Dr.-Ing. Bruno Kaiser (IfW/ TUD) mit freundlicher ......Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am...

Institut fürWerkstoffe der Elektrotechnik IWE

Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 1 Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de

Herzlich willkommen zur Vorlesung

„Funktionswerkstoffe“

Dr.-Ing. Bruno Kaiser (IfW/ TUD)

mit freundlicher Unterstützung des IWE, Uni Karlsruhe



Einteilung der Werkstoffenach anwendungstechnischen Gesichtspunkten

Konstruktionswerkstoffe:

für „Konstruktionen“, d. h. für Bauteile mit hauptsächlich mechanischer Beanspru-chung, wichtige Eigenschaften: Festigkeit, Stabilität, (Dauer-) „Haltbarkeit“, Bruchsicherheit usw.

Funktionswerkstoffe:

a) zur Gewinnung, Übertragung, Verarbeitung und Speicherung von Informationen (Elektronik, Nachrichtentechnik, Informatik, Gerätetechnik, physikalische Technik)

b) zur Erzeugung, Übertragung und Speicherung von elektrischer Energie (energieorientierte Elektrotechnik)



Beispiele für den Einsatz von Konstruktionswerkstoffen



Einteilung der Funktionswerkstoffe (üblicherweise nach Verwendung)

Leiterwerkstoffe (auch Supraleiter) Widerstandswerkstoffe

Halbleiterwerkstoffe

Magnetwerkstoffe

Isolierstoffe(Dielektrika)

Kontaktwerkstoffe



Elektrische und magnetische Eigenschaften von Werkstoffen sind in der Elektrotechnik oft wichtiger als die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen

► Gute Leitfähigkeit: niedrige Energieverluste bei der Energieübertragung

► Gute Isolation: elektrische Durchschläge und Lichtbogenbildungen zwischen spannungsführenden Teilen verhindern durch Polymer- oder Keramikisolatoren

► Verbesserung des Wirkungsgrades von Halbleitern: wichtig für die Umwandlung von Solarstrahlung in elektrischen Strom in Solarzellen

Die Anwendung von Stoffen in der Elektrotechnik und Elektronik setzt voraus, dass elektrische, magnetische und andere Eigenschaften wie z.B. elektrische Leitfähigkeit gezielt an die Einsatzbedingungen angepasst werden können.

Vielfach muss aber auch auf die mechanischen Eigenschaften Rücksicht genommen werden. Beispiel: Leitfähigkeit und Festigkeit bzw. Verschleißwiderstand (Schaltkontakt)

Allgemeine Vorbemerkungen



Anwendung von Leiterwerkstoffen

Dehnmessstreifen (DMS) Kaltleiter (PTCs) Varistoren



Anwendung von Leiterwerkstoffen

Lambdasonden und resistive Abgassensoren

Supraleiter fürmagnetische Anwendungen



Übersicht der Einsatzgebiete von Metallen in der Elektrotechnik

0.108

Li0.53179

0.313

Be1.8481277

0.139

Na0.971

98

0.226

Mg1.738650

0.139

K0.862

64

0.298

Ca1.55838

0.0177

Sc3.0

1539

0.0234

Ti4.501668

0.0489

V5.8

1900

0.0774

Cr7.191875

0.0070

Mn7.431243

0.0993

Fe7.861536

0.172

Co8.901495

0.143

Ni8.901453

0.596

Cu8.961083

0.166

Zn7.14419

0.0678

Ga5.907

30

0.377

Al2.702660

0.0779

Rb1.5339

0.0762

Sr2.6768

0.0166

Y4.471509

0.0236

Zr6.4

1852

0.0693

Nb8.572415

0.187

Mo10.22620

0.067

Tc11.52200

0.137

Ru12.22500

0.211

Rh12.41966

0.0950

Pd12.021552

0.630

Ag10.5961

0.138

Cd8.65321

0.116

In7.31157

0.0489

Cs1.873

29

0.030

Ba8.51714

0.0126

La6.7920

0.0312

Hf13.22222

0.0761

Ta16.62996

0.189

W19.33410

0.0542

Re21.03180

0.109

Os22.402700

0.197

Ir22.422454

0.0966

Pt21.451773

0.452

Au19.321063

0.0104

Hg13.546

-38

0.0617

Tl11.85303

0.0917

Sn7.30232

0.0481

Pb11.34327

0.0489

V5.8

1900

Leitfähigkeit in 106 1/Ωcm

Dichte in g/cm3Schmelz-

temperatur in °C

Kontakte Widerstände MagnetischeWerkstoffeLeiter Stromquellen

[Münch 1987]



Metallische Leiter, Kontakte, Widerstände und Sensoren

.

