Desarrollo de una herramienta de simulación de transporte de carga eléctrica en polímeros

Abstract

La utilización de polímeros en la industria eléctrica está cada día más extendida. Ejemplos de ello son su empleo en la fabricación de cables, como es el caso del PVC en baja tensión, o del PRC, en alta tensión, hasta sus aplicaciones como almacenadores de carga o como aislantes. Tampoco se pueden ignorar las posibilidades que se abren en el campo de los polímeros electroactivos, como son la posibilidad de generar energía a través de esfuerzo mecánico, o su utilización en la fabricación de músculos artificiales. Las propiedades eléctricas y mecánicas tan peculiares de este tipo de materiales han sido en las últimas décadas objeto constante de estudio. El avance en el conocimiento de sus propiedades físicas todavía no se ha detenido, prueba de ello es el gran número de publicaciones que se publican en la actualidad al respecto. La complejidad del transporte de cargas en este tipo de materiales hace realmente complicado estudiar analíticamente procesos de carga y descarga. Por esta razón, el uso de herramientas que faciliten la obtención de resultados precisos en este tipo de procesos cobra especial importancia. Estos simuladores son cada vez más utilizados por los investigadores, permitiendo realizar predicciones sobre las experiencias que pretenden realizar, así como detectar errores o estudiar nuevos materiales. El objetivo de este proyecto es desarrollar una herramienta que sirva de base para realizar un simulador que permita reproducir fielmente los resultados obtenidos en experiencias de carga y descarga en polímeros. En última instancia el simulador debería incorporar inteligencia artificial, permitiendo deducir parámetros de los materiales a partir del proceso inverso, es decir, dados los resultados de los procesos de carga y descarga. Este proyecto se centra en modelar el transporte de cargas en un material polimérico. En estos materiales, la corriente eléctrica se ve afectada por el hecho de que muchos de los portadores de carga en movimiento quedan atrapados dentro del material. En esta herramienta se modela un material polimérico que presenta una distribución de trampas exponencial, que numerosos autores consideran la más apropiada como modelo en estos materiales.[1] Sin embargo, la adaptación a distribuciones de trampas gaussianas, o de otra índole, no debe suponer un problema una vez la herramienta ha sido desarrollada. En primer lugar se estudian los principales modelos de transporte de carga propuestos hasta la fecha, destacando los modelos de salto de rango variable (VRH) y de atrapamiento múltiple (MT). Tras el estudio de la literatura existente sobre el tema, se concluye que el modelo MT es muy adecuado en sólidos desordenados, como los polímeros, con densidad de estados exponencial, y permite simular con precisión el transporte dispersivo que se da en los procesos transitorios en este tipo de materiales.

The use of polymers in the electrical industry is becoming more widespread nowadays. Examples include use in the manufacture of cables, such as PVC or PRC-made cables in low voltage or high voltage, respectively. Besides, electroactive polymers have made an impact due to their impressive properties, which enable the generation of electric energy from mechanical stress, or their use as artificial muscles controlled by applied voltage. The electrical and mechanical properties of these materials have been object of study during the last decades. The advances in knowledge of their physical properties continue as of today, as the large amount of articles related to the topic published each year proves. The complexity of the dynamics of transport charge in these materials makes it complicated to study analytically the processes of charging and discharging. For this reason, the use of tools which can be helpful in obtaining accurate results becomes even more important. These simulators are being more and more used by researchers, allowing prediction of experiences, error detection and study of new materials. The aim of this project is to develop a simulation tool which serves as a basis to create a better simulator able to reproduce precisely the results of experiences in processes of charging and discharging in polymers. Ultimately the simulator should incorporate artificial intelligence, allowing to deduct material parameters from the reverse process given the results of the processes of charging and discharging. This project focuses on modeling charge transport in a polymeric material. In these materials, the electric current is affected by the fact that many of the moving charge carriers are trapped within the material. In this tool a polymeric material having exponentially-distributed traps is modeled. Many authors consider this as an appropriate model in these materials [1]. However, adaptation to Gaussian distributions, or other trap distributions should not be a problem once the tool has been developed. First of all, a study about the main existing transport models, especially the well-studied variable range hopping (VRH) and multiple trapping (MT) has been made. After studying the literature on the subject, we conclude that the MT model suits well in disordered solids, such as polymers which have exponential density of states. It enables to visualize well the dispersive transport which occurs in transient processes in such materials.