Einflüsse auf die elektrische Durchschlagsfestigkeit von Silikonelastomeren

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung und Motivation

2. Grundlagen der elektrischen Durchschlagsfestigkeit
2.1. Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit von Isolieröl
2.2. Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit von Kunststoffen
2.3. Problematik der Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit bei Silikonelas- tomeren

3. Herstellung der Proben
3.1. Reines Silikonelastomer
3.2. Bariumtitanat (BaT iO 3 )
3.3. Dispergierung von BaT iO
3.3.1. Dispergierung von 5-30 Vol.-% BaT iO 3 < 3 μ m
3.3.2. Dispergierung von > 40 Vol.-% BaT iO 3 < 3 μ m
3.3.3. Dispergierung von 2 Vol.-% BaT iO 3 < 100 nm
3.4. Formgebung
3.4.1. Aufbau/Geometrie
3.4.2. Vernetzung im Ofen
3.4.3. Entformen
3.4.4. Probengeometrie
3.4.5. Probengenauigkeit und Dickendrift
3.4.6. Probencharakterisierung
3.4.7. Fraktalstruktur
3.4.8. Vorversuche zur Formgebung von > 40 Vol.-% BaT iO

4. Apparative Aspekte und Messaufbau
4.1. Elektroden
4.1.1. Position im Messaufbau
4.1.2. Elektrodenabstand
4.1.3. Geometrie
4.1.4. Rauheit der Elektroden
4.2. Feder
4.3. Spannungsquelle
4.3.1. Gleichspannung/Wechselspannung
4.3.2. Spannungsfunktion
4.3.3. Steuergerät
4.4. Umgebendes Medium

5. Messung und Einflüsse auf die el. Durchschlagsfestigkeit und deren Interpretation
5.1. Exemplarische Durchschlagsbilder
5.1.1. Typische Durchschlagsbilder
5.1.2. Teilentladungen
5.2. Elektrische Durchschlagsfestigkeit von Silikonelastomeren: Einfluss von Probendi- cke und Elektrodenabstand
5.2.1. Versuchsplan
5.2.2. Statistische Modellbildung und Einflussgrößen
5.2.3. Bewertung des allgemeinen Regressionsmodells
5.2.4. Modell und Messwerte der elektrischen Durchschlagsfestigkeit von Siliko- nelastomeren
5.2.5. Bestimmung des Elektrodenabstandes
5.2.6. Auswertung und Diskussion
5.3. Einfluss durch die Spannungsfunktion
5.3.1. Ergebnisse und Diskussion
5.4. Einfluss des Umgebungsmediums
5.4.1. Quellung durch Isolieröl
5.4.1.1. Vorquellung mit Toluol
5.4.1.2. Quellung mit Isolieröl
5.4.2. Kontaktwinkelmessung
5.4.3. Schutz durch PTFE-Spray
5.4.4. Variation in der Spannungssteigerung
5.4.5. Diffusionswege des Isolieröls
5.4.6. Messeinflüsse durch vorgequellte Proben
5.5. Vergleich Elastosil mit Silgel
5.5.1. Probenherstellung
5.5.2. Auswertung und Diskussion
5.6. Einflüsse durch BaT iO
5.6.1. Shore-Härte
5.6.2. Materialveränderung durch Kompression
5.6.3. Messwerte im Vergleich
5.6.4. Auswertung und Diskussion
5.6.5. Modellrechnung zur Evaluierung der Ergebnisse
5.6.6. Vergleich und Zusammenfassung der Auswertungsverfahren
5.7. Einflüsse durch die Elektrodenform

6. Zusammenfassung

A. Geräte und Materialien
A.1. Geräte.
A.2. Materialien

B. Literaturverzeichnis

C. Abbildungsverzeichnis

D. Tabellenverzeichnis

E. Anhang
E.1. Herstellung der Proben
E.1.1. Dispergierung von BaT iO
E.1.1.1. Dispergierung von 5-30 Vol.-% BaT iO 3 < 3 μ m
E.1.2. Formgebung
E.1.2.1. Probengenauigkeit und Dickendrift
E.2. Messung und Einflüsse auf die elektrische Durchschlagsfestigkeit und deren Inter-lpretation
E.2.1. Versuchsplan
E.2.2. Modell und Messwerte der elektrischen Durchschlagsfestigkeit von Siliko- nelastomeren
E.2.3. Auswertung und Diskussion
E.3. Einflüsse durch BaT iO
E.3.1. Messwerte im Vergleich
E.3.2. Auswertung und Diskussion
E.3.3. Modellrechnung zur Evaluierung der Ergebnisse

1. Einleitung und Motivation

Der Trend immer kleinere und leistungsstärkere elektronische Komponenten zu entwickeln führt dazu, dass isolierende Werkstoffe und Dielektrika bei gleichbleibenden Spannungen immer dünner werden. Hierbei steigt die Gefahr eines elektrischen Durchschlags, was eine irreparablen Zerstörung des Materials zur Folge hat. Die isolierende Eigenschaft würde beträchtlich gesenkt und das gesamte Bauteil in seiner Funktion geschädigt werden. Die elektrische Durchschlagsfestigkeit spielt daher aufgrund ihrer Rolle als „Kenngröße“ bei elektrisch isolierenden Werkstoffen eine zentrale Rolle. Im Zuge künftiger technischer Anwendungen ist diese „Kenngröße“ sowohl für neue Entwicklungen, als auch für neue Produktionsprozesse ein nicht zu unterschätzendes Thema. Neue Anwendungen wie z. B. künstliche Muskeln oder biegsame Kondensatoren erfordern flexible Isolationsmaterialien. Hier sind vor allem Silikonelastomere ein wichtiger Werkstoff.

Als allgemeines Ziel technischer Anwendungen in diesem Bereich kann daher formuliert werden:

Die elektrische Durchschlagsfestigkeit soll erhöht werden.

Dass die elektrische Durchschlagsfestigkeit keine Materialkenngröße ist sondern in erster Linie vom Messaufbau abhängt, erschwert die Beantwortung dieser Fragestellung. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher zunächst herauszufinden, welche Einflüsse es auf die Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit bei Silikonelastomeren gibt und wie sich diese auswirken. Hierbei wird ein Messverfahren vorgestellt, bei dem die elektrische Durchschlagsfestigkeit eines Silikonelastomers unter Berücksichtigung seiner Härte und ohne der Notwendigkeit der Abstandsmessung der Elektroden bestimmt werden kann. Dieses Verfahren wird an Hand verschiedener Füllgrade von Bariumtitanat (BaT iO 3 ) im Silikonelastomeren getestet, um eine Aussage über die Veränderung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit zu machen. Zudem werden weitere Einflüsse der Span- nungsfunktionen sowie Umgebungseinflüsse untersucht. Dem Leser wird hiermit ein Leitfaden gegeben, welcher es ermöglicht, zuverlässige Messungen an Silikonelastomeren durchzuführen um die eigentlichen Auswirkungen durch Materialparameter zu untersuchen und Einflüsse des Messverfahrens zu reduzieren.

2. Grundlagen der elektrischen Durchschlagsfestigkeit

Die elektrische Durchschlagsfestigkeit ist ein Maß dafür, wie viel Spannung ein Material aushält.

Übersteigt die angelegte Spannung (bzw. das elektrische Feld) einen gewissen Wert, so kommt es zu einen elektrischen Durchschlag und das die isolierende Eigenschaft des Material ist deutlich gemindert. Derartige Messungen finden am häufigsten an Isolieröl/Transformatorenöl statt, weshalb zunächst auf diese Messvariante im Rahmen der thematischen Einführung eingegangen werden soll. Sodann sollen die Grundlagen der Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit an (formstabilen) Materialien erläutert werden, wie sie in der DIN EN 60243[1]vorgeschlagen werden. Am Ende dieses Kapitels wird hierbei die bisher ungelöste Problematik diskutiert, weshalb die vorgeschlagenen Messmethoden nicht ohne weiteres an Silikonelastomeren angewendet werden können.

