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 (BaT iO3 )
- 3.3. Dispergierung von BaT iO3
- 3.3.1. Dispergierung von 5-30 Vol.-% BaT iO3 < 3 μm
- 3.3.2. Dispergierung von > 40 Vol.-% BaT iO3 < 3 μm
- 3.3.3. Dispergierung von 2 Vol.-% BaT iO3 < 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 iO3
- 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
- 4.1. Elektroden
- 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
- 5.4.1. Quellung durch Isolieröl
- 5.5. Vergleich Elastosil mit Silgel
- 5.5.1. Probenherstellung
- 5.5.2. Auswertung und Diskussion
- 5.6. Einflüsse durch BaT iO3
- 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
- 5.1. Exemplarische Durchschlagsbilder
- 6. Zusammenfassung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Masterarbeit befasst sich mit der elektrischen Durchschlagsfestigkeit von Silikonelastomeren, einem wichtigen Werkstoff für zukünftige technische Anwendungen. Die Zielsetzung ist es, die Einflüsse auf die Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit zu identifizieren und ein Messverfahren zu entwickeln, das diese Einflüsse minimiert. Hierbei soll die Abhängigkeit der elektrischen Durchschlagsfestigkeit von der Probendicke, der Elektrodengeometrie, der Spannungsfunktion und dem Umgebungsmedium untersucht werden.
- Einfluss der Probendicke und des Elektrodenabstands auf die elektrische Durchschlagsfestigkeit
- Entwicklung eines Messverfahrens unter Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften von Silikonelastomeren
- Untersuchung der Quellung von Silikonelastomeren in Isolieröl und deren Einfluss auf die Messung
- Einfluss von Bariumtitanat (BaT iO3 ) als Füllstoff auf die elektrische Durchschlagsfestigkeit
- Analyse der elektrischen Feldverteilung bei verschiedenen Elektrodengeometrien
Zusammenfassung der Kapitel
Das erste Kapitel dieser Arbeit widmet sich der Einleitung und Motivation. Es wird die Bedeutung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit für die Entwicklung von immer kleineren und leistungsstärkeren elektronischen Komponenten erläutert, wobei Silikonelastomere aufgrund ihrer Flexibilität eine zentrale Rolle spielen.
Kapitel 2 behandelt die Grundlagen der elektrischen Durchschlagsfestigkeit. Es werden die Messmethoden für Isolieröl und formstabile Materialien vorgestellt, sowie die Problematik der Messung an Silikonelastomeren diskutiert.
Kapitel 3 befasst sich mit der Herstellung der Silikonelastomerproben. Es werden die verwendeten Materialien und das Dispergierverfahren für BaT iO3 beschrieben.
Kapitel 4 behandelt die apparativen Aspekte und den Messaufbau. Es werden die Elektroden, die Feder, die Spannungsquelle und das umgebende Medium detailliert beschrieben.
Kapitel 5 zeigt die Ergebnisse der Messungen und die Interpretation der Ergebnisse. Es werden exemplarische Durchschlagsbilder vorgestellt, die Einflüsse der Probendicke, des Elektrodenabstands, der Spannungsfunktion und des Umgebungsmediums auf die elektrische Durchschlagsfestigkeit diskutiert, sowie der Einfluss von BaT iO3 als Füllstoff untersucht.
Das letzte Kapitel fasst die Ergebnisse zusammen und zieht abschließende Schlussfolgerungen.
Schlüsselwörter
Die Arbeit konzentriert sich auf die elektrische Durchschlagsfestigkeit von Silikonelastomeren, die mit unterschiedlichen Füllgraden von Bariumtitanat (BaT iO3 ) modifiziert werden. Es werden die Einflüsse des Messaufbaus, wie Probendicke, Elektrodenabstand, Spannungsfunktion und Umgebungsmedium, auf die Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit untersucht. Diese Arbeit soll einen Beitrag zur Entwicklung eines zuverlässigen Messverfahrens für die elektrische Durchschlagsfestigkeit von Silikonelastomeren leisten, das die Einflüsse des Messaufbaus minimiert.
- Citation du texte
- M.Sc. Stefan Klaußner (Auteur), 2015, Einflüsse auf die elektrische Durchschlagsfestigkeit von Silikonelastomeren, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/310249