Leiter und Kontakte sollen den elektrischen Strom möglichst widerstandsfrei weiterleiten

Widerstände regeln und messen den Strom und verwandelnihn in thermische Energie

In Metallen, Halbleitern und vielen Isolatoren sind die Ladungsträger Elektronen, in Ionenverbindungen sind die Ladungsträger im wesentlichen Ionen

Die Beweglichkeit der Ladungsträger ist abhängig von atomaren Bindungsverhält-nissen, Gitterstörungen, Temperatur und Gefügestruktur und in Ionenverbindungen von der Diffusionsgeschwindigkeit.

Auf der Vielfalt dieser Einflussgrößen beruht die große Variationsbreite der elektrischen Leitfähigkeit verschiedener Stoffklassen.



Übersicht: Spezifischer Widerstand und Leitfähigkeit

10+18

10+16

10+14

10+12

10+10

10+8

10+6

10+4

10+2

110-2

10-4

10-6

10-8

10-18

10-16

10-14

10-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

110+2

10+4

10+6

10+8

spezifischerWiderstand

elektrischeLeitfähigkeit

[Ωm] [S/m]

Isol

ator

enH

albl

eite

rLe

iter

SiO2, Al2O3

keramische Isolatoren

GaAs

Si (intrinsisch)

Si (extrinsisch)

Graphit

Metalle und Legierungen

↓ Supraleiter

organische Polymere

anorganische Gläserferromagnetische undferroelektrische Keramik

NiCrAlAg, Cu

[Schaumburg 1990]



Elektrische Leitfähigkeit, Leiterwerkstoffe



Vorstellung der elektronischen Leitfähigkeit nach Drude

Die Elektronen werden durch das angelegte elektrische Feld beschleunigt. Beim Transport durch das Atomgitter werden die Elektronen an den Atomrümpfen gestreut. Die mittlere Zeit zwischen zwei Stößen ist die Stoßzeit. Zwischen den Stößen bewegen sich die Elektronen gemäß den klassischen mechanischen Bewegungsgleichungen auf parabolischen Bahnen. Die mittlere freie Weglänge ist in der Größenordnung des Gitterabstands.

–

–Elektron

Atomrümpfe

E-Feld



Regel nach Matthiessen für die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit

Temperatur

spez

ifisc

her

Wid

erst

and

ρ T Temperaturanteil

ρ r konstanter Anteil

Matthiessensche Regel

Wärmebewegungdes Gitters

„andere“Parameter

„andere“ temperaturunabhängige Parameter

• Fremdatome

• Versetzungen

• andere Defekte im Gitter

(Korngrenzen, Zweitphasen, ...)

( )T rTρ ρ ρ= +

[Schaumburg 1990, Tipler 1994]

0

Erwärmung von Kupfer um 125°C : Widerstand R (und auch ρ) nimmt auf das 1,5 – fache zu, der Wolframdraht einer Glühbirne hat bei 2500°C den 19-fachen Widerstand des kalten Fadens.



Einflüsse von Bearbeitung und Härtung

Mischkristallverfestigung verringert die elektrische Leitfähigkeit, freie Weglänge wird herabgesetzt.

Dagegen: relativ schwacher Einfluss einer Kaltverformung

Einfluss von Mischkristallbildung und Kaltverformung

Einfluss verschiedener Elemente auf die Leitfähigkeit von Kupfer



Leitfähigkeit von metallischen Werkstoffen bei tiefen Temperaturen

ρT Temperaturanteil

ρ r temperaturunabhängiger Anteil

[Call 1994]



Supraleitung: Widerstandsloser Ladungstransport, komplexes physikalisches Phänomen, nur ansatzweise anschaulich darstellbar, Ursache:

Cooper-Paare: sind Elektronenpaare, die sich in großen Kollektiven von Leitungselektronen zwischen ständig wechselnden Partnern bilden, sie sind so gekoppelt, dass sie bei einem normalen Stoß zwischen Einzelelektron und Gitter nicht aufbrechen.

Viele Metalle und intermetallische Verbindungen gehen unterhalb etwa 20K in den supraleitenden Zustand über, Abkühlung durch flüssiges Helium (siedet bei ca. 4K)

Supraleitung unterhalb der „Sprungtemperatur“

Begrenzung des supraleitenden Zustands durch Temperatur, Magnetfeld und Stromdichte

Technisch interessant: Supraleiter mit hohen kritischen Parametern

Heute: keramische Stoffe mit Tkrit > 77 K (flüss. N) bzw. > 100 K (TlBa2Ca3Cu4O11)



Leiterwerkstoffe

Beste Leitfähigkeit: unlegierte Reinmetalle ohne eingebaute Fremdatome

Für die Anwendung von Leiterwerkstoffen ist auch der Preis mit entscheidend!

