Propriétés électriques du silicone : rigidité diélectrique, résistivité et limites de l’isolation

La plupart des spécifications considèrent le silicone comme un “ isolant ” — un seul mot, une seule propriété, extraite d'un tableau. La pièce réussit le test de tension d'isolement en usine. Elle est expédiée. Pendant la première année, elle remplit parfaitement les conditions annoncées dans la fiche technique.

Puis, dans un poste de transformation côtier, une terminaison haute tension présente un défaut de traçage. Après trois hivers de brouillard salin, une gaine de barre omnibus, ayant pourtant passé avec succès les tests diélectriques, développe une trace de carbone à sa surface. La composition du matériau reste inchangée. Ce défaut n'aurait jamais été détecté par un test diélectrique classique, car ce type de test est inadapté à l'application.

Le silicone est un excellent isolant électrique (résistivité volumique d'environ 10¹⁴ à 10¹⁵ Ω·cm et rigidité diélectrique de 18 à 25 kV/mm), mais le terme “ isolant ” désigne quatre valeurs distinctes, et non une seule. La défaillance la plus fréquente des composants haute tension est due à un cheminement de courant en surface, et non à une rupture diélectrique. Un même polymère de base est utilisé pour les versions semi-conductrices et entièrement conductrices ; c'est le système de charge, et non le silicone lui-même, qui détermine les propriétés électriques. C’est ici que se situent ces limites et comment chacune d’elles est concrètement vérifiée.

Résumé exécutif

• La rigidité diélectrique est une valeur liée à l'épaisseur, et non une constante du matériau. Une qualité de 23 kV/mm sur un échantillon de 1 mm ne vous donne pas 230 kV à 10 mm — la valeur kV/mm diminue à mesure que l'épaisseur de la section augmente, et à nouveau lorsque la température monte.
• Les composants haute tension tombent en panne en surface, et non en profondeur. La résistance au traçage et à l'érosion en présence de contamination (norme CEI 60587) détermine la durée de vie en extérieur et sous haute tension. Le silicone présente l'avantage de retrouver son hydrophobie, mais il s'agit d'une propriété différente et d'un test différent de la rigidité diélectrique du matériau massif.
• Le matériau de remplissage définit la classe électrique. Le VMQ non chargé présente une résistance d'isolation de 10¹⁵ Ω·cm ; les grades chargés en carbone présentent une résistance de conduction de 10⁰ à 10² Ω·cm. La mention “ silicone ” ne précise pas si le composant est isolant ou conducteur.

Ce que signifie réellement “ isolant ” : quatre chiffres, et non un seul.

Une spécification électrique exploitable distingue quatre propriétés, chacune avec son propre test et son propre mode de défaillance. C'est en les considérant comme une seule valeur d'“ isolation ” que la plupart des sous-spécifications commencent.

Le faible facteur de dissipation et la permittivité stable expliquent la présence du silicone dans les connecteurs RF et les cônes de contrainte haute tension : il stocke et libère la charge de manière prévisible et ne dissipe que très peu d’énergie sous forme de chaleur. Cependant, aucune de ces caractéristiques intrinsèques ne permet de prédire le comportement de surface qui régit réellement les conditions d’utilisation en extérieur.

La rigidité diélectrique est une caractéristique de l'épaisseur, et non une constante du matériau.

Il s'agit de la donnée la plus souvent mal interprétée sur les fiches techniques des silicones. La rigidité diélectrique est exprimée en kV/mm, et l'on suppose généralement, à tort, qu'elle est proportionnelle à cette valeur. Ce n'est pas le cas.

À mesure que l'épaisseur de la section augmente, le gradient de claquage diminue, en partie parce que les sections plus épaisses emprisonnent davantage de chaleur pendant le test, en partie parce que la probabilité statistique de présence d'un vide interne ou d'un agglomérat de matériau de remplissage dans le champ électrique augmente. Un isolant présentant une résistance de 23 kV/mm à 1 mm d'épaisseur pourrait en réalité ne fournir qu'environ la moitié de cette valeur par millimètre dans une paroi de 6 mm. Concevoir un isolateur épais à partir d'un échantillon mince est la meilleure façon d'obtenir une pièce qui se perfore en dessous de sa tension nominale.