Neben der elektrischen Durchschlagsfestigkeit gibt es noch weitere bekannte Durchschlagsar- ten für Werkstoffe, die in der Elektrotechnik relevant sind und hier kurz erwähnt werden sollen[2]:

Elektrischer Durchschlag

Ein elektrischer Durchschlag tritt dann auf, wenn ein elektrisch isolierendes Material einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, welchem nicht mehr standgehalten werden kann. Dies tritt in der Regel durch eine Spannungsüberhöhung (beispielsweise Blitzschlag) auf. Hierbei verliert das Material seine isolierende Wirkung und es kann zu einem Durchschlag mit Stromfluss kommen.

Wärmedurchschlag

Ein Wärmedurchschlag tritt vor allem bei Isolierungen auf, wenn die zugeführte Wärme größer ist als die abgeführte Wärme. Durch einen dauerhaften Einfluss hoher Temperaturen kann sich das Material zersetzen und nach einiger Zeit zerstört werden. Vor allem im Kabelbereich ist dies relevant: Erhitzt sich ein Kabel zu lange, so kann das Material der isolierenden Hülle derart zersetzt werden, dass die isolierende Wirkung gegen Spannungen nicht mehr hinreichend gegeben ist, wobei es noch vor Erreichen der Lebensdauer zu einem Spannungsdurchschlag kommen kann.

Erosionsdurchschlag

Alterungsbedingte Faktoren, wie beispielsweise Feuchtigkeit, chemische/physikalische Einwir- kungen, UV-Strahlung etc. können ein Material auf lange Sicht schädigen. Diese Einwirkungen schädigen das Material in aller Regel nicht sofort sondern über mehrere Jahre hinweg. Auch hier gilt bei Isolatoren: Eine dauerhafte Belastung wie beispielsweise UV-Strahlung kann das Material beschädigen oder verspröden, so dass eine isolierende Wirkungen nicht mehr gegeben ist und es dadurch zu einem Spannungsdurchschlag kommen kann.

2.1. Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit von Isolieröl

Isolatorenöl wird in Transformatoren eingesetzt und besitzt eine hohe isolierende Wirkung gegen elektrische Spannungen. Da die elektrische Durchschlagsfestigkeit am häufigsten an Isolieröl getestet wird, soll die Messmethodik zunächst an diesem Medium erläutert werden. Isolieröl hat in den Transformatoren vor allem folgende Zwecke[3]:

- Elektrische Isolierung spannungsführender Teile
- Kühlung der Wicklungen
- Funkenlöschung

Für die Prüfung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit von Isolieröl wird folgender Messaufbau angewendet: Zwei kalottenförmige Elektroden stehen sich mit einem Abstand von 1 mm in einem Behälter (auch „Tasse“ genannt) gegenüber. Das Isolieröl befindet sich in diesem Behälter. Eine der Elektroden ist spannungsführend. Auf ihr wird die entsprechende Messspannung angelegt. Die zweite Elektrode ist geerdet (Abbildung 2.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1.: Fotografische Aufnahme einer Testvorrsichtung zur Ermittlung der elektrischen Durch- schlagsfestigkeit von Isolieröl (mit freundlicher Genehmigung der Firma Schleich)[4].

Auf der spannungsführenden Elektrode wird nun eine kontinuierlich steigende Spannung aufgebaut.

Sobald die elektrische Durchschlagsfestigkeit erreicht bzw. überschritten wurde, kommt es zu einem Durchschlag. Dieser ist als Blitz auf der kürzesten Strecke zwischen den Elektroden sichtbar, bei der das elektrische Feld am höchsten ist. Durch diesen Durchschlag bricht die angelegte Spannung sofort ein und es fließt Strom. Abbildung 2.2 verdeutlicht dies schematisch. Die elektrische Durchschlagsfestigkeit wird wie folgt angegeben[1]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Spannung, welche das Material gerade noch widerstanden hat, wird in kV angegeben. Dies wird im Verhältnis zum Elektrodenabstand in mm angegeben. Dabei nimmt die Durchschlagsfes- tigkeit mit zunehmenden Elektrodenabstand (im Verhältnis) ab[5]. Dies bedeutet nicht dass größere Strecken mit einer geringeren Spannung überbrückt werden können sondern nur mit einer vergleichsweisen geringeren Spannung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2.: Schematische Darstellung der Spannungs- und Stromkurve zur Ermittlung der elektri- schen Durchschlagsfestigkeit. Die Spannung wird kontinuierlich erhöht, bis die isolie- rende Wirkung des Materials verloren geht und Strom fließt. Dabei kommt es zu einem Spannungsabfall.

2.2. Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit von Kunststoffen

Für die Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit von Kunststoffen (bzw. generell formstabilen Proben) bildet die DIN EN 60243[1]die Grundlage. Sie schlägt zunächst folgende Messaufbauten vor:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3.: Schematische Darstellung der Elektrodengeometrien, die in der DIN EN 60243[1] vorgeschlagen werden. Links: Standard-Konfiguration mit zwei Kugelelektroden für formstabile Proben. Mitte: Konfiguration mit flacher Elektrode an der Unterseite zur Unterstützung von weichen Materialien. Rechts: Zwei flache Elektroden für dünne und spröde Materialien wie Tafeln und Platten.

Kugel-Kugel-Elektrodenanordnung Für feste Formstoffe werden zwei kugelförmige Elektroden vertikal angeordnet, was als Standard- Elektrodenanordnung gilt. Die obere Elektrode ist spannungsführend. Die untere Elektrode ist geerdet. Die Probendicke bzw. der Elektrodenabstand soll 1 mm betragen und der Kugeldurchmesser der Elektroden 20 mm ± 1 mm. Es gibt zwei Hauptgründe für den Einsatz von zwei Kugelelektroden:

1. An der Stelle, bei der sich beide Elektroden am nächsten sind, ist die elektrische Feldstärke am höchsten. Hier wird es zum Durchschlag kommen. Wird die Probendicke an der Durchschlagsstelle ermittelt, so kann die elektrische Durchschlagsfestigkeit in kV/mm angegeben werden.
2. Bei flachen Elektroden herrscht zwischen den Elektroden ein quasihomogenes elektrisches Feld. Durch Mikrorauheit der Probenoberflächehat liegt eine inhomogene Dickenverteilung des Isoliermaterials vor. Hierbei kommt es an jener Stelle zum Durchschlag, bei der die Spannung am wenigsten Isoliermaterial durchdringen muss. Dies bedeutet, dass bei flachen Elektroden die Oberflächenrauheit einen Einfluss auf die Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit haben kann.

Kugel-Platte-Elektrodenanordnung

Für weiche Materialien wird als obere Elektrode eine Metallkugel mit einem Durchmesser von

20 mm ± 1 mm eingesetzt. Die untere Elektrode soll ein Metallzylinder mit einem Durchmesser von 25 mm ± 1 mm sein, dessen Kanten abgerundet sind und einen Radius von 2,5 mm besitzen. Die untere flache Elektrode dient für weiche Proben als mechanische Unterstützung, damit diese nicht seitlich herunter hängt.

