошей согласованностью всех полученных

результатов с имеющимися литературными и экспериментальными данными, и отсутствием противоречий в них.

Научная новизна

Основные научные достижения работы можно разделить на следующие ключевые пункты:

1. Модель двойного слоя стекло-пленка применена для получения параметров: поверхностного натяжения, адгезии, модуля упругости, предела прочности и электрического пробоя материалов.

2. Рассчитаны поверхностное натяжение, модуль упругости, механическая и электрическая прочность как функции поверхностной и объемной концентрации атомов N^k (k=2/3, 4/3) .

3. Выведена формула критического напряжения электрического поля, приводящее к росту трещины и разрушению материала в зависимости от N^1/3 объемной концентрации атомов.

4. Предложена и обоснована модель электрического пробоя по трещинам, образующиеся вследствие нарушения механической прочности в электрическом поле.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в том, что в результате выполненных исследований электроизоляционных свойств стекла с электро-обогревающим покрытием впервые создан лазерный комплекс создания стеклопакета с электро-обогревающих покрытием, который включен в производственный цикл выпуска ИКО. Отработаны программный комплекс и технология выполнения операций форматирования электро-обогревающих пленок 3D изделий высокого качества и надежности.

Основные положения, выносимые на защиту

5. Массив теоретически рассчитанных данных поверхностного натяжения, адгезии, модуля упругости, предела прочности и электрического пробоя материалов.

6. Комплексные исследования диэлектрических характеристик (диэлектрической проницаемости, тангенса диэлектрических потерь) в зависимости от температуры и частоты электромагнитного поля, электрического пробоя стекла ИКО с электро-обогреваемой пленкой.

7. Исследование явления неполного пробоя стекла ИКО с электро-обогреваемой пленкой, являющиеся основной причиной аварий ИКО.

8. Технология лазерного форматирования стекла с электро-обогревающими пленками и формирования секционной структуры электро-обогрева для 3D изделий конструкционной оптики. Исследование динамики формирования отсечек в зависимости от мощности лазера, размеров и формы фокусного пятна. Метод оценки толщины пленки по зависимости остаточной проводимости отсечек от мощности лазера.

Апробация работы

Основные результаты исследований по теме диссертации представлены в 10 печатных работах, из них 4 рекомендованных ВАК РФ для публикации

основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней кандидата и доктора наук, 2-х патентов на изобретение и на полезную модель.

Автор данной работы в составе коллектива ОАО «НИТС» является лауреатом Прохоровской премии Академии инженерных наук им. Прохорова А.М. 2012 года за «Создание высокоэффективной лазерной технологии обработки крупногабаритных 3D изделий на основе стекла».

Структура и объем диссертации

Исследование диэлектрической проницаемости стекла

Можно надеяться, что на оптических частотах флюктуации є и tgS пропадут, так как на оптических частотах пропадают медленные виды поляризации и остаются мгновенные виды поляризации электронного и ионного типа. Эти виды поляризации определяются физическими свойствами стекла и химической связью между ионами. Однако и быстрые виды поляризации зависят от концентрации атомов, которые могут меняться в зависимости от присутствия в стекле макро дефектов стекла, вакансий ионов, механических напряжений и т.д.

Дефекты стекла ИКО и их влияние на процесс форматирования пленки Диэлектрические свойства и электрическая прочность стекол во многом определяется наличием дефектов, особенно с наномастшабными размерами, которые могут быть основными источниками зарождения и развития микротрещин. Обычно выделяются четыре класса дефектов: свили [1], микротрещины [2, 3], микроцарапины и центры кристаллизации [4, 5].

Свили изменяют показатель преломления стекла, и могут влиять на энергию лазерного излучения в месте фокусировки луча.

Свили уменьшают энергию лазерного излучения в стекле и прочность стекла, вызывают местные напряжения в стекле, не исчезающие при отжиге. У поверхности стекла прочность при ударе снижается в 3-4 раза.

