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Elektrische Eigenschaften

Durchschlagfestigkeit

Zur Bestimmung der Durchschlagfestigkeit wird folgendes Schaltschema herangezogen.

Abb.1
Versuchsanordnung zur Bestimmung der Durchschlagfestigkeit

I = Strom U = Spannung E = elektrisches Feld

Überschreitet die elektrische Spannung an der Probe einen kritischen Wert, so kommt es zum Durchschlag; d.h. der Stromfluss wächst plötzlich an und die Spannung zwischen den Elektroden bricht zusammen. Als Durchschlagspannung wird der Effektivwert der sinusförmigen Wechselspannung (16 bis 60 Hz) bezeichnet, die den Durchschlag ausgelöst hat. Die Durchschlagfestigkeit ist der Quotient von Durchschlagspannung und Abstand der Elektroden. Je nach Dauer der Beanspruchung können verschiedene Ursachen Auslöser für den Durchschlag sein.

Elektrischer Durchschlag

Wird ein elektrisches Feld angelegt, kommt es zu einem Herauslösen von Ladungsträgern (Ionen, Elektronen, Defektelektronen) aus Haftstellen oder aus dem Valenzband sowie zu einer Beschleunigung derselben. Bei Erreichen der kritischen Spannung, der Durchschlagspannung, entziehen die Ladungsträger dem Feld mehr Energie, als sie an die Umgebung abgeben. Durch Stoßionisation entwickelt sich eine Lawine von Ladungsträgern. Die Folge ist eine rasche Zunahme des Stromes. Kurz nachdem die kritische Spannung überschritten ist, tritt der Durchschlag ein.

Wärmedurchschlag

Bei Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes erwärmt sich der Isolator. Je kleiner die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist, desto schlechter ist die Wärmeableitung. Dies hat eine höhere lokale Temperatur zur Folge. Mit der Temperatur ändern sich aber auch die Materialeigenschaften der Polymere. Wachsen die elektrischen Verluste mit steigender Isolatortemperatur stärker an als die Wärme abfließen kann, kommt es zu einem Wärmedurchschlag. Dies wird auch als thermisches Weglaufen bezeichnet.

Durchschlag ausgelöst durch Entladung

Durch Entladungsvorgänge wird die Langzeitfestigkeit von Isolatoren begrenzt. Durch andauernde lokale Entladungen kommt es zur Zerstörung des Isolatormaterials. Entstehende Entladungskanäle entwickeln sich in verästelter Form (Treeing) weiter.

Temperaturabhängigkeit der Durchschlagfestigkeit

Bei tiefen Temperaturen (-200 °C) besitzen Werkstoffe mit hoher Polarität eine höhere Durchschlagfestigkeit als unpolare Polymere. Bis in die Bereiche von Raumtemperatur liegt die Durchschlagfestigkeit vom Polymethylmethacrylat (PMMA) deutlich höher als die von Polystyrol (PS). Nimmt jedoch die Temperatur und damit die Molekülbeweglichkeit weiter zu, steigt die elektrische Leitfähigkeit in den polaren Kunststoffen stärker an und der Abfall der Durchschlagfestigkeit ist nahe der Glasübergangstemperatur sehr ausgeprägt. Auch für weniger polare Polymere (PS) zeigt sich ein deutlicher Abfall der Durchschlagfestigkeit. Im Falle einer Copolymerisation von Styrol und Butadien, d.h. bei zusätzlichem Einbau von Butadien in die Kette, ist eine vorzeitige Abnahme der Durchschlagfestigkeit zu beobachten. Bei vernetzten Polymeren ist die Kettenbeweglichkeit durch die Vernetzungsstellen eingeschränkt; dadurch ergeben sich bessere Stabilitäten der elektrischen Eigenschaften.

Weitere wichtige Faktoren zur Behandlung der Durchschlagfestigkeit sind:

  • Kristallinität: die Kristallite in teilkristallinen Polymeren haben eine höhere Durchschlagfestigkeit als die amorphen Zwischenphasen
  • Orientierung: Bei der Verarbeitung von Thermoplasten kommt es oft zu starker Orientierung. Senkrecht zur Streckrichtung kommt es zu größerem Widerstand gegen Ausbildung von Entladungskanälen, die Durchschlagfestigkeit steigt an. Parallel zur Streckrichtung nehmen beide Werte ab.
  • Mechanische Spannung: Bei teilkristallinen Polymeren sind die Sphärolithgrenzen mechanische Schwachstellen, an denen sich bevorzugt Hohlräume ausbilden.
  • Umwelteinflüsse: Feuchtigkeit, thermische und thermooxidative Alterung sowie Strahlung haben Einfluss auf die Durchschlagfestigkeit. Eine Aufnahme von Feuchtigkeit durch das Isoliermaterial vergrößert die Anzahl der Ladungsträger und erhöht deren Beweglichkeit. Die Durchschlagfestigkeit wird reduziert. Eine Lagerung von Polymeren bei erhöhten Temperaturen kann zu einer Veränderung der Morphologie und damit der Durchschlagfestigkeit führen.
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