Platte-Platte-Elektrodenanordnung

Für Platten und Tafeln schlägt die Norm DIN EN 60243[1]zwei ungleichgroße plattenförmige Elektroden vor. Diese sollen aus zwei Metallzylindern bestehen, wovon beide einen Kantenradius von 3 mm ± 0,2 mm besitzen sollen. Eine Elektrode soll einen Durchmesser von 25 mm ± 1 mm besitzen und ca. 25 mm hoch sein. Die zweite Elektrode soll einen Durchmesser von 75 mm ± 1 mm und 15 mm hoch sein. Dies dient dazu, spröden und dünnen Werkstoffe nicht durch einer zu hohen punktuellen Belastung zu schädigen. Es handelt sich dabei um eine ungünstige Elektrodengeometrie, da das elektrische Feld quasihomogen über die gesamte Probe verteilt ist. Dies bedeutet dass durch das elektrische Feld ein Durchschlag bevorzugt an Stellen auftritt, bei denen weniger Isolationsmaterial vorhanden ist oder sich Fehlstellen befinden. Wird die Probendicke gemessen, erhält man die Probendicke der höchsten Stelle. Abbildung 2.4 verdeutlicht die elektrische Feldverteilung schematisch. Neben der Problematik der Mikrorauheit liegt zudem eine elektrische Feldüberhöhung im Randbereich vor. Diese Thematik wird in Abschnitt 5.7 (ab Seite 81) besprochen.

2.3. Problematik der Messung der elektrischen

Durchschlagsfestigkeit bei Silikonelastomeren Wie oben erwähnt muss bei der Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit die Angabe der Spannungsfestigkeit im Verhältnis zum Elektrodenabstand angegeben werden. Dies gestaltet sich bei formstabilen Proben durch eine Dickenmessungen sehr einfach. Hier wird die geführte Elektrode (ohne zusätzlichen Druck) auf die Probenoberfläche aufgesetzt und die Probendicke gemessen. Die elektrische Durchschlagsfestigkeit nimmt mit zunehmendem Elektrodenabstand (bzw. Probendicke) ab. Um eine Vergleichbarkeit zu gewährleisten, sollen daher Proben immer eine Dicke von 1 mm haben [5]. Unter anderem zeigte Danikas [6] in seiner Arbeit die elektrische

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4.: Schematische Darstellung der elektrischen Feldverteilung (rote Einfärbung) verursacht durch eine bestimmte Elektrodengeometrie auf einer rauen Probenoberfläche. Links: Höchstes elektrisches Feld zwischen den Kugelelektroden. Rechts: Quasi-Homogene Feldverteilung zwischen flachen Elektroden. Die Feldüberhöhung am Randbereich flacher Elektroden wird in Abschnitt 5.7 (ab Seite 81) besprochen.

Durchschlagsfestigkeit in Abhängigkeit vom Elektrodenabstand (Abbildung 2.5). Es zeigt sich eine vergleichsweise geringere elektrische Durchschlagsfestigkeit bei einen größeren Elektrodenabstand.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5.: Zusammenhang zwischen der gemessenen elektrischen Durchschlagsfestigkeit und dem Elektrodenabstand aus der Arbeit von Danikas[6].

Bei Silikonelastomeren beginnt das Problem mit der Messung der Probendicke. Das Anlegen eines Messgeräts verändert bereits die Form, da hierzu ein Messelement (beispielsweise Schieblehre) auf die Elastomeroberfläche aufgesetzt werden muss. Ein exakter Anschlagspunkt ist nicht spürbar.

Auch die angelegte Elektrode drückt die Probe auf einen undefinierten Abstand zusammen. Die Norm schlägt hierbei zwar den Einsatz einer geführten Kugelelektrode vor. Allerdings ist weder die Messung der Dicke eines Silikonelastomers mit mechanischen Mitteln mit hinreichender Genauigkeit möglich, noch ist der tatsächliche Elektrodenabstand bestimmbar. Hinzu kommt die Problematik, dass die Kugelelektrode eine punktuelle Belastung auf die Silikonprobe ausübt, so dass diese undefiniert in die Probe einsinkt. Diese Problematik wurde in mehreren Arbeiten thematisiert, die allerdings alle auf eine aufwendige Einbettung von Elektroden basieren. Lothongkam[7]erstellte hierzu eine gelungene Übersicht über die bisher verwendeten Messverfahren, die um die Arbeit von Finis[8]ergänzt wurde (Tabelle 2.1).

Finis und Danikas [6, 8] schlagen hierfür einen Messaufbau vor, in dem das Silikon in einen Behälter mit zwei Elektroden eingegossen wird. Dies hat allerdings folgende Nachteile:

1. Auf Grund von Streueffekten sind sehr viele solcher Messaufbauten bzw. Messungen notwen-

Tabelle 2.1.: Übersicht über die Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit von Silikonelastomeren

Allgemein[1] Winter[9] Österheld[10] Danikas[6] Finis[8]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

dig[2]. Dies bedeutet einen sehr hohen apparativen und zeitaufwändigen Versuchsablauf. Das Wiederverwenden der Messzellen ist mit hohem Aufwand verbunden.

2. Im Rahmen dieser Arbeit werden auch Proben mit Bariumtitanat (BaT iO 3 ) untersucht. Die Dispergierung setzt mehrere Misch- und Evakuierungsprozessschritte voraus. Dies ist in einer solchen Messzelle nicht möglich. Zudem besteht durch das Evakuieren die Gefahr, dass eine art „Particle-Pushing“-Effekt generiert wird, die eine fraktale/inhomogene Verteilung der Partikel hervorruft, welches die Messergebnisse beeinflussen kann. Dieser Effekt wird in Abschnitt 3.4.7 ab Seite 21 näher diskutiert.

In weiteren Arbeiten von Winter und Österheld [9, 10] wird die Verwendung von vier eingebetteten Elektroden vorgeschlagen, welche auf einer gemeinsamen Elastomerprobe aufgesetzt werden, um den apparativen Aufwand wie in der Arbeit von Finis und Danikas [6, 8] zu reduzieren. Hierbei ist allerdings ebenfalls ein nicht zu vernachlässigender Aufwand notwendig. Zudem sind große Proben notwendig, was große Formen erfordert und vergleichsweise weniger Proben untersucht werden können.

Generell gilt: Die Messungen mit verschiedenen Elektroden an demselben Material sind nicht direkt miteinander vergleichbar. Bei festen Formkörpern liefert jede Elektrode eine etwas andere elektrische Feldverteilung und belastet das Material elektrisch anders. Bei Silikonelastomeren kommt hinzu, dass die obere Elektrode je nach Messaufbau einen etwas anderen Druck ausübt und somit undefiniert in die Probe einsinkt. Bei diesen Messungen hat in der Regel die Apparatur einen entscheidenden Einfluss auf die Messergebnisse. Daher sind immer möglichst alle Messbedingungen anzugeben. Die hier ermittelten Messwerte können bei einem anderen Messgerät deutlich anders ausfallen, wenn beispielsweise die Elektrodenführung eine andere Geometrie (länger/kürzer, größerer/kleinerer Durchmesser etc.) aufweist und somit ein anderes Gewicht hat. Auch ein dickeres oder dünneres Erdungskabel könnte die Messungen beeinflussen[12]. Variationen in der Härte können die Eindringtiefe der Elektrode beeinflussen und sind ebenfalls ein wichtiger Aspekt. Aussagen über eine veränderte elektrische Durchschlagsfestigkeit des Materials z. B. durch Additive können daher nur mit demselben Messaufbau getroffen werden.

In dieser Arbeit wird ein Messverfahren vorgestellt, mit der eine Vielzahl von Silikonelastomer- proben auf ihre elektrische Durchschlagsfestigkeit untersucht werden können, ohne dass große Proben hergestellt werden müssen oder das Material eingebettet werden muss.

3. Herstellung der Proben

In diesem Kapitel wird auf die Herstellung der in Abschnitt 5.6 (ab Seite 57) untersuchten Compounds eingegangen. Zunächst werden einige Anwendungszenarien und grundlegende In- formationen zum Silikonelastomer gezeigt (Abschnitt 3.1). Sodann wird in Abschnitt 3.3 auf die Dispergierung von BaTiO 3 in das Silikonelastomer eingegangen, was mit Hilfe von raster- elektronenmikroskopischen Aufnahmen evaluiert wird. In Abschnitt 3.4 (ab Seite 16) werden abschließend noch Einflüsse durch die Formgebung auf die hergestellten Proben diskutiert.

