Desenvolvimento de superfícies funcionais com filmes de titânio, para isoladores elétricos cerâmicos

Abstract

Resumo: Isoladores elétricos cerâmicos possuem duas funções quando utilizados na transmissão de energia elétrica: isolamento elétrico e suporte mecânico dos cabos. Sua função isolante é afetada quando exposto em ambientes sujeitos a intempéries naturais ou artificiais como: regiões marítimas, desérticas, industriais e etc. Os isoladores elétricos cerâmicos apresentam uma superfície hidrofílica, a qual corrobora com a formação de filmes de poluição em condições de umidade. Esses filmes contínuos ou descontínuos aumentam as correntes de fuga, geram aquecimento e incrustam o contaminante depositado. Nessas regiões, há aumento da corrente de fuga, o qual dependendo da intensidade pode desligar o fornecimento de energia elétrica e, em alguns casos, danificar o isolador elétrico "flashover". Atualmente, a forma mais utilizada na correção deste problema é a lavagem manual dos isoladores, a qual demanda de recursos hídricos, financeiros, não são permanentes e oferecem risco ao colaborador. Com o objetivo de minimizar essa manutenção periódica, neste trabalho, foram depositados filmes finos de titânio na superfície de substratos de isoladores cerâmicos, pela técnica de plasma pulsado "magnetron sputtering". Utilizou-se titânio metálico (pureza 99,99%) como alvo em atmosfera de argônio (pureza 99,999%), com variações de tempo de deposição entre 10 e 300 s. A espessura dos filmes depositados foi aferida pormicroscopia eletrônica de varredura, indicando que seu crescimento ocorreu a uma taxa média de 0,47 nm/s. Posteriormente, os filmes foram tratados termicamente em um forno a 400 °C, por 30 min. Este tratamento aumentou significativamente a aderência e contribuiu na redução de resistividade de folha para todos os filmes. Estes, foram caracterizados por técnicas de microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia Raman, consistindo preferencialmente de filmes finos nano estruturados com indicação de retração após o tratamento térmico. Com a técnica de UV-VIS foi possível avaliar a alteração de coloração e o band gap óptico dos filmes, indicando que filmes depositados com tempos de até 30 s são transparentes, sem interferência na cor do isolador original e "band gap" com característica semicondutora, na ordem de 3,2 eV. O ângulo de contato e a histerese foram avaliados pelas técnicas de gota séssil, utilizando um goniômetro de ângulo variável e pela técnica do borrifador, em acordo com a norma IEC 62073 e ASTM D7334-08. Com a análise dos resultados obtidos, constaram-se ângulos de contato superiores a 60° com filmes hidrofóbicos em acordo com as normas. As análises de XPS comprovaram que o filme de 20 s, tratado termicamente, apresentou a oxidação do titânio. Estes filmes foram selecionados pelos resultados elétricos, de coloração e de morfologia e aplicados em protótipos de isoladores comerciais, sendo testados em laboratório e in situ. Para este caso, foi desenvolvido um dispositivo rotacional no sistema de plasma, objetivando aplicar os filmes finos em toda a extensão de isoladores comerciais. Estes isoladores com o filme fino foram instalados na região de Pituba e Costa do Suípe, Bahia, Brasil, e apresentaram resultados de corrente de fuga reduzidas com característica autolimpante em condição de chuva avaliadas no período. Palavras chave: Hidrofobicidade 1. Isoladores elétricos cerâmicos 2. Filmes finos 3. Plasma 4.

Abstract: Ceramic electrical insulators have two functions when used in electrical power transmission: electrical insulation and cable mechanical support. The insulating function is affected when exposed to environments subject to natural or artificial weather in areas such as: sea, desert, industrial and etc. The ceramic electrical insulators have a hydrophilic surface, which corroborates with the formation of pollution films in humid conditions. These continuous or discontinuous films increase the leakage current, generate heating and incrust the deposited contaminant. In these areas, there is an increase in the leakage current, which depending on the intensity can disconnect the electric power supply and, in some cases, damage the electrical insulator (flashover). Currently, the insulators manual washing is the most used way to correct this problem, which demand water resources, are not permanent and shows risk to the employee. In order to minimize this periodic maintenance, thin films of titanium were deposited on the surface of substrates of ceramic electrical insulators using magnetron sputtering pulsed plasma technique. Metallic titanium (99.99% purity) was used as target in an argon atmosphere (purity 99.999%), with deposition time variations between 10 and 300 s. The deposited films thickness was verified by scanning electron microscopy, indicating that its growth occurred at an average rate of 0.47 nm/s. Subsequently, the films were heat treated in an oven at 400 ° C for 30 min. The heat treatment significantly increased the films adhesion and contributed to the sheet resistivity reduction. These were characterized by scanning electron microscopy and Raman spectroscopy techniques, preferably consisting of nanostructured thin films with shrinkage indications after the heat treatment. With UV-VIS technique, it was possible to evaluate the films color changes and the optical band gap, indicating that films deposited with times up to 30 s are transparent, without interference in the original isolator color, and the band gap have a semiconductorcharacteristic, in the order of 3.2 eV. The contact angle and the hysteresis were evaluated by the sessile drop technique, using a goniometer with variable angle and the spray technique, in accordance to IEC 62073 and ASTM D7334-08.Based on the results analisys, contact angles higher than 60 ° were obtained with hydrophobic films according to the standards. XPS analysis showed that the film of 20 s, thermally treated, was oxidized. These films were selected based on electrical results, color and morphology, and applied in prototypes of commercial insulators, being tested in the laboratory and in situ. For this case, a rotational device was developed in the plasma system, aiming to apply thin films to the full extent of commercial insulators. The electrical ceramic insulators with the thin film were installed in the region of Pituba and Costa do Sauípe, Bahia,Brazil, and presented reduced leakage current results with self-cleaning characteristics in the rainfall conditions on the evaluated period.Keywords: Hydrophobicity 1. Electrical ceramic insulators 2. Thin films 3. Plasma 4.