Deux autres facteurs influent sur le chiffre de production :

• Température. La rigidité diélectrique diminue avec la température du composant. Un manchon prévu pour 23 °C se comporte différemment lorsqu'il est en contact avec une barre omnibus à 150 °C. Il faut tenir compte du comportement thermique du matériau.
• Vides et porosité. Les poches d'air issues d'un dégazage incomplet ou de gaz de combustion piégés deviennent des sites de décharge partielle. Elles subissent un court choc électrique puis érodent le polymère environnant sur une période de plusieurs mois.

ASTM D149 La norme IEC 60243 permet également au laboratoire de choisir une application de tension de courte durée, par paliers ou à faible vitesse ; la géométrie des électrodes et le milieu environnant (air ou huile) influent tous sur le résultat. Une valeur de rigidité diélectrique sans indication des conditions de test n'est pas comparable entre les fournisseurs.

Résistivité et extrémité conductrice de la gamme

Le mot “ silicone ” ne vous renseigne en rien sur la conductivité. squelette Si–O couvre quatre décennies de résistivité en fonction du matériau de remplissage :

• Isolation VMQ : 10¹⁴–10¹⁵ Ω·cm. Norme pour les bottes, les manches, l'encapsulation.
• Qualités semi-conductrices : ~10³–10⁶ Ω·cm, utilisé pour le classement des contraintes aux terminaisons des câbles HT afin de contrôler le champ électrique.
• Conducteur (chargé en noir de carbone) : 10⁰–10² Ω·cm, utilisé pour les joints de blindage EMI/RFI, les pièces ESD et les pastilles de contact en carbone dans les claviers en silicone.

La charge qui confère la conductivité modifie également les propriétés mécaniques : les silicones conductrices sont généralement plus dures, ont une élongation moindre et sont plus sujettes aux problèmes de déformation rémanente que les silicones non chargées. La conductivité a un coût. ASTM D257 La norme IEC 60093 couvre à la fois la résistivité de surface et la résistivité volumique, et les deux divergent fortement une fois qu'une pièce est contaminée, ce qui constitue le lien avec le mode de défaillance le plus important.

Traçage et érosion de surface : les limites du silicone haute tension

La rigidité diélectrique du matériau est rarement la cause de la défaillance d'un composant haute tension destiné à une utilisation extérieure. C'est plutôt la corrosion par cheminement de surface. Sous l'effet de la pollution et de l'humidité, le courant de fuite se concentre en zones sèches, forme des arcs électriques et carbonise lentement un chemin conducteur à la surface. Une fois ce chemin conducteur établi, la résistivité du matériau devient négligeable.

Le véritable avantage du silicone ici est son hydrophobie, et plus précisément… récupération de l'hydrophobie. L'eau perle au lieu de former un film, ce qui limite les courants de fuite. Même après une humidification ou une contamination temporaire de la surface, des chaînes de faible masse moléculaire migrent vers celle-ci et rétablissent l'hydrophobie. C'est pourquoi le caoutchouc de silicone a remplacé l'EPDM et la porcelaine dans les isolateurs haute tension et les accessoires de câbles. Il s'agit d'une propriété de chimie de surface, et non d'une propriété intrinsèque du matériau, liée à son comportement hydrophobe général.

Mais l'hydrophobie n'est pas infinie. Sous l'effet d'un arc électrique continu à sec, la surface s'érode et la résistance au cheminement dépend fortement de la charge. trihydrate d'alumine (ATH) Ce produit est ajouté spécifiquement pour améliorer le suivi et la résistance à l'érosion en libérant de l'eau et en formant un résidu inorganique protecteur. Les tests de référence sont différents de ceux mentionnés précédemment.

• CEI 60587 — suivi de plan incliné et érosion, l'essai extérieur principal à haute tension
• CEI 60112 (CTI) — Indice de suivi comparatif pour la conception de la ligne de fuite à basse tension
• ASTM D495 — résistance à l'arc haute tension

Une équipe qui ne spécifie que la rigidité diélectrique globale d'une pièce destinée à un usage extérieur a testé la propriété la moins susceptible de défaillir et a ignoré celle qui était la plus susceptible de le faire.