3.1. Reines Silikonelastomer

Im Rahmen dieser Arbeit wird das Silikonelastomer „Elastosil LR 3003/03“ von der Firma Wa- cker verwendet. Es handelt sich hierbei um ein Zwei-Komponenten-Silikon, welches 1:1 gemischt wird. Die chemische Bezeichnung lautet Polydimethylsiloxan (PDMS) und wird auch Liquid- Silicone-Rubber (LSR) genannt. Es handelt sich hierbei um ein hochtemperaturvernetztendes Silikonelastomer (HTV). Anwendungsszenarien Der Hersteller nennt einige Eigenschaften, welche das Elastosil auszeichnen. So wird beispielsweise eine hohe Hitzebeständigkeit, Geruchs- und Geschmacksneutralität sowie eine hohe Resistenz gegenüber Chemikalien und Umwelteinflüsse genannt. Zudem ist die Oberfläche wasserabweisend und besitzt eine hohe Flammresistenz. Des Weiteren werden einige Produktbeispiele (aus dem Alltag) für den Einsatz von Elastosil genannt: Silikonbeschichtetes Gewebe für Kleidung von Rettungskräften, Dichtungen im Lebensmittelbereich (z. B. Trinkbehälter), Schläuche, Sauger und Schnuller, Backformen etc.[13]. Zusätzlich sind in Tabelle 3.1 einige Herstellerangaben über das Silikonelastomer angegeben.

Tabelle 3.1.: Eigenschaftsprofil von Elastosil 3003/03[13]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für Proben aus reinem Silikonelastomer wird folgendes Verfahren angewendet: Die Komponenten A und B werden in einem Verhältnis von 1:1 in einem Becher abgewogen. Im Speedmixer (Speedmixer DAC 150 SP von der Firma Hauschild) werden beide Komponenten anschließend für 5 Minuten bei 1000 U/min miteinander vermischt. Anschließend wird das Gemisch in die Form gegossen und solange evakuiert, bis keine Blasen mehr entstehen. Sodann wird die Form geschlossen und für 4 Stunden bei 120 ◦ C in den Ofen gestellt, wobei sich das Material vernetzt (siehe Abschnitt 3.4, Seite 16).

3.2. Bariumtitanat (BaT iO 3 )

Bariumtitanat wird in der Elektrotechnik auf Grund seiner dielektrischen, pyroelektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften als keramischer Werkstoff eingesetzt. Durch eine hohe Permittivität ist BaT iO 3 sehr gut als Dielektrikum geeignet, welches aber stark temperatur- und feldstärkenabhängige Eigenschaften hat. Zur Dispergierung wird BaT iO 3 der Firma Aldrich eingesetzt. Die Primärpartikelgröße gibt der Hersteller mit durchschnittlich < 3 μ m an. Bei der Verwendung von BaT iO 3 besteht die Gefahr der akuten Toxizität durch Einatmen und oralen Kontakt (jeweils Kategorie 4)[14]. Es kam daher eine Glovebox zum Einsatz.

3.3. Dispergierung von BaT iO 3

Sowohl vor, als auch während der Verarbeitung des BaT iO 3 im Silikonelastomer kann es auf Grund von Oberflächenenergien zu Agglomerationen kommen. Es soll daher zunächst geprüft werden, wie groß die Primärpartikelverteilung ist. Sodann soll anhand von REM-Aufnahmen der dispergierten Proben evaluiert werden, wie nahe man mit dem Dispergierverfahren an diese Primärpartikelverteilung gekommen ist. Auf Grund der Gefahr von akuter Toxizität durch das BaT iO 3 wird aus Gründen der Sicherheit eine Glovebox verwendet, in der das BaT iO 3 abgewogen und dem Silikonelastomer zugefügt wird.

Primärpartikelverteilung

Die Primärpartikelverteilung des BaT iO 3 wurde mit Hilfe der dynamischen Lichtstreuung (LB- 550 von der Firma Retsch Technology - Horiba) untersucht. Der Hersteller empfiehlt die Partikel in Wasser zu dispergieren. Allerdings war eine Messung mit Wasser als Umgebungsmedium nicht möglich, da es auf Grund des hohen Dichteunterschieds zu stark schwankenden Ergebnissen kam. Jede Messung lieferte andere Verteilungskurven und das BaT iO 3 setzte sich noch während der Messung am Boden der Küvette ab. Es wurde daher ein hochviskoses Silikonöl (Wacker AK 20000 Siliconol) eingesetzt. Das BaTiO 3 wurde zunächst mit einem Magnetrührer im Silikonöl vordispergiert und anschließend für 30 Minuten im Ultraschallbad weiter dispergiert. Sodann wurden mehrere Messungen durchgeführt. Hierbei wurde dreimal die gleiche Verteilungskurve gemessen, so dass hier von der wahren Primärpartikelverteilung ausgegangen werden kann (Abbildung 3.1). Als Partikelgröße wurde ein d 99-Wert von ≲ 0,766 μ m ermittelt.

3.3.1. Dispergierung von 5-30 Vol.-% BaT iO 3 < 3 μ m

Für die Dispergierung bis 30 Vol.-% BaT iO 3 schlägt Rehnig [15] ein diskontinuierliches Verfahren vor, um eine optimale Dispergierung zu erreichen. Hierbei wird die gesamte Dispergierzeit im

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1.: Primärpartikelverteilung von < 3 μ m BaT iO 3 , die mit Hilfe der dynamischen Licht- streuung ermittelt wurde.

Speedmixer von mehreren Evakuierungsschritten unterbrochen. Dies dient dazu, eingebrachte Luft zu entfernen und im jeweils nächsten Dispergierschritt eine bessere Scherkraft zwischen den Partikeln zu erzeugen, um noch bestehende Agglomerate aufzubrechen. Die Dispergierung erfolgte nach folgendem Schema:

1. Elastosil 1:1 abwiegen
2. 5 min bei 1000 U/min mischen
3. Evakuieren, bis keine Luftblasen mehr sichtbar sind
4. BaT iO 3 einwiegen (in der Glovebox)
5. 3 min bei 2000 U/min dispergieren
6. Evakuieren, bis keine Luftblasen mehr sichtbar sind 7. 3 min bei 2000 U/min dispergieren
8. Evakuieren, bis keine Luftblasen mehr sichtbar sind 9. 2 min bei 2000 U/min dispergieren
10. Mischung in Form füllen und evakuieren, bis keine Luftblasen mehr sichtbar sind
11. 4 h im Ofen bei 120 ◦ C vernetzen lassen

Rehnig[15]fand heraus, dass bei einer diskontinuierlichen Dispergierung mit einer gesamten Dispergierzeit von 8 Minuten eine homogene Dispergierung vorliegt.

In dieser Arbeit sollen neben reinem Silikonelastomer Compounds mit einem Füllgrad von 5, 10,

20 und 30 Vol.-% BaT iO 3 untersucht werden. Der Zusammenhang vom Vol.-% und Gew.-% ist

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2.: Zusammenhang zwischen Massen- und Volumenprozent.

in Abbildung 3.2 dargestellt.