Микротрещины, понижающие прочность стекла называются дефектами Гриффитса [6]. Таким образом, на поверхности оптического стекла много различных дефектов, которые создают в нем напряжения, значительно снижают прочность и влияют на диэлектрические свойства стекла с пленками на его поверхности.

На поверхности стекла всегда есть множество трещин. Пока нагрузки малы, стекло сохраняет свою несущую способность, трещины не растут. Но как только нагрузка достигнет определенной, характерной для каждой трещины величины, трещины начинают расти. В одних случаях они медленно расширяются при нарастании нагрузок и останавливаются при остановке роста нагрузки. Размеры устойчивых, равновесных трещин определяется приложенной нагрузкой. Существуют неустойчивые трещины, которые при определенной критической величине растут даже при остановке роста нагрузки.

Электрическая и механическая прочность диэлектриков Разрушение диэлектриков в электрическом поле исследовалось давно в целом ряде работ, например [8, 9, 10]. Концепция разрушения Гриффитса основана на том, что при приложении механических напряжений микротрещины начинают расти в зависимости от соотношения упругой энергии освобождающейся при росте трещин и энергии образующейся поверхности трещины. В электрических полях роль упругой энергии может играть электрическая энергия зарядов, индуцированных на поверхности трещины. В работе [11] выведена формула для критического напряжения упругости Ощ) от длины трещин /, после которой начинается неконтролируемый ее рост аналогичная формуле Грифитса акр = л—— (У поверхностная энергия, ЕупР модуль упругости), где критическое напряжение упругости Ощ, заменено на критическое напряжение электрического поля Екр

Можно заключить, что в электрических полях может возникнуть неконтролируемый рост трещин, что может привести к разрушению диэлектрика.

При форматировании отсечек на поверхности стекла с пленкой возникает комплекс различных связанных проблем прямым образом влияющий на электроизоляционные свойства стекла с пленкой. Специфика ИКО летательных аппаратов выдвигает основное фундаментальное требование механической прочности изделия. Все технологические процессы форматирования не должны ухудшать механическую прочность. Поэтому при нанесении пленки на поверхность стекла и лазерном форматировании секций электронагрева требуется учитывать влияние этих операций на механическую прочность стекла. А это требует рассматривать комплекс явлений адгезии, поверхностного натяжения, упругости и микроразрушения поскольку один завязаны узлом с выполнением основного требования к ИКО - механической прочности.

Прочность твердого тела обусловлена силами притяжения между атомами при сближении их на достаточно малые расстояния. Для условий равновесия твердого тела необходимо наличие на только сил притяжения, но и сил отталкивания. Причем силы притяжения действуют на любых расстояниях. В то время как силы отталкивания существенны только на близких расстояниях. Поэтому силы отталкивания и притяжения должны иметь разные зависимости от расстояния. Энергия притяжения электромагнитного взаимодействия обратно пропорциональны расстоянию. Не рассматривая типы взаимодействия можно выразить энергию притяжения и отталкивания следующим образом. тогда полная энергия взаимодействия будет:

Модуль упругости в модели двойного слоя пленки и стекла

Для каждого материала можно ввести критическую температуру Тщ, которая для температуры 7о=ЗООК дает экспериментальное значение модуля упругости. Для того, чтобы значение модуля Юнга равнялась экспериментальному значению критическая температура Ткр должна быть меньше То и относительное смещение х должно быть отрицательной. Таким образом, состояние упругости определяется не условием равновесия, где F=0, х=0 и г=Го, а условием г Го и х 0, где силы отталкивания превалируют над силами притяжения. Отрицательные области смещения, описывающие области упругости сил отталкивания и различные значения модулей Юнга показаны на Рис. 2.19. Зависимость модуля упругости Е (касательнс к линии силы F) в области сил отталкивание

Точки упругости для определения модуля упругости сил отталкивания (п=2) Переход в область сил отталкивания приводит к тому, что накапливание упругой энергии должно приводить к разрушению материала. Можно определить еще одну характерную точку зависимости энергии от х для нулевой энергии W=0. Из формул для энергии

Параметр сил отталкивания элементов периодической системы Разница теоретически рассчитанного и экспериментального значения модуля упругости составляет десятые доли процента.