Für Leiter in Form von Draht, Blech, Band, Profil und anderen werden vor allem folgende reine und niedrig legierte Metalle benutzt:

► Reinkupfer (E-Cu) und niedrig legiertes Cu (z. T. ausscheidungshärtbar)

► Leitaluminium (E-Al) und niedrig legiertes Al, z. B. AlMgSi (Aldrey)

► Gold (Elektronik)

► Silber (Nachrichtentechnik)



Anwendungen metallischer Leiterwerkstoffe

Leite

rwer

ksto

ffe

Ebe

neLe

itera

nord

nung

enR

äum

liche

Leite

rano

rdnu

ngen

Integrierte Schaltungen Al, Al/Cu, Au

Dünnschichtschaltungen Al, Au, Ag, Cu

Dickschichtschaltungen Au, Ag, Pd, Pt

Leiterplatten Cu, Sn

Auswahlkriterien: spezifische Leitfähigkeit σ, Gewicht, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Kosten

Wicklungen

Kabel

Freileitungen

Hohlleiter

Cu

Cu

Al, Cu, (Na)

Al/St, Cu, Al

Ag

Nachrichten-technikEnergie-technik

Ag CuAu

AlNa Mg Zn

Fe0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

σ / σAg

[Münch 1987]



Leitfähigkeit unterschiedlicher Stoffe

a) leicht bewegliche Valenzelektronen in Metallen

b) Bewegung von Elektronen in reinen Halbleitern und Isolatoren erfordert das Aufbrechen kovalenter Bindungen

Ladungsträger in unterschiedlichen Stoffen

c) in ionisch gebundenen Stoffen erfolgt der Ladungstransport durch Diffusion von Ionen



Bändermodell und –strukturen verschiedener Werkstoffe

Das Bändermodell veranschaulicht, ob es in einem Werkstoff freie, d.h. über einevon außen angelegte elektrische Feldstärke leicht bewegliche Elektronen gibt.

Elektronen besetzen im Feld eines Atomkerns bestimmte unterschiedliche Energiewerte (Energieniveaus).

Werden mehrere Atome dicht aneinander gebracht, dann fächern sich die einzelnen diskreten Energiezustände immer weiter auf in eng beieinander liegende Gruppen von Zuständen, diese können in Energiebänder zusammengefasst werden ( = Energieintervalle, in denen erlaubte Elektronenzustände liegen).

Für elektrische Eigenschaften eines Werkstoffes maßgebend sind

► die am schwächsten an den Atomrumpf gebundenen Elektronen, d.h. die Elektronen mit den am weitesten oben liegenden Energien.



Bändermodell

Leitfähigkeit zur schematischen Betrachtung reichen die beiden Bänder, die in der Energieskala am höchsten liegen:Valenzband und Leitungsband.

Die Besetzung der Energiebänder mit Elektronen hängt eng mit der Elektronenbesetzung der Atome zusammen.

Entstehung vonEnergiebändern aus diskreten Energieniveaus beimZusammenführen vieler Atome



Bändermodell und –strukturen verschiedener Werkstoffe

Entscheidend für elektrische und auch für thermische Leitfähigkeit: ► ob Elektronen im Leitungsband sind, da diese relativ leicht beweglich sind.

Diese Bedingung ist gut erfüllt in dem Teilbild c), nicht aber im Teilbild b) und nur eingeschränkt im Teilbild a).

Leitungsband

Metalle

Wf

Wv

WL

Silizium

Valenzband

Leitungsband

~ 1,1 eV

Wv Valenzband

LeitungsbandWL

Wg ~ 9 eV

SiO2

c) Leiter

a) Halbleiter b) Isolator



Halbleiter und Halbleiter-Werkstoffe

Bedeutung der Halbleiter:

Leitfähigkeit und Leitungstyp (p- und n-Leitung) relativ einfach und genau räumlich selektiv einstellbar,

► ermöglicht die Erzeugung interner Leitfähigkeitsstrukturen, mit denen sich nahezu alle elektronischen Funktionen realisieren lassen

Gleichrichtung, Verstärkung, Signalwandlung, Signalspeicherung usw.Beispiele:



Halbleitereffekt am Beispiel von Silizium bei T = 0 K

Leitungsband

Valenzband

WL

WV

WG = 1,17 eV (Si)

Einfaches Bändermodell

Si4+ (Ge4+): 4 Valenzelektronen (sp3-Hybridisierung) keine Elektronen im Leitungsband*

* T = 0 K

Si Si Si Si Si

Si Si Si Si Si

Si Si Si Si Si

Si Si Si Si Si



Halbleitereffekt am Beispiel von Silizium bei T > 0 K (Eigenleitung, „intrinsische Leitung“)