Vieillissement, décharge partielle et lente dérive

Les propriétés électriques du silicone se maintiennent sur une plage de températures plus étendue que celles des caoutchoucs organiques — d'environ -50 °C à 200 °C avec peu de variations de résistivité ou de permittivité. Cette stabilité est réelle et constitue une véritable raison de le choisir. La dérive est d'origine mécanique, et non… chimie.

Lors d'une application de scellage ou d'enrobage, la déformation rémanente due à la compression crée des micro-interstices au fil du temps. Ces interstices deviennent des sites de décharges partielles. Ces décharges partielles ne perforent pas la pièce dès le premier jour ; elles érodent lentement le polymère au niveau de la paroi de la cavité, jusqu'à la formation d'un chemin de fuite – souvent des années après un test d'hypotension concluant en usine. La rigidité diélectrique de la pièce n'a pas diminué. Elle a développé une géométrie interne que le test initial n'avait jamais détectée. C'est ce que les équipes ignorent : la validation évalue la pièce telle que moulée, et non la pièce telle que… vieilli et compressé.

Pourquoi les équipes sous-estiment cela

Le schéma est constant. “ Le silicone est un isolant ” étant vrai, cette propriété est traitée comme une simple propriété binaire et la spécification s'arrête là. Trois points restent alors sans réponse.

Premièrement, la rigidité diélectrique est considérée comme une constante adaptable, ce qui a pour conséquence de dimensionner les sections épaisses à partir de données d'échantillons minces et de faire disparaître la marge de sécurité. Deuxièmement, la rigidité diélectrique est testée alors que la corrosion par refoulement (le véritable mode de défaillance en extérieur) n'est jamais spécifiée, car elle requiert une norme différente que la plupart des acheteurs ignorent. Troisièmement, la pièce est qualifiée après moulage, de sorte que l'érosion par décharge partielle et les défauts de déformation rémanente, qui mettent des années à se développer, ne sont jamais détectés lors de la validation.

Il ne s'agit en aucun cas d'incompétence. Le problème est que la propriété principale est facile à trouver, mais que les propriétés essentielles ne figurent pas en première page de la fiche technique.

Ce dont j'ai besoin avant de confirmer une note

Avant de m'engager sur une qualité électrique, un système de remplissage et un processus de durcissement, veuillez m'envoyer les conditions qui influencent réellement ces chiffres :

• Tension de fonctionnement, forme d'onde (CC/CA/impulsionnelle) et rapport cyclique continu/transitoire
• Section de paroi isolante la plus mince de la conception
• intérieur ou extérieur, niveau de pollution/contamination et humidité
• Température de fonctionnement et température maximale de la pièce
• Que la pièce doive être isolante, semi-conductrice ou conductrice.
• Objectifs de conformité : UL 746 (RTI), la classe de suivi IEC 60587 et toute classification d'inflammabilité, qui est liée au comportement au feu et à la flamme de la nuance

Grâce à ces informations, je peux vous indiquer si une conductivité VMQ standard convient, si vous avez besoin d'un matériau résistant au cheminement électrique rempli d'ATH, ou si l'application requiert un composé semi-conducteur ou conducteur. Sans connaître la tension, l'épaisseur de paroi et les caractéristiques de l'environnement, toute valeur diélectrique que je vous fournis concerne un échantillon, et non votre composant.

Références et normes

• ASTM D149 — Tension de claquage diélectrique et rigidité diélectrique des matériaux isolants électriques solides — ASTM International
• ASTM D257 — Résistance ou conductance en courant continu des matériaux isolants — ASTM International
• ASTM D150 — Caractéristiques de pertes en courant alternatif et permittivité (constante diélectrique) des isolants électriques solides — ASTM International
• ASTM D495 — Résistance à l'arc sec haute tension, faible courant des isolants électriques solides — ASTM International
• CEI 60587:2022 — Résistance au cheminement et à l'érosion des matériaux isolants — Commission électrotechnique internationale
• CEI 60112 — Indice de suivi comparatif (CTI) — UL Solutions
• UL 746B — Matériaux polymères, Évaluations des propriétés à long terme (RTI) — Normes et engagement d'UL
• Trihydrate d'alumine (ATH) / Hydroxyde d'aluminium — Mécanisme ignifuge — Sujets ScienceDirect