В Табл. 2.5 и на диаграммах Рис. 2.22 приведены модули упругости неорганических веществ и некоторых стекол, рассчитанные теоретически по вышеприведенным формулам и экспериментальные значения для некоторых веществ. Табл. 2.5. Модуль упругости неорганических веществ и стекол

Модуль упругости некоторых неорганических веществ и стекол В нашем рассмотрении модель двойного слоя применена для потенциала Кулоновского притяжения, типа R . Эта составляющая отвечает за энергию взаимодействия притяжения для таких типов химической связи, как ионная, металлическая и ковалентная (большая часть) связи. В дальнейшем мы предполагаем распространить это рассмотрение на вещества с Ван-дер-Ваальсовой связью типа R . Это позволит рассмотреть упругие свойства твердых инертных газов и веществ с ковалентной связью, где твердое состояние вещества невозможно без связи типа R" (ковалентные вещества элементов 5, 6, 7-ой групп). Влияние энергии молекулярных орбиталей и колебательной структуры атомов двойного слоя можно анализировать с использованием орбитальной структуры молекулярных орбиталей, рассмотренных в работах [20].

Определение энергии адгезии в модели двойного слоя пленки и стекла Энергию взаимодействия двойного слоя можно рассматривать как энергию адгезии, причем взаимодействие притяжения и отталкивания происходит между атомами различных веществ. (Для атомов одного вещества эту энергию можно рассматривать как энергию когезии). Поскольку энергия притяжения двойного слоя отрицательна, а энергия адгезии должны быть положительной величиной, то можно написать

Существуют ряд теорий адгезии [21(, 22]. Это прежде всего адсорбционная теория [23], согласно которой процесс формирования связи между адгезивом и подложкой (субстратом) определяется адсорбцией молекул адгезива к поверхности подложки. К числу таких теорий относится диффузионная теория [24], микрореологическая теория [25] , когда молекулы адгезива заполняют неровности поверхности подложки и тем самым увеличивают связь между подложкой и адгезивом.

Минимально предельную толщину тонких пленок оценивается на основе соотношения адгезионной и когезионной прочностями [21]. Тонкими считают пленки, когезионная прочность которых меньше адгезионной. Предельная толщина тонких пленок обычно составляет единицы мкм.[21]. Предельную толщину тонких пленок оценивали в [26] по сопоставлению равновесной адгезии с величиной внутренних напряжений, которые определяют возможность самопроизвольного отрыва пленок.

Можно оценить энергию адгезии по энергии двойного слоя. При разъединении контактирующих тел затрачивается определенная работа на преодоление сил адгезионного взаимодействия в расчете на единицу поверхности контакта. С одной стороны, эта работа должна равняться работе сил притяжения атомов, взятой с обратным знаком, с другой стороны, равна сумме поверхностных энергий свободных поверхностей адгезива и материала подложки за вычетом поверхностной энергии их контакта. Равновесная работа адгезии А определяется убылью свободной поверхностной энергии:

Зависимости силы притяжения двойного слоя подложки - пленки, суммарной силы отталкивания N двойных слоев пленки и суммарной силы притяжения и отталкивания от количества N слоев пленки при параметрах Ра=\,па=\0, ха=-0.1; .Р=1,и=10, х О.0001 показаны на Рис. 2.23. С увеличением количества слоев пленки сила притяжения или адгезии не меняется (красная линия), а сила отталкивания пленки увеличивается (зеленая линия), поэтому суммарная сила (желтая линия) при равновесии сил притяжения и отталкивания проходит через нуль при 7V=540 слоев пленки.