Leitungsband

Valenzband

WL

WV

Einfaches BändermodellSi Si Si Si Si

Si Si Si Si Si

Si Si Si Si Si

Si Si Si Si Si

• Leitungselektronen im Leitungsband• Defektelektronen im Valenzband

Bei Energiezufuhr (T > 0 K)



Gegenüberstellung von intrinsischer und StörstellenleitungSrörstellenleitung durch Dotierung mit 3- oder 5-wertigen Atomen

Leitungsband

Valenzband

WL

WV

WG=1,11eV WFi

Leitungsband

Valenzband

WL

WV

Donatorniveaus

WF

Leitungsband

Valenzband

WL

WV

Akzeptorniveaus

WF

i-Leitung (Eigenhalbleiter) n-Leitung (donatordotiert) p-Leitung (akzeptordotiert)

Ga3+

Si4+ Si4+ Si4+

Si4+ Si4+ Si4+

Si4+ Si4+ Si4+

Si4+ Si4+ Si4+

Si4+ Si4+

Si4+ Si4+ Si4+

Si4+ Si4+ Si4+

Si4+ Si4+ Si4+

Si4+ Si4+

As5+

-

+

+ + +

+

----

+ + +

---

+

-

[Hahn 1983]



Temperaturabhängigkeit beim Störstellenhalbleiter

T-1

T

log(

n i,

n,

p)

T-1

T

μ

T-1

T

log(

σ)

Tmax Tmin Tmax Tmin

E RI E RI

n oder p

ni

n = p = ni

extrinsisch

intrinsisch

Ladungsträgerkonzentration Beweglichkeit Leitfähigkeit

I: intrinsischer Bereich, E: Störstellenerschöpfung, R: Störstellenreserve



Elektrische Kontakte



bewegliche Kontakte Schleif-, Wälz-, Druck-, Abhebe- oder Flüssigkeitskontakte (Hg)

Die Beanspruchungsarten von Kontakten können sein

► mechanisch (statisch, Zug, Druck, Biegung)

► mechanisch (schwingend oder stoßartig, Schwingungen, Lastwechsel, Erschütterungen)

► Verschleiß, Werkstoff übertragend oder Werkstoff umsetzend (thermisch, mechanisch, durch Lichtbogeneinfluss: Verschweißen, Verbrennen, Verspritzen)

► chemisch (Korrosion, Legierungsbildung)

Kontaktarten und ihre Beanspruchung

Geöffneter Kontakt: möglichst ideale elektrische Isolation

Geschlossener Kontakt: möglichst ideale elektrische Leitung



Metalle als Kontaktwerkstoffe

Kontaktwerkstoffe

Meß- und Nachrichtentechnik

Au, Ag,Ag/Ni,Rh, Pt

Federkontakte

Cu/SnCu/ZnCu/Be

Starkstromtechnik

niedrige Leistung

Cu/Ag, Ag/CuAg/Ni, Ag/C,

Ag/CdO

hohe Leistung

Mo, WMo/Cu, W/CuMo/Ag, W/Ag

Besonders niedriger Übergangswiderstand

Legierungenmit hohemElastizitäts-

modul

Legierungen / Verbundwerkstoffe mithoher Abbrandfestigkeit und geringer

Materialwanderung

Auswahlkriterien:

[Münch 1987]



Metalle als Kontaktwerkstoffe

LeistungslosschaltendeKontakte

gegen Fein-wanderungbeständigeKontakte

Kontakte für mittlereLeistungen

Kontakte mit höchster

Abbrand-festigkeit

Feder- und Schleif-kontakte

Cu Ag AuCu/AgCu/Ag

/Cd

Ag/CdAg/NiAg/Pd

RhPd

Pd/CuPt

Pt/IrMo W

W/AgW/Cu

Cu/BeCu/SnCu/Zn

[Münch 1993]



Kontakte, Werkstoffauswahl

Bei der Werkstoffauswahl für Kontakte muss ein Kompromiss gefunden werden zwischen der elektrischen Leitfähigkeit (bei Reinmetall am höchsten) und dem Verhalten gegenüber Verschleiß-, Korrosions- und thermischer Beanspruchung (Legierungen).

