Kontaktieren von stromtragfähigen Silikon-Bauelementen

Contacting of current carrying silicon rubber components

  • Die Vielfalt der Materialien, die in der Lage sind Strom zu führen, hat sich um elektrisch leitfähige Kunststoffe erweitert. Diese Materialien haben vergleichsweise günstige Eigenschaften, wie z.B. eine geringe Dichte und hohe Wetterbeständigkeit. Trotzdem beschränkt sich zurzeit der Einsatz dieser Materialien wegen Stromübergangsproblemen auf geringe elektrische Leistungen. Um solche Materialien auch für hohe Betriebsströme einsetzen zu können, ist eine zuverlässige Kontaktierung erforderlich. Dieser Beitrag behandelt die Kontaktierung zwischen stromtragfähigem Kunststoff und Metall. Ein wesentlicher Teil der Arbeit beschäftigt sich mit potenziellen Ursachen von Kontaktierungsproblemen, die weiterhin am Beispiel von elektrisch leitfähigem Silikonkautschuk analysiert werden. Bei der Suche nach Ursachen für diese Probleme werden mechanische, thermische und elektrische Aspekte sowie deren Zusammenhänge in Betracht gezogen. Da die Technologie in wesentlichem Maß die physikalischen Eigenschaften bestimmt, wird deren Einfluss ebenfallsDie Vielfalt der Materialien, die in der Lage sind Strom zu führen, hat sich um elektrisch leitfähige Kunststoffe erweitert. Diese Materialien haben vergleichsweise günstige Eigenschaften, wie z.B. eine geringe Dichte und hohe Wetterbeständigkeit. Trotzdem beschränkt sich zurzeit der Einsatz dieser Materialien wegen Stromübergangsproblemen auf geringe elektrische Leistungen. Um solche Materialien auch für hohe Betriebsströme einsetzen zu können, ist eine zuverlässige Kontaktierung erforderlich. Dieser Beitrag behandelt die Kontaktierung zwischen stromtragfähigem Kunststoff und Metall. Ein wesentlicher Teil der Arbeit beschäftigt sich mit potenziellen Ursachen von Kontaktierungsproblemen, die weiterhin am Beispiel von elektrisch leitfähigem Silikonkautschuk analysiert werden. Bei der Suche nach Ursachen für diese Probleme werden mechanische, thermische und elektrische Aspekte sowie deren Zusammenhänge in Betracht gezogen. Da die Technologie in wesentlichem Maß die physikalischen Eigenschaften bestimmt, wird deren Einfluss ebenfalls analysiert. Neben der theoretischen Betrachtung wurden vielfältige Untersuchungen zu diesen Aspekten durchgeführt, und deren Relevanz für die Stromübergangsprobleme ermittelt. Daraus ließ sich am Ende die Ursache der Stromübergangsprobleme ableiten. Ausgehend von den gewonnen Ergebnissen und unter Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften von leitfähigem Silikonkautschuk wird eine Verbesserungsmöglichkeit zur Kontaktierung vorgestellt. Sie basiert auf einer Modifikation der Oberflächen, speziell deren Metallisierung. Hierbei hat sich das Magnetronsputtern, Metallisierung von Werkstoffen im elektromagnetischen Feld unter Vakuum, als am besten geeignetes Verfahren erwiesen. Nach der Beschichtung der Oberfläche des leitfähigen Silikonkautschuks mit Aluminium bzw. Titan hat sich der Stromübergang und damit auch die Stromtragfähigkeit wesentlich verbessert. Anschließend werden die Ursachen für diese Verbesserung erklärt und die elektrische Belastbarkeit vor und nach der Oberflächenmodifikation ausgewertet. Die Arbeit gibt Hinweise auf weitere Möglichkeiten zur Verbesserung der Stromtragfähigkeit, zeigt somit weiteren Untersuchungsbedarf auf.show moreshow less
  • The diversity of materials, which are able to carry electricity, has been expanded to electrical conductive plastics. These materials have comparatively favourable properties, such as low density and high weather resistance. Nevertheless, application of these materials is confined to low electric power due to the problems in current passage areas. In order to apply such materials to high operating currents a reliable contacting is necessary. This contribution examines contacting between electrical conductive plastic and metal. An essential part of this work deals with possible problem causes in contacting, which furthermore are analysed on the example of electrical conducting silicone rubber. Mechanical, thermal and electrical aspects as well as their relationships are taken into account in search of causes for these problems. Because technology essentially determines physical properties, its influence is also analysed. Alongside theoretical considerations varied tests have been carried out and their relevance to the problems inThe diversity of materials, which are able to carry electricity, has been expanded to electrical conductive plastics. These materials have comparatively favourable properties, such as low density and high weather resistance. Nevertheless, application of these materials is confined to low electric power due to the problems in current passage areas. In order to apply such materials to high operating currents a reliable contacting is necessary. This contribution examines contacting between electrical conductive plastic and metal. An essential part of this work deals with possible problem causes in contacting, which furthermore are analysed on the example of electrical conducting silicone rubber. Mechanical, thermal and electrical aspects as well as their relationships are taken into account in search of causes for these problems. Because technology essentially determines physical properties, its influence is also analysed. Alongside theoretical considerations varied tests have been carried out and their relevance to the problems in current passage area has been determined. The reasons for problems in current passage areas have been finally deducted from the tests. Supported by the gained results as well as in consideration of the specific properties of silicone rubber, a possibility of improvement in contacting is shown. It is based on the surface modification and particularly on its metallization. Here, magnetron sputtering, metallization of materials in electromagnetic field, has proved to be the best suitable process. After coating the surface of silicone rubber with aluminium or titan the current-carrying capacity has improved significantly. Subsequently the causes of this improvement were explained and the electrical load-carrying capacity before and after the modification of the surface was evaluated. This thesis gives indications of further possible improvements of the current-carrying capacity and thus points out the necessity for further research.show moreshow less

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Metadaten
Author: Napierala, Artur
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-19174
Referee / Advisor:Prof.Dr.-Ing. Schwarz, Harald
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2010
Date of final exam:2010/08/17
Release Date:2010/10/21
Tag:Kontaktieren; Leitfähiger Silikonkautschuk; Magnetronsputtern
Contacting; Electrically conductive silicon rubber; Magnetron sputtering
GND Keyword:Elektrischer Kontakt; Elektrisches Bauelement; Silicone
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Energieverteilung und Hochspannungstechnik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Energieverteilung und Hochspannungstechnik