Сравнение лазерного и химического методов форматирования пленок на поверхности стекла

Электро-обогрев ИКО осуществляется тремя секциями довольно большой площади. Поскольку при катодном распылении трудно достигать равномерной толщины пленки по всей поверхности ИКО, то для определения среднего сопротивления были вырезаны пять образцов размерами 6x42 мм в характерных местах источников напыления, так чтобы определить среднее значение с учетом площади распределения различных толщин пленки. Измерение сопротивление осуществлялось при двух значениях частоты питающего напряжения/=120, 1000 Гц. Результаты этого исследования приведены в Табл. 4.4.

Значение удельных сопротивлений пленок Табл. 4.5 даны в единицах микроом на метр: p(fiQM) =10" p(QM) и рассчитывалась с учетом того, что толщина пленки составляет 150 нм.

Для расчета режимов нагрева поверхности ИКО необходимо знать удельное поверхностное сопротивление: Размерность удельного поверхностного сопротивления пленки имеет размерность электрического сопротивления: рз(Г2). Образцы пленок имели следующие размеры: длина пленки L=42 мм, ширина пленки со стороны электродов Sh=61мм. Значения удельных поверхностных сопротивлений пленок, рассчитанные по приведенной формуле приведены в Табл. 4.6. Табл. 4.6. Поверхностное удельное электрическое сопротивление резистивных пленок на поверхности ИКО

Температурная зависимость для определения температурного коэффициента сопротивления резистивной пленки показана на Рис. 4.14.

Из этих зависимостей видно, что имеется температурная стабильность удельного сопротивления в интервале температур 20-100 С. Значения сопротивлений пяти образцов различаются на несколько процентов вследствие того, что образцы для измерения вырезались из разных участков секции, имеющей довольно большие размеры. Среднее значение удельного сопротивления пленок определялось обычным образом: ZPSi

Пленка наносится на всей поверхности стекла, после из этой пленки необходимо сформировать нагревательные элементы. Для трехфазной сети необходимо сформировать три нагревательных элемента. Для этого проводится обработка поверхности стекла для удаления пленки в местах разделения нагревательных элементов и создания подводящих электродов. Эта технологическая операция носит производственное название как создание отсечек.

Отсечки формируют три нагревательных элемента (1), к которым подводятся электроды (3), подключенные к трехфазной сети. При этом технологически остаются части пленок (2) на поверхности стекла, к которым не подается напряжение электрического поля для нагрева. Размеры и площади поверхности трех электро-обогреваемых секций приведены в Табл. 4.8, где L длина секции, Sh ширина секции на стороне электродов. Сопротивление секции рассчитывается по следующей формуле где р(Г2) удельное поверхностное сопротивление пленки (35.113 Q).

Внешняя поверхность стекла ИКО в результате трения о воздушные слои электризуется. Вследствие этого на поверхности скапливается электрический заряд. В результате действия электрических сил на внутренней поверхности стекла индуцируются электрические заряды противоположного знака (Рис. 5.1).

Электризация стеклянной оболочки ИКО. 1 - слои стеклянного пакета, 2-электростатический заряд на наружной поверхности стеклянного пакета, 3- заряд индуцированный на внутренней поверхности стеклянного пакета

Вследствие этого возникает электрическое поле и разность потенциалов между зарядами на наружной поверхности стеклянного пакета и металлической рамкой, окружающей стеклянную оболочку и корпусом, в который крепится ИКО. Когда напряженность электрического поля превысит пробивную напряженность воздуха (Зкв/мм) возникает ветвистый разряд по воздуху на поверхности стекла. При этом заряды со всей поверхности стекла начинают стекать на металлическую рамку. Обычно разряд содержит 10-12 ветвей, которые собираются в ствол в месте, где наименьшее сопротивление до металлической рамки. На Рис. 5.2 показаны примеры испытаний на электростатический разряд по воздуху на поверхности ИКО.

Ветвистый электростатический разряд по воздуху на поверхности ИКО Повышенная или пониженная влажность и температура воздуха являются внешними атмосферными причинами, вызывающий электростатический разряд.