Für die REM-Aufnahmen wurden Proben nach oben genannten Dispergierverfahren mit unter- schiedlichen Füllgraden hergestellt und präpariert: Hierzu wurde die Probe für einige Sekunden in flüssigen Stickstoff gehalten. Sobald die Probe hart war, wurde sie mittig zerbrochen und mit der glatten Bruchfläche nach oben in einen REM-Halter fixiert. Anschließend wurde die Probe in einem Sputter-Coater (Sputter Coater S150B von der Firma Edwards) für 3 Minuten mit einem Plasma mit Gold beschichtet, um eine gute Leitfähigkeit der Probenoberfläche zu erzielen. Anschließend wurden die REM-Aufnahmen angefertigt, auf der möglichst viele Partikel sichtbar sind (Abbildung 3.3). Damit der Auswerteprozess für mehrere Aufnahmen mit Hilfe eines Makros automatisiert werden kann, sollte für jede Aufnahme die gleiche Vergrößerung, sowie ähnliche Helligkeits-/Kontrastwerte vorliegen.

Die REM-Aufnahmen wurden anschließend mit der Software Fiji ausgewertet. Mit einem pro- grammierten Makro wendet die Software auf alle REM-Aufnahmen zunächst den Threshold- Algorithmus „Moments“ an. Hierbei wird durch den Algorithmus festgelegt, welches Objekt auf den REM-Aufnahmen ein Partikel ist. Der Algorithmus „Moments“ erkannte auch die un- scharfen Partikel unter der Oberfläche am besten. Sodann werden alle Partikel automatisch von Fiji vermessen. Mit diesem Verfahren ist es möglich, mehrere tausend Partikel pro Aufnahme auszuwerten, um eine aussagekräftige Verteilung zu erhalten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.4 zeigt die erkannten Partikel mit Hilfe eines Threshold-Algorithmus „Moments“.

Hierbei ist darauf zu achten, dass die weiße Leiste am unteren Bildrand aus Abbildung 3.3 nicht in die Analyse mit einbezogen wird. In diesem Fall wurden 2914 Partikel erkannt und vermessen. Hierbei kann beispielswese die Partikelfläche, Kreisfläche (Partikel wird als rund angenommen), X- und Y-Länge, Umfang etc. ausgewertet werden. Zur Auswertung wurde der

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.3.: REM-Aufnahme von 5 Vol.-% BaT iO 3 .

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.4.: Angewandter Algorithmus zur Charakterisierung jedes Partikels der REM-Aufnahme mit 5 Vol.-% BaT iO 3 . In diesem Bild wurden 2914 Partikel ausgewertet.

Feret-Durchmesser genutzt. Der Feret-Durchmesser ist der längste Abstand zwischen zwei Punkten eines Partikels. Abbildung 3.5 zeigt die errechnete Partikelgrößenverteilung für 5 Vol.-% BaT iO 3 . Mit zunehmenden Füllgrad traten zwar makroskopische Inhomogenitäten auf, allerdings zeigten sich keine Agglomerate, so dass die Dispergierzeit für alle Füllgrade ausreichend war. Ein Vergleich der Messungen ist in Tabelle 3.2 gegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3.2.: Vergleich der Partikelgrößenverteilung nach Füllgrad

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.5.: Kumulierte Partikelgrößenverteilung von 5 Vol.-% BaT iO 3 mit 2914 vermessenen Partikeln.

3.3.2. Dispergierung von > 40 Vol.-% BaT iO 3 < 3 μ m

Bei der Formgebung von > 40 Vol.-% BaT iO 3 im Silikonelastomer stellte sich heraus, dass die Qualität nicht mit Proben vergleichbar ist, deren Füllstoffgehalt max. 30 Vol.-% BaT iO 3 beträgt. Die Dispergierung von 40 Vol-% BaT iO 3 war zwar möglich, allerdings ist die Formgebung nicht in hinreichender Qualität möglich gewesen. Auf diese Problematik wird gesondert in Kapitel

3.4.8 ab Seite 22 eingegangen. Laut Hersteller ist das Silikonelastomer mit Lösemittel verdünn- bar[13]. Daher wurde das bisherige Dispergierverfahren aus Abschnitt 3.3.1 (Seite 10) darin ergänzt, die gleiche Menge von Isoprobanol wie das gesamte Silikonelastomer hinzuzufügen. Mit Hilfe des Isopropanols im Silikonelastomer konnte die Masse der Matrix verdoppelt wer- den. Das BaTiO 3 wurde nach wie vor auf die Mengenbasis des Silikonelastomers eingewogen (Elastosil A : Elastosil B : Isopropanol - 1:1:2). Nach den Evakuierungsvorgängen wurde das

ausgedampfte Isopropanol wieder auf das Ausgangsgewicht nachgefüllt. Die Verarbeitung von > 40 Vol.-% BaT iO 3 war mit folgendem Dispergierverfahren möglich:

1. Elastosil 1:1 abwiegen
2. Lösemittel (hier: Isopropanol) in gleicher Gewichtsmenge wie das gesamte Silikonelastomer hinzugeben
3. 5 m in bei 1000 U/min mischen
4. Evakuieren, bis keine Luftblasen mehr sichtbar sind und ausgedampftes Isopropanol auf das Ausgangsgewicht nachfüllen.
5. BaT iO 3 einwiegen (in der Glovebox)
6. 3 min bei 2000 U/min dispergieren
7. Evakuieren, bis keine Luftblasen mehr sichtbar sind und ausgedampftes Isopropanol auf das Ausgangsgewicht nachfüllen.
8. 3 min bei 2000 U/min dispergieren
9. Evakuieren, bis keine Luftblasen mehr sichtbar sind und ausgedampftes Isopropanol auf das Ausgangsgewicht nachfüllen.
10. 2 min bei 2000 U/min dispergieren
11. Mischung in Form füllen und evakuieren, bis keine Luftblasen mehr sichtbar sind
12. 4 h im Ofen bei 120 ◦ C vernetzen lassen

Beim Evakuieren der verdünnten Proben wurde der Behälter sehr kalt. Dies ist ein Hinweis auf eine endotherme Reaktion. Dabei wird Energie zum Verdampfen des Isopropanols aufgenommen. Die Problematik hierbei besteht darin, dass durch das sehr schnell ausdampfende Isopropanol die Probenmasse sehr fest wird. Dies erschwert sowohl die Scherwirkung zum Aufbrechen der Agglomerate während der Dispergierung, als auch das Austreiben der Luft. Da sowohl die Dispergierung, als auch die Formgebung (Abschnitt 3.4.8 ab Seite 22) mit > 40 Vol.% BaTiO 3 nicht in ausreichend hoher Qualität durchführbar waren, wurden diese Proben nicht für weitere Untersuchungen in Abschnitt 5.6 (ab Seite 57) berücksichtigt.

3.3.3. Dispergierung von 2 Vol.-% BaT iO 3 < 100 nm

Neben den 3 μ m großen BaTiO 3 -Partikeln sollte auch Nanopulver verarbeitet und getestet werden, welches eine Durchschnittliche Partikelgröße von < 100 nm hat. Auch hier wurde versucht die Primärpartikelgröße mit Hilfe der dynamischen Lichtstreuung zu ermitteln. Zur Untersuchung der Primärpartikelverteilung wurde das BaT iO 3 zunächst 5 Min bei 1000 U/min im Speedmixer in Silikonöl (AK 20000 Siliconol von Wacker) vordispergiert. Sodann wurde es für 30 min im Ultraschallbad weiter dispergiert. Die Messungen zeigten allerdings, dass nur Partikel mit einer Größe von > 6 μ m gemessen wurden. Auch in der Küvette waren nur größere Partikel sichtbar. Das hochviskose Medium konnte eine Agglomeration der Nanopartikel nicht verhindern.

Obwohl eine Untersuchung der Primärpartikelverteilung zur Evaluation des Dispergiererfolgs nicht möglich war, sollte dennoch die Einarbeitung des Nano- BaTiO 3 in das Silikonelastomer untersucht werden.

