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 (BaTiO3) im Silikonelastomeren getestet, um eine Aussage über die Veränderung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit zu machen. Zudem werden weitere Einflüsse der Spannungsfunktionen
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.
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 Silikonelastomeren
3. Herstellung der Proben
3.1. Reines Silikonelastomer
3.2. Bariumtitanat (BaTiO3)
3.3. Dispergierung von BaTiO3
3.3.1. Dispergierung von 5-30 Vol.-% BaTiO3 < 3 μm
3.3.2. Dispergierung von > 40 Vol.-% BaTiO3 < 3 μm
3.3.3. Dispergierung von 2 Vol.-% BaTiO3 < 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.-% BaTiO3
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 Probendicke 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 Silikonelastomeren
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 BaTiO3
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
Zielsetzung und Themen
Ziel der Arbeit ist es, die Einflussfaktoren auf die Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit bei Silikonelastomeren zu analysieren und ein Messverfahren zu etablieren, das ohne die Notwendigkeit einer mechanischen Abstandsmessung der Elektroden auskommt. Die Forschungsfrage konzentriert sich darauf, wie Materialparameter wie Füllgrade von Bariumtitanat sowie äußere Einflüsse, insbesondere der Messaufbau und Umgebungsmedien, die Durchschlagsfestigkeit beeinflussen.
- Analyse und Optimierung der Probenherstellung und -dispergierung
- Untersuchung von Einflüssen durch Probendicke und Elektrodenabstand
- Evaluierung von Umgebungseinflüssen (Quellung durch Isolieröl)
- Einfluss von Spannungsfunktionen auf die Durchschlagsfestigkeit
- Modellbildung zur Bestimmung des tatsächlichen Elektrodenabstands
Auszug aus dem Buch
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 (BaTiO3 ) im Silikonelastomeren getestet, um eine Aussage über die Veränderung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit zu machen.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung und Motivation: Einleitung in die Problematik der elektrischen Durchschlagsfestigkeit bei dünnen isolierenden Werkstoffen und Definition des Ziels, ein zuverlässiges Messverfahren für Silikonelastomere zu etablieren.
2. Grundlagen der elektrischen Durchschlagsfestigkeit: Erläuterung der physikalischen Grundlagen verschiedener Durchschlagsarten und der normativen Messmethoden, sowie Diskussion der spezifischen Herausforderungen bei Silikonelastomeren.
3. Herstellung der Proben: Detaillierte Beschreibung des Herstellungsprozesses der Silikonproben, inklusive der Dispergierung von Bariumtitanat und der Formgebung unter Berücksichtigung von Probengeometrie und Vernetzung.
4. Apparative Aspekte und Messaufbau: Vorstellung des entwickelten Messaufbaus, der Elektrodenanordnung, der Federkraftbestimmung und der Wahl der Spannungsquellen, um präzise Messbedingungen zu schaffen.
5. Messung und Einflüsse auf die el. Durchschlagsfestigkeit und deren Interpretation: Umfassende Untersuchung der verschiedenen Einflussparameter wie Probendicke, Spannungsfunktion, Umgebungsmedien und Füllstoffgehalt, ergänzt durch mathematische Modellierungen zur Bestimmung des Elektrodenabstands.
6. Zusammenfassung: Abschlussbetrachtung der Ergebnisse, welche die Notwendigkeit einer Korrektur des Elektrodenabstands hervorhebt, um vergleichbare und aussagekräftige Daten über die Durchschlagsfestigkeit zu gewinnen.
Schlüsselwörter
Silikonelastomer, Bariumtitanat, elektrische Durchschlagsfestigkeit, Durchschlag, Messaufbau, Elektrodenabstand, Kompression, Quellung, Isolieröl, Polymerwerkstoffe, Dispergierung, Materialprüfung, Dielektrikum, Formgebung, Shore-Härte.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Masterarbeit befasst sich mit der Untersuchung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit von Silikonelastomeren. Ziel ist es, ein Messverfahren zu finden oder zu optimieren, das trotz der mechanischen Nachgiebigkeit des Materials verlässliche Werte liefert.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die Schwerpunkte liegen auf dem Einfluss des Messaufbaus, der Probenherstellung (Dispergierung von Füllstoffen), der Auswirkung von Probendicke und Elektrodenabstand sowie der Rolle von Umgebungsmedien wie Isolieröl.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist es, die elektrische Durchschlagsfestigkeit von Silikonelastomeren exakt zu bestimmen, ohne dass mechanische Probleme bei der Messung (wie das Einsinken der Elektrode oder unklare Abstände) die Ergebnisse verfälschen.
Welche wissenschaftliche Methode wurde verwendet?
Es wurden experimentelle Durchschlagsmessungen mit verschiedenen Füllgraden von Bariumtitanat durchgeführt. Ergänzend wurden statistische Analysen, REM-Bildanalysen zur Partikelverteilung und mathematische Modelle zur Korrektur des Elektrodenabstands (Iterationsschritte) genutzt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die methodische Entwicklung des Messaufbaus, die Charakterisierung der Materialeigenschaften (Härte, Partikelverteilung) und die Analyse der Messergebnisse unter Berücksichtigung apparativer Einflüsse und theoretischer Korrekturmodelle.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Schlagworte sind Silikonelastomer, elektrische Durchschlagsfestigkeit, Bariumtitanat, Messaufbau und Elektrodenabstand.
Warum ist die Messung der Probendicke bei Silikonelastomeren so schwierig?
Da Silikon ein sehr weiches Material ist, verformt es sich bereits beim bloßen Anlegen eines Messgeräts oder beim Aufsetzen der Elektrode. Dadurch ist der reale Elektrodenabstand zum Zeitpunkt des Durchschlags schwer zu definieren.
Wie korrigiert die Arbeit den Fehler beim Elektrodenabstand?
Die Arbeit nutzt mathematische Modellrechnungen, die das Kräftegleichgewicht zwischen Federkraft der Elektrode und der Gegenkraft des Probenmaterials (Druck-Elastizitätsmodul) einbeziehen, um den korrigierten "wahren" Elektrodenabstand zu berechnen.
Welchen Einfluss hat Bariumtitanat (BaTiO3) auf das Material?
Bariumtitanat erhöht die Shore-Härte des Silikons, was zu einer geringeren Kompression führt. Die Arbeit zeigt jedoch auch, dass hohe Füllgrade die Partikelverteilung beeinflussen können, was die elektrische Durchschlagsfestigkeit verändert.
- Arbeit zitieren
- M.Sc. Stefan Klaußner (Autor:in), 2015, Einflüsse auf die elektrische Durchschlagsfestigkeit von Silikonelastomeren, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/310249
