Mesure des caractéristiques des matériaux isolants solides

Tout matériel électrique ou électronique est constitué d’un agencement judicieux de matériaux conducteurs qui servent à transporter l’énergie électrique (ou l’information) là où elle doit être utilisée et de matériaux isolants qui permettent d’empêcher celle-ci de se perdre en empruntant le plus « court » chemin d’un potentiel à un autre. Outre leur fonction première qui est de s’opposer au passage du courant entre conducteurs, les isolants solides ont également le rôle de maintenir mécaniquement les conducteurs dans des conditions prédéterminées.

Dans certains cas, la quantité de matériaux isolants solides utilisée est réduite à l’extrême : par exemple pour les lignes électriques aériennes en conducteurs nus.

Mais dès que l’on cherche à réduire l’encombrement d’un matériel (préoccupation permanente aujourd’hui), on est amené à rapprocher les conducteurs, et par conséquent à les maintenir rigidement en place pour éviter qu’ils ne viennent en contact sous l’effet de leur propre poids, de déformations, de forces extérieures au matériel ou des efforts électrodynamiques internes. Les matériaux isolants solides peuvent être employés seuls (comme, par exemple, dans le cas d’un câble à isolation synthétique extrudée), en association de plusieurs solides (bobinage réalisé en fil émaillé imprégné de résine thermodurcissable) ou en association d’un solide et d’un liquide (isolation en papier imprégné d’huile minérale pour les transformateurs à haute tension). Dans ces deux derniers cas, on parle de système d’isolation.

Le rôle essentiel des isolants étant de servir de barrière, on s’intéressera en premier lieu à leurs propriétés électriques.

Aucun isolant n’étant parfait, on est tout d’abord conduit à étudier les mécanismes de conduction dans les isolants solides qui débouchent sur les notions de résistance d’isolement et de résistivités 1.

Lorsque l’on augmente la valeur du champ électrique appliqué à un isolant, on aboutit à un mécanisme destructif irréversible appelé claquage diélectrique 2.

La grande majorité des matériels électriques ou électroniques fonctionnant sous des tensions alternatives, l’étude des phénomènes de polarisation et de relaxation qui en découlent est abordée au paragraphe 3 où sont présentées les notions relatives à la permittivité qui joue un rôle très important lorsqu’il s’agit de stocker de l’énergie dans un condensateur ou, au contraire, de réduire des capacités parasites.

Le paragraphe 4 étudie les phénomènes qui font qu’un isolant solide présentant des caractéristiques satisfaisantes à court terme peut voir celles-ci se dégrader à long terme sous l’effet du champ électrique avec, pour conséquence, un claquage diélectrique.

Un autre facteur de dégradation des isolants à long terme, surtout lorsqu’il s’agit de matériaux synthétiques, est la température. Or, tout matériel électrique ou électronique est le siège d’un échauffement dès qu’il est sous tension par suite des pertes par effet Joule dans les conducteurs, des pertes dans les circuits magnétiques et… des pertes diélectriques dans les isolants eux-mêmes 5. De nombreuses autres contraintes d’environnement (par exemple l’humidité, les UV, les rayonnements de haute énergie,…) peuvent contribuer au vieillissement des matériaux isolants solides 6.

Le paragraphe 7 présente quelques notions relatives à la tenue des isolants solides aux contraintes mécaniques et, pour terminer, une méthode permettant de choisir un isolant solide pour une application déterminée sera proposée 8.

Les matériaux solides couramment utilisés comme isolants peuvent être classés en différentes familles :

• les isolants minéraux : verre, céramique,… ;

• les isolants naturels : cellulose ou latex ;

• les polymères thermoplastiques ;

• les polymères thermodurcissables ;

• les élastomères.

Les propriétés des matériaux isolants, et tout particulièrement leurs propriétés électriques, dépendent de divers paramètres. Parmi ceux-ci, deux sont à considérer en premier lieu :

• l’état hygrométrique de l’isolant ;

• les impuretés contenues dans les matériaux.

Il faut citer d’abord le rôle primordial que joue l’état hygrométrique de l’isolant sur la plupart de ses caractéristiques électriques.

La quantité d’eau que peut retenir un matériau isolant donné est une fonction croissante de l’humidité relative du milieu ambiant avec lequel il est en équilibre (la loi de Henry se trouve généralement vérifiée en première approximation) et de la température à laquelle il est soumis. De très grandes différences existent en outre entre l’hygnoscopicité des matériaux suivant leur nature chimique.

Les propriétés électriques des isolants sont affectées de façon sensible, voire considérable, non seulement par la quantité d’eau emmagasinée, mais également par sa répartition dans le volume du matériau ou de l’isolation.

Compte tenu des constantes de temps très élevées qui régissent les échanges d’eau dans les solides, il est rare qu’un objet ou une éprouvette soit en équilibre d’humidité avec le milieu ambiant, donc que la concentration en eau soit uniforme à l’intérieur de son volume, tout particulièrement dans le cas de fortes épaisseurs. De cela résulte, dans la plupart des cas, une influence de l’histoire hygrométrique antérieure du matériau sur son comportement diélectrique. Une valeur d’une propriété quelconque d’un isolant ne peut être considérée comme représentative de celui-ci que dans la mesure où les conditions hygrométriques auxquelles il a été soumis préalablement et pendant sa détermination sont précisées.

C’est pour cette raison que la plupart des caractéristiques électriques sont mesurées après que les matériaux ont été soumis à un conditionnement normalisé. La publication 212 de la CEI définit un certain nombre d’atmosphères préférentielles (température et humidité relative), ainsi que les durées recommandées pour le conditionnement des matériaux dans ces atmosphères. Des préconditionnements, visant à effacer l’histoire antérieure des éprouvettes, sont parfois conseillés.

Il faut être également averti de l’influence des diverses impuretés contenues dans les matériaux sur plusieurs de leurs propriétés électriques. Cette influence est particulièrement notable pour certains polymères dont la résistivité et le facteur de dissipation diélectrique sont le reflet de la teneur en adjuvants divers, tels que les lubrifiants, stabilisants, antioxydants ou plastifiants, ou autres adjuvants, indispensables à leur mise en œuvre ou à leur conservation.

C’est ainsi que la différence entre les facteurs de dissipation des polyéthylènes à haute et à basse densité est imputable à la teneur résiduelle en catalyseur du polyéthylène à haute densité, non employé dans la fabrication du polyéthylène à basse densité plus qu’à la différence de masse moléculaire qui existe entre ces deux matériaux.

De façon analogue, la résistance au cheminement ou la stabilité thermique sont liées étroitement à la présence d’adjuvants, introduits en vue d’améliorer ces caractéristiques.