Пробой стекла фонаря под влиянием атмосферного разряда в полет, а) Вид фонаря с пробоем средней секции, б) Пробой между электродными шинками в области отсечки, в) Кратер пробоя на углу шинки и отсечки (отсечка - 1, электроды - 2 (шинки), место пробоя - 3)

Интенсивная электризация стекла фонаря ИКО поверхностными разрядами статического электричества возможна в условиях низкой относительной влажности воздуха, а также при дождевых и пылевых осадках. Электростатическое электричество воздействует на все элементы, имеющие контакт с неэкранированными слоями стекла и на электрические цепи секции электрообогрева на внутренней поверхности наружного слоя стекла триплекса оболочки. Отсечки на проводящей пленке создают неоднородности электрического поля, что может вызывать пробой стекла и выход ИКО из строя. На Рис. 5.3 показаны фрагменты пробоя стекла фонаря под влиянием атмосферного разряда в полете. На Рис. 5.3 (в) показан кратер пробоя (3) на углу шинки (2) и отсечки (1).

На Рис. 5.4 показано распределение зарядов при электризации внешней поверхности стекла отрицательными зарядами. Если проводящие элементы (2) заземлены Рис. 5.4 (а), то на них индуцируется заряд такого же знака, как и на нагревательных элементах. Если проводящие элементы (2) не заземлены Рис. 5.4(6), то на них натекает заряд такого же знака, как и на внешней поверхности стекла. При этом на отсечке возникнет разность потенциалов, которая может быть источником электрического пробоя воздуха на поверхности стекла по отсечке. Протекание тока в этом случае происходит на поверхности отсечки и не может привести к разогреву объема стекла. Однако это может привести к локальному разогреву стекла и растрескиванию на внутренней поверхности стекла и не может привести к «потемнению склеивающего материала».

Сопротивление резистивных пленок и электро-обогревИКО

Для исследования электрического пробоя стекла были приготовлены образцы стекла с различными типами форматирования: линейные отсечки, отсечки с периметром квадрата или прямоугольника. На нижнем электроде установки электрического пробоя лежала пластина стекла чистой стороной, верхний электрод устанавливался на пленку, окруженную отсечками или изолированными полосами без пленки.

Стекла, пленка на которых была форматирована отсечками, характеризуется сравнительно низкими пробивными напряженностями. При пробое наблюдаются многочисленные разряды по границе пленки и изоляционной полосы. Пробой происходит в виде трещины стекла длиной 5 мм, вдоль границы отсечки, около или вдали от верхнего электрода. Низкие напряженности электрического поля пробоя по сравнению с электрической прочностью стекла можно объяснить явлением, которое можно назвать электрический рифтинг-пробой: образование трещины в электрическом поле за счет электро-механического разрушения (5.6) и электрического пробоя по поверхности трещины. Электрическое поле уменьшает предел прочности стекла за счет развития трещин индуцированного электрическим полем. Электрический рифтинг-пробой можно представить следующим образом. В местах неоднородностей электрического поля, которые наблюдаются в углах пленки между отсечками или неровностями электродов напряженность электрического поля Е возрастает во много раз и может достичь величин критического напряжения, при котором возникает неконтролируемый рост трещин (см. раздел 1.5). В этих точках начинает развиваться трещина в направлении однородного распределения электрического поля. Заполняющий эти трещины воздух ионизуется и возникают разряды. Таким образом, вдоль границы пленки и отсечки возникают многочисленные разряды в местах неоднородностей электрического поля. Когда трещины пройдут толщину стекла сквозным образом по силовым линиям напряженности электрического поля, то может возникнуть электрический пробой по воздуху или по поверхности трещин. При пробое напряженность электрического поля уменьшается и трещины схлопываются практически восстанавливая исходную структуру. Этот пробой может вызвать короткое замыкание электрической сети питания секций нагрева, которое может привести к разрушению внешнего слоя стеклопакета. Вследствие термоупругих напряжений в месте неполного пробоя развиваются трещины фонаря и нарушается его механическая прочность.