Es wurde versucht die Nanopartikel nach folgendem Verfahren in das Silikonelastomer zu dispergieren:

1. Elastosil 1:1 abwiegen
2. 5 min bei 1000 U/min mischen
3. Evakuieren, bis keine Luftblasen mehr sichtbar sind
4. BaT iO 3 einwiegen (in der Glovebox)
5. 3 min bei 2000 U/min dispergieren
6. Evakuieren, bis keine Luftblasen mehr sichtbar sind 7. 3 min bei 2000 U/min dispergieren
8. Evakuieren, bis keine Luftblasen mehr sichtbar sind 9. 2 min bei 2000 U/min dispergieren
10. 30 Min im Ultraschallbad
11. Mischung in Form füllen und evakuieren, bis keine Luftblasen mehr sichtbar sind
12. 4 h im Ofen bei 120 ◦ C vernetzen lassen

Die hergestellten Proben wurden im REM untersucht. Auch hier zeigte sich, dass trotz Ultra- schallbad eine starke Neigung zur Agglomeration und Sedimentation vorliegt. Es ist zu vermuten, dass die Agglomerate im Ultraschallbad gelöst werden, doch vor der Vernetzung könnte es zu einer Neubildung der Agglomerate gekommen sein, wie Abbildung 3.6 zeigt. Da die Dispergierung von Nanopartikeln nicht mit hinreichend hoher Qualität durchführbar war, wurden diese Proben nicht für weitere Untersuchungen in Abschnitt 5.6 (ab Seite 57) berücksichtigt.

3.4. Formgebung

Wie sich im Verlauf der Untersuchung zeigen wird, spielt die Dicke der Elastomerproben eine zentrale Rolle zur Ermittlung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit, auch wenn die Elektroden fast auf den gleichen Abstand zusammen gedrückt werden. In diesem Kapitel wird daher zunächst

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.6.: REM-Aufnahme von 2 Vol.-% BaT iO 3 mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von < 100 nm. Es bildeten sich relativ große Agglomerate.

der Aufbau der Form vorgestellt, mit der die Proben hergestellt wurden. Das in Abschnitt 3.3 hergestellte Silikonelastomer-Compound wird in die Form gegossen und im Ofen vernetzt. An- schließend soll die Genauigkeit der Form untersucht werden, die einen ganz entscheidenden Einfluss auf die Probenhöhe hat. Der Umstand des lokalen Dickenschwankung (Dickendrift) wird genutzt, um Einflüsse aus feinsten Variationen aus der Probendicke zu untersuchen.

3.4.1. Aufbau/Geometrie

Für die Untersuchung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit von Silikonelastomeren sind auf Grund der Streuungen der Ergebnisse zahlreiche Proben zu untersuchen, um trotz Varianzen aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten. Hierzu wird das noch unvernetzte Silikonelastomer in eine Teflon-Form (PTFE) gegeben. Das PTFE hat eine hohe Wärmebeständigkeit; zugleich lässt sich das Silikonelastomer leicht wieder herauslösen. Auf das Formnest wird ein Formstempel gesetzt. Dieser bildet das Gegenstück zum Formnest und ermöglicht durch seine Höhe eine definierte Probendicke. Beim Aufsetzen des Formstempels wird überschüssiges Material in die Seitenränder gedrückt. Sollte zuviel Material vorhanden sein, kann es zusätzlich über seitliche Öffnungen abfließen. Die PTFE-Formteile werden durch angeschraubte Stahlelemente mechanisch unterstützt. Abbildung 3.7 zeigt das Formnest und die daraus gewonnenen Silikonprobe.

Zur Untersuchung verschiedener Probendicken stehen Formen für unterschiedliche Probendicken zur Verfügung. Abbildung 3.8 zeigt schematisch die Formelemente von der Stirnseite. Es soll damit verdeutlicht werden, wie die Probendicke durch die Abstände von Formnest und -stempel eingestellt werden können. In dieser Zeichnung wäre die Probendicke 1 mm. Für die Probenher- stellung wurden Proben mit einer Soll-Dicke von 0,4; 0,5 und 0,6 mm hergestellt. In Abschnitt 3.4.5 ab Seite 19 wird gezeigt, dass die tatsächliche Probe immer dicker als die Soll-Dicke ist und

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.7.: Fotografische Aufnahme des PTFE-Formnests sowie eine daraus gewonnene Silikonpro- be.

zudem eine lokale Variation in der Dicke aufweist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.8.: Schematische Zeichnung des Form-Querschnitts. In diesem Beispiel würde die Probe eine Höhe von 1 mm erhalten.

3.4.2. Vernetzung im Ofen

Wie eingangs beschrieben, besteht das (unvernetzte) Silikonelastomer aus zwei Komponenten. Die Vernetzung der beiden Komponenten kann in geringen Maße auch bei Raumtemperatur erfolgen. Zur vollständigen Vernetzung sind aber höhere Temperaturen notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Proben bei 120 ◦ C für 4 Stunden vernetzt. Bei erhöhten Temperaturen reagiert die Hexachlorplatinsäure der Komponente A mit dem Polymethylhydrogensiloxan der Komponente B. Hierbei handelt es sich um eine Additionsreaktion, welche auf einen Platinkatalysator basiert (siehe Abbildung 3.9).

3.4.3. Entformen

Die massiven Formen benötigen mehrere Stunden Zeit, um vollständig abzukühlen. Zum Öffnen beider Formteile ist eine hohe Kraft notwendig. Um Schäden an der Form zu vermeiden, befinden sich auf der Oberseite mehrere Gewinde, in denen eine Flügelschraube hineingeschraubt werden kann. Mit dessen Hilfe ist es möglich, beide Formteile vorsichtig auseinander zu drücken.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.9.: Vernetzungsmechanismus des Silikonelastomers[13].

3.4.4. Probengeometrie

Zur Untersuchung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit ist es auf Grund von Messungenau- igkeiten und der statistischen Aussagekraft notwendig, möglichst viele Proben zu untersuchen. Hierbei stellte sich heraus, dass ein Probendurchmesser von ca. 12 mm ausreichend ist, um Überschläge bei einer Messung in Isolieröl zu vermeiden. Kleinere Probendurchmesser würden zu Überschlägen, selbst durch das umgebende Isolieröl, führen. Bei größeren Probendurchmessern würde man weniger Proben pro Form erhalten.

3.4.5. Probengenauigkeit und Dickendrift

Bei dem Silikonelastomer handelt es sich um einen sehr weichen Werkstoff, dessen Dicke nur schwer bestimmbar ist. Um die geometrische Genauigkeit der Formen zu ermitteln, sollen zunächst formstabile Proben hergestellt werden. Hierzu wurde der Kunststoff „PalaXpress“ von Heraeus genutzt. Es handelt sich hierbei um einen Prothesenkunststoff in Form eines Kaltpolymerisats. Die Pulverhauptkomponente ist ein Methylmethacrylat-Copolymer, welches mit der Flüssigkomponente, einem Methylmethacrylat mit Dimethacrylat, vermischt wird. Für die Untersuchung der wahren Probendicke wurde der angemischte Kunststoff in zwei verschiedene Formen mit der Soll-Dicke von 0,6 mm gegossen und der Formstempel aufgesetzt. Nach ca. 20 Minuten war der Kunststoff vollständig ausgehärtet. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es keiner nachträglichen Verformung durch die Entformung kommt und die Dicke genau bestimmt werden kann. Die formstabile Probe hatte eine Länge von ca. 20 cm, wovon die Probendicke in einem Abstand von ca. 2 cm mit einem Dickenmessgerät (Tesa Digico 1) bestimmt wurde.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.10.: Ermittlung der tatsächlichen Probendicke mit Hilfe eines formstabilen Kunststoffs von zwei Formen mit der Soll-Probendicke von 0,6 mm