Kontaktwerkstoffe ► Reinmetalle und Legierungen► Sinterwerkstoffe► Werkstoffe mit Überzügen (Schichtwerkstoffe)

Reinmetalle und Legierungen für alle Schaltvorgänge, für große Abmessungen: E-Cu und niedrig legiertes E-Cu, für kleine Abmessungen: Edelmetalle

Feinsilber Ag 99,95, Hartsilber mit Cu, Ni, Mg legiert, Feingold Au 99,95 bis 99,999, Nachrichtentechnik (Relais) und in der ElektronikHartgold mit Ag, AgCu, AgNi, AgPt u.a.Platin oder Palladium (sehr teuer) nur für abs. chem. Beständigkeit bei

gleichzeitig hoher Abbrandfestigkeit



Widerstände

Dehnmessstreifen (DMS) Kaltleiter (PTCs)



Widerstände

Die metallischen Widerstände sind PTC-Widerstände mit linearer Abhängigkeitvon Strom und Spannung.

Nach ihren Aufgabengebieten lassen sie sich in drei Gruppen einteilen:

1. schwach belastbare Präzisionsmesswiderstände 2. veränderliche, mäßig belastbare Steuer-, Regel- und Messwiderstände 3. hoch belastbare Brems- und Heizwiderstände.

Nach der Bauform unterscheidet man Widerstände aus Draht, aus glattem oder gewelltem Blech, Profilen und Schichten, die aufgewalzt, aufgedampft oder galvanisiert werden.

Reine Metalle: überwiegend niedrige spezifische Widerstandswerte, aber nicht zu vernachlässigende Temperaturabhängigkeiten des spezifischen Widerstandes. Durch die Verwendung von Metalllegierungen erhebliche Verbesserungen erzielbar.



Widerstände

Die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes folgt näherungsweise der Gleichung

ρT = ρr (1 + a ΔT)

ρT ist der allein durch thermische Wechselwirkungen bedingte Widerstand ρr ist der Widerstand bei Raumtemperatur (25°C), ΔT ist die Differenz zwischen tatsächlicher Temperatur und 25°C, a ist der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes

Der spezifische elektrische Widerstand hängt in einem weiten Bereich linear von der Temperatur ab.

4,04,16,86,96,06,53,04,34,216,525a[10-3 Ωcm/°C]

2,351,591,676,846,249,7112,92,653,914,454,0ρr[10-6 Ωcm]

AuAgCuNiCoFeCrAlCaMgBeMetall

Spezifischer elektrischer Widerstand und Temperaturkoeffizient einiger Metalle



Widerstand R eines Metalls aus Strukturwiderstand RS und dem Temperaturwiderstand RT:

R = RS + RT

aus Zusammensetzung und Aufbau des Metalls (Reinheit, Gitterfehler bzw. -verzerrungen; konst. bei gleich bleibender Struktur, ändert sich bei elastischer oder plastischer Deformation.

Strukturwiderstand RS

Temperaturwiderstand RT

aus der mit zunehmender Temperatur stärkeren Schwingbewegung der Ionen. Aus Messwerten wurde folgende Beziehung ermittelt :

Das Produkt aus dem spezifischen elektrischen Widerstand ρ und dem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes α bleibt für Reinmetalle und

Mischkristalle des gleichen Metalls konstant.

Widerstände



Werkstoffe für temperaturstabile Präzisionswiderstände (1)

Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes ρ(T) und des Temperaturkoeffizienten TKρ von einigen Legierungen

[Münch 1993]

ρ und TKρ von Widerstandslegierungen (Präzisionswiderstände)

Temperatur / °C →

ρ(T

) /

ρ(0

°C

) →

-200 0 200 400

1,00

0,98

0,96

CuMn12AlFe

CuMn12Ni2AuCr2CuMnSn

TK

ρ/ 1

0-5 K

-1→

Temperatur / °C →-200 0 200 400

10

5

0

15

-5

CuMn12Ni2CuMnSn

CuMn12AlFe

AuCr2



Metallische Leiter, Kontakte, Widerstände und SensorenWerkstoffe für Präzisionswiderstände

1Grenztemp. 300°C

134Präzisionswiderstandslegierung Evanohm Ni75Cr20Al2,5Cu2,5

5108Ni80Cr20

3270,6Thermopaarlegierung Chromel Ni90Cr10

252Widerstandslegierung Konstantan Cu55Ni45

4301,69Cu

4502,67Al

21413,2Cr

6806,9Ni

Temperaturkoef-fizient in 10-5 K-1

spez. el. Widerstand in 10-8 Ωm

Werkstoffe

Spezifischer elektrischer Widerstand sowie Temperaturkoeffizienten reiner Metalle und Spezial-Legierungen



Werkstoffe für temperaturstabile Präzisionswiderstände (2)