Экспериментальное исследование электрического пробоя стекла форматированного отсечками При форматировании изоляционных полос (отсечек) в проводящей пленке на поверхности ИКО изменяется свойства прочности стекла при электрическом пробое. При приложении электрического поля к стеклу наличие отсечек вызывает неоднородности распределения электрического поля. Эти неоднородности электрического поля должны концентрироваться по периметру отсечки и в углах. Для исследования электрического пробоя стекла, пленка на котором форматирована отсечками, были приготовлены образцы стекла с различными типами форматирования: линейные отсечки, отсечки с периметром квадрата, или прямоугольника. Исследование электрического пробоя проводилось на переменном токе, на пробивной установке кафедры ФЭМАЭК НИУ «МЭИ». На нижнем электроде лежала пластина стекла чистой стороной, верхний электрод устанавливался на пленку, окруженную отсечками или изолированными полосами без пленки. Пробой возникал по периферии пленки на границе с отсечками.

Стекло чистое 94x60x3 мм отсечек нет пробоя нет Стекло с пленкой без отсечек 94x60x3 мм отсечек нет пробоя нет Электрическая прочность стекла составляет 100(KV/MM), а стекла ИКО 70 (кВ/мм).

Чистое стекло и стекло с проводящей пленкой без форматирования отсечками характеризуется высокой пробивной напряженностью. Для этих образцов электрического пробоя не наблюдалось до напряжения электрического поля 50 кВ (предельное напряжение на данной установке).

Стекла, пленка на которых была форматирована отсечками, характеризуется сравнительно низкими пробивными напряженностями порядка -4 кВ/мм. При пробое наблюдаются многочисленные разряды по границе пленки и изоляционной полосы. Пробой происходит в виде трещины стекла длиной 5 мм, вдоль границы отсечки, около или вдали от верхнего электрода (Рис. 5.15). Низкие напряженности электрического поля пробоя по сравнению с электрической прочностью стекла можно объяснить явлением, которое можно назвать электрический рифтинг (трещина) пробой (riftrapture): образование трещины в электрическом поле и электрического пробоя по поверхности трещины. Электрическое поле уменьшает поверхностное натяжение и уменьшает предел прочности образования

Исследование электрического пробоя стекла в неоднородных электрических полях привело к установлению явления неполного пробоя [8]. Неполный пробой (НП) характеризуется тем, что шнур пробоя прорастает сквозь толщу стекла до противоположного электрода, но не происходит разрушения стекла, которое является основным определяющим признаком электрического пробоя. Проявление НП происходит с появлением в местах неоднородности электрического поля точек светящихся разрядов, размеры которых увеличиваются с увеличением напряжения электрического ПОЛЯ.

Эти разряды локализуются в области силовых линий неоднородностей электрического поля и в этих местах происходит локальное механическое разрушение стекла в виде выкрашивания осколков стекла на поверхности. В образовавшихся поверхностных трещинах происходит ионизация воздуха и стекло в области трещин оплавляется, как это видно из Рис. 5.22. С дальнейшем увеличением напряжения электрического поля, количество разрядов увеличивается, их размеры возрастают и возрастает глубина проникновения разрядов в толщу стекла. Прорастание разрядов на всю толщину стекла приводит к короткому замыканию источника напряжения и уменьшению напряжения или к отключению источника электропитания. При повторных испытаниях НП может прорасти в этом же месте или перескочить в другое место. Можно заключить, что напряжение НП увеличивается с увеличением толщины стекла. Рост длины трещин и разрядов опережает соответствующее возрастание амплитуды напряжения электрического поля. При высоких частотах длина разрядов пропорционально длительности импульса и обратно пропорционально его крутизне. При повторении импульсов каждых раз НП возникает в новом месте и не повторяет предыдущий маршрут.

Полный пробой стекла возникает, когда напряжение электрического поля будет больше напряжения неполного пробоя и достаточная мощность чтобы обеспечить большой ток в режиме короткого замыкания неполного пробоя.