Die Dickenverteilung zeigt, dass die tatsächlichen Proben dicker sind als die Soll-Werte der Form. Zudem sind größere Schwankungen in der Dicke erkennbar. Die Ursache hiervon könnte eine Materialausdehnung sein. Beim Vernetzen entsteht Wärme, was eine Ausdehnung des Probenma- terials zu Folge hat. Auch die maschinelle Bearbeitung bei der Herstellung der Form (spanende Bearbeitung) kann Ungenauigkeiten aufweisen, die sich in der Probendicke widerspiegeln. In Abbildung 3.10 ist neben der Dickenvariation eine geringere Probendicke an den Enden und in der Mitte der Proben. Dies könnte durch die Verschraubung des PTFE mit dem Stahlelement zusammen hängen, die sich in diesen Stellen befinden. Als weitere Einflussgröße kommt die Ausdehnung des PTFE hinzu. Bei einem Versuch waren die Proben 8 statt 4 Stunden im Ofen. Nachdem die Formen aus dem Ofen genommen wurden, war eine deutliche Ausdehnung des PTFE sichtbar. Es ist anzunehmen, dass die Ausdehnung auch in der Höhe stattgefunden hat, so dass das Formnest und -stempel weiter auseinandergedrückt wurden. Hierdurch könnten die Proben dicker werden. Diese Ungenauigkeit stellt sich allerdings als Vorteil heraus. Durch kleine Schwankungen der Dicke ist es möglich, Proben mit einer quasi-kontinuierlichen Dickensteigerung zu untersuchen.

3.4.6. Probencharakterisierung

Die Charakterisierung der Probendicke spielt eine entscheidende Rolle. Wie eingangs erwähnt

war eine Messung der Probendicke nicht direkt möglich. Das Anlegen eines Messinstruments würde bereits zu einer Verformung der Probe führen. Zur Charakterisierung der Probendicke wurde daher immer das gleiche Messinstrument (Tesa Digico 1) verwendet. Dies garantiert eine konstante Druckkraft und liefert vergleichbare Ergebnisse. Dies liefert zwar nicht die tatsächliche Dicke der weichen Silikonelastomerproben, aber man kann Dickenunterschiede bei verschiedenen Proben feststellen.

Dickenmessgeräte-Benchmark

Alle hier vermessenen Proben wurden mit dem Tesa Digico 1 in ihrer Dicke vermessen. In einem Benchmark sollen Silikonelastomerproben in ihrer Dicke mit einem zweiten Dickenmessgerät der Firma Atorn vermessen werden. Hierbei wurden unterschiedlich dicke Proben mit unter- schiedlichen Füllgraden untersucht. Die Nummern der Abszisse stehen für die jeweils untersuchte Probe, die in der Mitte in ihrer Dicke gemessen wurde (siehe Abbildung 3.11). Das Messgerät der Firma Tesa zeigte stehts eine etwas geringere Dicke bei den Proben an. Dies macht deutlich, dass Dickenmessungen von Silikonen und anderen weichen Materialien immer mit demselben Messgerät durchgeführt werden müssen, um Fehlmessungen zu vermeiden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.11.: Vergleich der Messergebnisse bei der Dickenmessung von Silikonelastomeren mit 0 Vol.-% BaT iO 3

3.4.7. Fraktalstruktur

In diesem Abschnitt soll auf die Erzeugung von Inhomogenitäten durch das Evakuieren einge- gangen werden. Bei Proben, welche BaTiO 3 beinhalten, wurde bei den Evakuierungsschritten eine Art Fraktalstruktur entdeckt. Dies ist vergleichbar mit dem Particle-Pushing-Effekt in der Metallographie[16]. Bei diesem Effekt kommt es zu Entmischungsvorgängen bei der Aushärtung von Legierungen. Hier konnte ein vergleichbarer Effekt beobachtet werden. Durch das Vergrößern von Luftblasen werden womöglich die BaT iO 3 -Partikel an den Rand geschoben und können teil- weise als Blasenstabilisator wirken. Sobald die Blase an der Oberfläche platzt, bleibt ein Großteil der Elemente an Ort und Stelle, so dass hellere und dunklere Bereiche sichtbar wurden. Dieses Phänomen ist selbst mit bloßem Auge nur schwer erkennbar. Daher wurde ein Teil des Bildes in seinem Kontrast und Helligkeit modifiziert, um die Fraktalstruktur deutlicher zu erkennen (Abbildung 3.12). Dies könnte zu lokalen Varianzen im Füllgrad und der Härte im Material führen, was zu weiteren Streuungen in den Ergebnissen führen kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.12.: Fotografische Aufnahme der Fraktalstruktur durch das Platzen von Luftblasen beim Evakuieren. In diesem Beispiel wurde 20 Vol.-% BaTi in einem Silikonelastomer dispergiert und evakuiert.

3.4.8. Vorversuche zur Formgebung von > 40 Vol.-%BaT iO 3

Wie in Abschnitt 3.3.2 (ab Seite 15) beschrieben, war die Verarbeitung von hochgefüllten Compounds durch eine Lösemittelverdünnung möglich. Hinsichtlich der Formgebung gab es allerdings Schwierigkeiten. Die Proben hatten keine vergleichbare Qualität wie die Proben mit max. 30 Vol.-% BaT iO 3 . In diesem Abschnitt sollen daher die Vorversuche der Formgebung mit 40 Vol.-% BaT iO 3 diskutiert werden.

Im letzten Verarbeitungsschritt nach der Dispergierung wird die Mischung in die Form gegossen.

Da auch in diesem Schritt die eingebrachte Luft ausgetrieben werden muss, ist der Evakuierungs- vorgang in der Form unerlässlich. Hierbei erhärtete sich die Mischung allerdings derart, dass der Formstempel nicht mehr bündig aufgedrückt werden konnte. Auch durch ein aufgelegtes Gewicht von 3 kg waren die damit hergestellten Proben zu dick, hatten viele Luftblasen und waren sehr spröde (Abbildung 3.13).

Es wurde daher versucht, die Form in einer Vakuumpresse der Firma Vogt zusammen zu drücken. Die Vakuumpresse wurde auf 160 ◦ C aufgeheizt und die Form eingelegt. Sodann wurde ein Vakuum angelegt und die Presse geschlossen. Nach Erreichen der Schließkraft von 20 bar wurde das Vakuum entfernt um ein „heraussaugen“ des Materials aus der Probe zu verhindern. Die Schließkraft und Temperatur wurden für 90 Minuten gehalten. Durch den hohen Druck wurde die PTFE-Form leicht verformt, so dass diese nachbearbeitet werden musste. Zudem waren immer noch kleine Luftblasen in der Probe enthalten.

Mit keinem der Herstellversuchen war es möglich, eine hinreichend hohe Qualität von Proben mit mehr als 40 Vol.-% BaT iO 3 herzustellen (Abbildung 3.13). Daher wurden diese Proben nicht für weitere Untersuchungen in Abschnitt 5.6 (ab Seite 57) berücksichtigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.13.: Fotografische Aufnahme von Probe mit 40 Vol.-% BaT iO 3 . Links: Bei geschlossener Form mit 3 kg Gewicht im Ofen vernetzt. Sie enthält zu viele Luftblasen und war für die elektrische Durchschlagsmessung zu dick. Mitte: Das Silikonelastomercompound wurde im Vakuumofen mit dauerhaft angelegtem Vakuum vernetzt. Dabei wurde das Material aus der Form gesaugt und der Formabstand derart verringert, dass die Probe zu dünn wurde und gerissen ist. Rechts: Das Silikonelastomercompound wurde im Vakuumofen nur anfangs dem Vakuum ausgesetzt. Allerdings ist die Probe zu dick für Durchschlagsmessungen und das Material sehr „bröselig“. Zudem wurde die gesamte Form verformt und musste nachbearbeitet werden.