Werkstoff

CuMn12Ni2

CuNi20Mn10

CuNi44

CuMn2Al

CuNi30Mn

CuMn12NiAl

Legierungselemente

in Gewichts%

Mn

12

10

1

2

3

12

Ni

2

20

44

-

30

5

Al

-

-

-

0,8

-

1,2

Grenz-

temperatur

in °C

140

300

600

200

500

500

ρ

in μΩcm

43

49

49

12

40

40

TKρ

in K-1

± 1·10-5

± 2·10-5

+ 4·10-4

- 8·10-4

4·10-4

1·10-4

~ 10-5

Thermospannung

gegen Kupfer *

in μV/K

- 0,4

- 10

- 40

+ 0,1

- 25

- 2

Auswahlkriterien: Hoher spez. Widerstand ρ, Langzeitstabilität, definiert einstellbarer und sehr

niedriger Temperaturkoeffizient TKρ , geringe Thermospannung gegen Kupfer Legierungen

alle Werte gelten bei T = 20 °C * Seebeck-Koeffizient

[Münch 1987]

[Münch 1987]



Dielektrika: nicht leitende Werkstoffe



Dielektrischen Werkstoffen und ihre Anwendung

Elektrolytkondensatorenauf Basis von Aluminium, Tantal und Niob

Folienkondensatoren

Nb

Nb2O5



Dielektrika: nicht leitende Werkstoffe

Dielektrika: ► Werkstoffe mit hohem spezifischen Widerstand

► „Nichtleiter“, keine freien Elektronen, kein Stromfluss

► Isolierstoffe, Isolatoren sind vor allem keramische Materialien und Polymere, breite Energielücke

Man unterscheidet folgende dielektrische Aufgabengebiete:

► Isolation (passive Dielektrika)

► Speicherung elektrischer Ladungen in Kondensatoren (aktive Dielektrika)

Gefordert : Hohe elektrische Durchschlagfestigkeit, hohe Kriechstromfestigkeit

! Wichtig ! Sachgerechte Auswahl geeigneter Isolierstoffe, Kenntnisse der Mechanismen über Entstehung lokaler Ladungsanhäufungen und Ladungstransport in diesen Stoffen.



0 0D Eε= ⋅r r

Polarisationsmechanismen Plattenkondensator bei konstantem elektrischen Feld

Verschiebungsdichte im Vakuum Verschiebungsdichte im Dielektrikum

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - -+ + + + +

- - - - -

U E

Dielektrikum

P DσP = P

σF = D+ + + + +

- - - - -

U E

Vakuum

D0

σF = D0

D0

σF

:

:

Vakuumverschiebungsdichte

freie, flächenbezogene Ladung auf den Kondensatorplatten

P

σP

:

:

Polarisation

gebundene, flächenbezogene Polarisationsladung auf der Außenseite des Dielektrikums

0D E Pε= ⋅ +r r relektrische Feldkonstante

ε0 = 8,85 ⋅ 10-12 As/VmP = fkt (E, T, σM , ...)

[Ivers-Tiffée 2007]



Die Verschiebungsdichte D ist die Ladung pro Fläche, die nach Anlegen eines elektrischen Felds E auf die Platten verschoben wird.

Feldstärke und Verschiebungsdichte Dielektrizitätszahl

In linearer, isotroper Materie ist die angelegte Feldstärke E proportional zur elektrischen Verschiebungsdichte D.

0 rD Eε ε= ⋅ ⋅r r

εr

ε0

:

:

relative Dielektrizitätszahl des Werkstoffs

elektrische Feldkonstante

Dielektrisches Verhalten von Werkstoffen

Die physikalische Deutung dieser Beziehung, die Behandlung nichtlinearer Materie sowie die Querempfindlichkeit der Dielektrizitätszahl zu anderen physikalischen Größen (z.B. Temperatur,

Frequenz) und die Anwendung in Bauelementen ist Gegenstand des folgenden Kapitels.

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - -

D

+ + + + +

- - - - -

U EDielektrikum



Polarisationsmechanismen im Überblick

ElektronenpolarisationAuslenkung von Atomhülle gegen Atomkern

IonenpolarisationAuslenkung von Kationen gegen Anionen im Kristallgitter

RaumladungspolarisationLadungsverschiebung in polykristallinen und Kompositwerkstoffen

OrientierungspolarisationAusrichtung permanent vorhandener Dipole

Grundtypen der Polarisation Spezielle Dielektrika

PiezoelektrizitätPolarisation wird durch mechanische Dehnung induziert und umgekehrt.

PyroelektrizitätSpontane Polarisation unabhängig vom elektrischen Feld

FerroelektrizitätSpontane Polarisation durch elektrisches Feld beeinflussbar



Grundtypen der dielektrischen Polarisation

-

-

-- +

+ + +

+ + +

+ + +

- - -

- - -

- - -

-

-

-- +

+ + +

+ + +

+ + +

- - -

- - -

- - -

---

--

---

---

--

+++

++

++

++

+++

++

ElektronenpolarisationAuslenkung von Atomkern und -hülle(induzierte Dipole)

IonenpolarisationAuslenkung von Kationen und Anionen(induzierte Dipole)

OrientierungspolarisationAusrichtung permanent vorhandener Dipole

RaumladungspolarisationAnsammlung freier Ladungsträgernan isolierenden Korngrenzen

E = 0 E > 0Grundtypen

[Schaumburg 1994]



3.3 Verhalten von Dielektrika im WechselfeldVollständiges Dispersions- und Verlustspektrum

[Schaumburg 1994]

Relaxation

Raumladungspolarisation

Orientierungspolarisation

Resonanz

Ionenpolarisation

Elektronenpolarisation

Ri

RRL

CRL

ROr

COr

Rion

Cion

Rel

Cel

Lion Lel

Ersatz-schaltbild

Raumladungspolarisation

Orientierungspolarisation

Ionenpolarisation

Elektronenpolarisation

10-4...10-2 < 1010 1011...1013 1014...1015

Dispersionsspektrum

RLχ′

Orχ′ionχ′elχ′

f / Hz

rε ′

f / HzMikrowellen Infrarot Ultraviolett

Verlustspektrumrε ′′

01



Verhalten von Dielektrika im WechselfeldDielektrizitätszahlen und dielektrische Verlustfaktoren

[Münch 1993]

KunststoffeorganischeWerkstoffe

Keramik / GlasanorganischeWerkstoffe

Kunstharze

Unpolare Kunststoffe

Polare Kunststoffe

Technische Gläser

Silikatkeramik

NDK-Kondensatorkeramik

HDK-Kondensatorkeramik

Dielektrizitätszahl εr

4...10

2...2,5

2,5...6

3,5...12

4...6,5

6...200

200...104

Verlustfaktor tan δ ⋅ 103

200...500

< 0,5

1...20

0,5...10

1...20

< 0,6

2...20

NDK: Niedrige Dielektrizitätskonstante / HDK: Hohe Dielektrizitätskonstante



Dielektrische Eigenschaften von Kondensatoren

Kondensatoren dienen in elektrischen Schaltungen zu unterschiedlichen Zwecken:

► Glättung von Strömen

► Ladungsspeicherung

► frequenzabhängige Kopplungsglieder zwischen Wechsel- und Gleichstromkreisen

Entsprechend unterschiedlich sind auch ihre Dimensionierung und die verwendeten dielektrischen Materialien.

Die Speicherfähigkeit (Kapazität) eines Kondensators hängt ab von seiner Geometrie und von der Art des Dielektrikums, möglichst

► große Permittivität wegen leichter Polarisierbarkeit

► hoher elektrischer Widerstand zur Verhinderung von Ladungsaustausch

► hohe Durchschlagfestigkeit, damit dünne Schichten hohen Spannungen standhalten

► kleiner Verlustfaktor, um Erwärmung gering zu halten.



Kondensatorfamilien im Überblick

Kapazität

Keramik-Kondensatorhohe Kapazität durch große Dielektrizitätszahl εr

Elektrolyt-Kondensatorhohe Kapazität durchgeringen Plattenabstand d

Folien-Kondensator(Kunststoff/ Papier)hohe Kapazität durchgroße Plattenfläche A

Reale Kapazitäten (je nach Stoffklasse und Bauform) mit C = 1 pF...1 F

ε ε= ⋅ ⋅0rA

Cd



Folienkondensatoren im Überblick

[Hering et al 1994]

Dielektrikum(Papier, Kunststoff)

Metallfolie

Folienkondensatoren

KKunststoff-und Metallfolie

MPmetallisiertesPapier

MKmetallisierteKunststofffolie

typisches Aussehen



Anwendung von dielektrischen Werkstoffen in Bauelementen (1)

Elektrolytkondensatorenauf Basis von Aluminium, Tantal und Niob

Folienkondensatoren

Nb

Nb2O5



Keramische Einschicht- und Vielschichtkondensatoren


Quarzoszillatoren und Oberflächenwellenfilter



Piezoelektrische Werkstoffe Zur Ursache des piezoelektrischen Effekts

[Münch 1993]