4. Apparative Aspekte und Messaufbau

In diesem Kapitel wird der Messaufbau zur Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit vorgestellt. Die elektrische Durchschlagsfestigkeit ist keine Materialgröße, sondern hängt in erster Linie von der Messapparatur ab. Es ist daher unerlässlich, genaue Angaben über die Art und Weiße der Messung zu machen. Zunächst soll auf die Bedeutung der Elektroden in Abschnitt 4.1 eingegangen werden. Bei der Messung der Durchbruchfeldstärke üben Variationen in Elektrodengeometrien nicht nur unterschiedlich starke mechanische Belastungen auf die Probe aus, sondern erzeugen auch ein individuelles elektrisches Feld. Die zentrale Thematik wird hier die Schwierigkeit der Feststellung des tatsächlichen Elektrodenabstands sein, der nur mit mehreren Schritten bestimmbar ist. Bei der Art der elektrischen Spannung ist zu klären, ob Gleichspannung oder Wechselspannung zur Prüfung genutzt werden soll. Auch dies beeinflusst die Messwerte, was unter anderem im Abschnitt 4.3 diskutiert wird. Für die Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit stellt sich ferner die Frage, ob man an Luft oder in einem fluiden Medium misst. Hierbei wird vor allem Isolieröl eingesetzt. Isolieröl führt jedoch zu einer Quellung der Silikonelastomerproben. Es wurde im Rahmen von Vorversuchen untersucht, welche Bedingungen erfüllt sein müssten, um dennoch Messungen an Luft durchführen zu können (Abschnitt 4.4).

In diesem Kapitel werden die grundlegenden Messkonzepte vorgestellt. Dies hilft dem Anwender einzuschätzen, welche Messbedingungen für die Untersuchung sinnvoll sind und sich als praktikabel herausstellten. In Kapitel 5 (ab Seite 32) werden die hier vorgestellten Einflüsse auf die Messungen gezielt untersucht.

4.1. Elektroden

Das zentrale Element bei der Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit bilden die Elektro- den. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Messaufbau entwickelt, der sich an die Empfehlungen zur Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit nach der Bundesanstalt für Materialprüfung[17]sowie der DIN EN 60243[1]orientiert.

4.1.1. Position im Messaufbau

Abbildung 4.1 zeigt die verwendete Messzelle. Diese Besteht aus einem Stahlsockel und einer aufschraubbaren Elektrode aus rostfreiem Stahl. Diese ist rückseitig mit einem Erdungskabel

verbunden. Mit einer Zahnscheibe wird ein hoher Kraftschluss und eine sehr gute Kontaktierung

gewährleistet. Ein massiver PTFE-Ring stützt die Führung der oberen Elektrode und hat eine elektrisch isolierende Wirkung zum geerdeten Teil der Messzelle. Die obere Elektrode ist spannungsführend und direkt an dem Spannungsmessgerät angeschlossen. Am unteren Ende des Elektrodenschafts können verschiedene Elektroden angeschraubt werden. Oberhalb des Teflonrings befindet sich eine Befestigung, mit der sich die Elektrode in ihrer Höhe fixieren lässt. Mit Hilfe einer Feder kann die obere Elektrode auf eine vorher eingestellte Höhe heruntergedrückt werden, bis die Befestigung auf dem PTFE-Ring aufliegt. Auch die obere Elektrode ist aus rostfreiem Stahl, um eine Beschädigung der Oberfläche durch Durchschläge/Überschläge zu verringern.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.1.: Fotografische Aufnahme der Messzelle mit den beiden Elektroden. Ein massiver PTFE- Ring sorgt für die elektrische Isolierung zwischen beiden Elektroden und führt die obere Elektrode.

In der Arbeit von Gatti et al. [18]wird als Elektrodenwerkstoff Kupfer statt rostfreiem Stahl eingesetzt. Dies erhöht zwar die Leitfähigkeit, allerdings kann die Oberfläche schneller geschädigt werden (DIN EN 60243[1]). In dieser Arbeit werden daher Elektroden aus rostfreiem Stahl eingesetzt.

4.1.2. Elektrodenabstand

Zur Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit ist die genaue Bestimmung des Elektro- denabstands notwendig. DIN EN 60243[1]gibt lediglich den Hinweis, dass zur Berechnung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit die „Nenndicke“ (des zu prüfenden Werkstoffs) oder der „Abstand zwischen den Elektroden“ zu ermitteln sei. Bei formstabilen Proben ist dies einfach durch eine Dickenmessung möglich. Bei Silikonelastomeren ist es auf Grund der Nachgiebigkeit des Materials nicht ohne weiteres möglich, die Dicke mechanisch zu ermitteln. Hinzu kommt dass die Elektroden undefinierbar tief in den Probenkörper einsinken und eine direkte Messung nicht möglich ist (Abbildung 4.2).

Um dennoch die Elektroden auf einen definierten Abstand zu bringen, wurde folgendes Verfahren entwickelt: Zunächst wurde ein Werkstoff ausgewählt, welcher sehr dünn und formstabil ist. In Frage kamen hierbei Mikroskop-Deckgläser. Mikroskop-Deckgläser werden eingesetzt, um beispielsweise Flüssigkeiten optisch zu untersuchen und deren Verdampfung zu verzögern. Diese Deckgläser sind 0,15 mm dick (± 0,02 mm) und verformen sich beim Aufsetzen der Elektrode nicht. Nachdem die Elektrode vorsichtig auf das Deckglas aufgesetzt wird, wurde die obere Fixierung festgedreht und die Feder gespannt. Nun kann die obere Elektrode immer auf einen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2.: Fotografische Aufnahme einer Silikonelastomerprobe zwischen einer Kugel- und einer flachen Elektrode. Der tatsächliche Elektrodenabstand ist nicht direkt bestimmbar.

Elektrodenabstand von 0,15 mm zusammen gedrückt werden. Mit zwei weiteren Deckgläsern waren auch Elektrodenabstände von 0,3 und 0,45 mm realisierbar.

Größere Elektrodenabstände wären ebenfalls einstellbar. Allerdings würde die maximale Messs- pannung von 40 kV nicht ausreichen, um diese Distanz in einem elektrisch isolierenden Medium zu überbrücken. Es wurden daher nur drei Elektrodenabstände untersucht.

4.1.3. Geometrie

DIN EN 60243[1]schlägt zur Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit grundsätzlich den Einsatz von zwei Kugelelektroden vor. Dies sorgt für hohe elektrische Felder zwischen den Elektroden. Zudem spielt die Mikrorauheit der Oberfläche eine untergeordnete Rolle, da das elektrische Feld nur an einem Punkt am höchsten ist. Bei Silikonelastomeren soll als untere Elektrode eine flache Elektrode gewählt werden, um die Probe zu stützen. Die obere Elektrode soll weiterhin eine sphärische Geometrie besitzen.

In dieser Arbeit wird die DIN EN 60243[1]als Grundlage genutzt und daher immer eine untere flache Elektrode sowie eine spannungsführende runde Elektrode genutzt. Der Durchmesser der unteren Elektrode beträgt 25 mm ± 1 mm mit einem Kantenradius von 2,5 mm und der Radius der Kugelelektrode 20 mm ± 1 mm.

4.1.4. Rauheit der Elektroden

Beyer[19]beschreibt in seiner Arbeit, wie sich eine zu hohe Rauheit der Elektroden auf die Durchschlagsmessung auswirken kann. Demnach ist es wichtig möglichst glatte Elektroden zu verwenden, um ein homogenes elektrisches Feld zu erzeugen. Durch die spanende Herstellung der Elektroden hat man eine sehr hohe Rauheit, welche lokal zu Feldüberhöhungen führt. Durch diese Feldüberhöhung wird das zu untersuchende Material einer höheren Feldstärke ausgesetzt, als dies von der Spannungsquelle vorgegeben wird. In Folge kann es verfrüht zu einem elektrischen Durchschlag kommen (Abbildung 4.3). Es wird daher vorgeschlagen, die Elektroden zusätzlich

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