Kristallgitter mit Symmetriezentrumnicht piezoelektrisch

Kristallgitter ohne Symmetriezentrumpiezoelektrisch

+ -

- + -

+

+ - +

-

--

- -

+ ++

+ +

+ -

- + -

+

+ - +

-

--

- -

+ ++

+ +

Pr

Pr

F

F

F

F

unbelastetF = 0

belastetF ≠ 0



3.4 Piezoelektrische Werkstoffe Piezoeffekt am Beispiel des Quarzkristalls (SiO2)

y

x

++ ++

-- --

[Kleber]

y

x

y

x

y

x

--

++

O2-

Si4+

F

F

unbelastetF = 0

belastetF ≠ 0



3.4 Piezoelektrische Werkstoffe Direkter und indirekter piezoelektrischer Effekt

piezoelektrischerWerkstoff

Elektrode

MechanischeVerformung Mechanische Anregung

Ladung/ elektr. Spannung

Elektrische Anregung

Dehnung/ mechan. Spannung

elektrischeLadung bzw.Spannung Indirekter Piezoeffekt

Direkter Piezoeffekt



3.4 Piezoelektrische Werkstoffe Anwendungen des piezoelektrischen Effekts

[Münch 1987]

Direkter piezo-elektrischer Effekt

Indirekter piezo-elektrischer Effekt

Erzeugung vonHochspannungs-

impulsen(Funkenerzeugung)

Kraft-, Druck-,Beschleunigungs-

aufnehmer

Schallerzeugung PiezoelektrischeAntriebe

(Translatoren)

Frequenz-stabilisierungZeitmessung

Frequenz-filter

Verzögerungs-leitungen




Pyroelektrische Infrarotsensoren und -kamerasPiezoelektrische Aktoren



Zusammenfassende Betrachtung zur elektrischen Leitfähigkeit

► Die Werte der Leitfähigkeit von Metallen, keramischen Stoffen und Polymeren unterscheiden sich um 25 Größenordnungen. Entscheidend für das Leitvermögen der Stoffe ist ihre Elektronenstruktur, von der Anzahl und Beweglichkeit der Ladungsträger abhängen. Das unterschiedliche Verhaltenvon Leitern, Halbleitern und Isolatoren kann aus der Energiebandstrukturerklärt werden.

► Das gute Leitvermögen von Metallen beruht auf der großen Anzahl freibeweglicher Elektronen. Die elektrische Leitfähigkeit nimmt mit zunehmenderTemperatur und zunehmender Konzentration an Gitterfehlern ab. Dabei wirken in fester Lösung befindliche Fremdatome und kohärente Ausscheidungen wesentlich stärker als inkohärente Ausscheidungen,Korngrenzen oder Versetzungen.

► In heteropolar gebundenen Stoffen sind die Ladungsträger Ionen. Mit steigender Temperatur nehmen Diffusionsgeschwindigkeit der Ionen und elektrische Leitfähigkeit zu.



► Die im allgemeinen sehr schlechte elektrische Leitfähigkeit von Polymerenkann durch Füll- oder Faserstoffe verbessert werden. Einige Polymere sind aufgrund ihrer besonderen Molekülstruktur von Hause aus gute elektrische Leiter.

► Unterhalb ihrer kritischen Temperaturen können in Supraleitern (bestimmte Metalle, intermetallische Verbindungen und keramische Substanzen) Strömeverlustfrei fließen. Die meisten dieser Stoffe müssen mit flüssigem Helium unter die kritische Temperatur abgekühlt werden. Bei einigen Keramikmaterialien mit höheren kritischen Temperaturen genügt hierfür bereits flüssiger Stickstoff (Siedetemperatur 77 K)

► Eine sehr breite Energielücke bedingt die extrem geringe elektrische Leitfähigkeit der meisten Keramikstoffe und Polymere. Vertreter dieser Stoffklassen mit hoher Durchschlagfestigkeit und kleiner Permittivität eignen sich als elektrische Isoliermaterialien. Für den Einsatz als Dielektrikum in Kondensatoren sind dagegen große Permittivitäten erwünscht. Eine Besonderheit stellt die Eigenschaft piezoelektrischer Substanzen dar, unter der Wirkung eines elektrischen Feldes ihre Abmessungen zu ändern.




► Die relativ breite Energielücke zwischen Valenzband und Leitungsband in Halbleiternlässt nur kleine, stark temperaturabhängige Werte der elektrischen Leitfähigkeit zu. Durch Dotieren mit anderen Elementen entstehen Störstellenhalbleiter mit kleiner Anregungsenergie und relativ hoher elektrischer Leitfähigkeit, die in einem bestimmten Bereich nahezu temperaturunabhängig ist.

Störstellenhalbleiter dienen zur Herstellung von Bauelementen wie Dioden, Transistoren und integrierten Schaltkreisen. Im Gegensatz zu Metallen bewirken steigende Temperatur oder höhere Störstellenkonzentration bei Halbleitern eine Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit.




Leitfähigkeit und Temperaturabhängigkeit verschiedener Werkstofffamilien

[http://www.testo.de]

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Temperatur / K[Chiang 1997]

Dr.-Ing. Bruno Kaiser (IfW/ TUD) mit freundlicher ......Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am...

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