Funktionswerkstoffe

Herzlich willkommen zur Vorlesung
„Funktionswerkstoffe“
Dr.-Ing. Bruno Kaiser (IfW/ TUD)
mit freundlicher Unterstützung
des IWE, Uni Karlsruhe
Institut für
Werkstoffe der Elektrotechnik
Prof. Dr.-Ing. C. Berger
Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 1
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Einteilung der Werkstoffe
nach anwendungstechnischen Gesichtspunkten
Konstruktionswerkstoffe:
für „Konstruktionen“, d. h. für Bauteile mit hauptsächlich mechanischer Beanspruchung, 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)
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Beispiele für den Einsatz von Konstruktionswerkstoffen
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Einteilung der Funktionswerkstoffe
(üblicherweise nach Verwendung)
Widerstandswerkstoffe
Leiterwerkstoffe (auch Supraleiter)
Halbleiterwerkstoffe
Magnetwerkstoffe
Kontaktwerkstoffe
Isolierstoffe
(Dielektrika)
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Allgemeine Vorbemerkungen
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)
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Anwendung von Leiterwerkstoffen
Dehnmessstreifen (DMS)
Kaltleiter (PTCs)
Varistoren
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Anwendung von Leiterwerkstoffen
Lambdasonden und
resistive Abgassensoren
Supraleiter für
magnetische Anwendungen
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Übersicht der Einsatzgebiete von Metallen in der Elektrotechnik
0.108
0.313
Li
Be
0.53
179
1.848
1277
0.139
0.226
Leitfähigkeit in 106 1/Ωcm
Kontakte
Widerstände
Leiter
Stromquellen
Magnetische
Werkstoffe
0.0489
Schmelztemperatur in °C
Na Mg
V
Dichte in g/cm3
5.8
1900
0.377
Al
0.971
98
1.738
650
2.702
660
0.139
0.298 0.0177 0.0234 0.0489 0.0774 0.0070 0.0993 0.172
K
Ca
Sc
Ti
V
0.862
64
1.55
838
3.0
1539
4.50
1668
5.8
1900
0.143
0.596
0.166 0.0678
Cr Mn Fe
Co
Ni
7.19
1875
7.43
1243
7.86
1536
8.90
1495
8.90
1453
8.96
1083
7.14
419
5.907
30
0.0779 0.0762 0.0166 0.0236 0.0693 0.187
0.067
0.137
0.211 0.0950 0.630
0.138
0.116 0.0917
Rb
Sr
Y
Zr
1.53
39
2.6
768
4.47
1509
6.4
1852
Nb Mo Tc
Ru Rh Pd Ag Cd
In
Sn
8.57
2415
12.2
2500
7.31
157
7.30
232
10.2
2620
11.5
2200
0.0489 0.030 0.0126 0.0312 0.0761 0.189 0.0542 0.109
Cs Ba
La
Hf
Ta
W
1.873
29
6.7
920
13.2
2222
16.6
2996
19.3
3410
8.51
714
Cu Zn Ga
Re Os
21.0
3180
22.40
2700
12.4
1966
12.02
1552
10.5
961
8.65
321
0.197 0.0966 0.452 0.0104 0.0617 0.0481
Ir
Pt
22.42
2454
21.45
1773
Au Hg
Tl
19.32 13.546 11.85
1063
-38
303
Pb
11.34
327
[Münch 1987]
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Metallische Leiter, Kontakte, Widerstände und Sensoren
Leiter und Kontakte
sollen den elektrischen Strom möglichst
widerstandsfrei weiterleiten
Widerstände
regeln und messen den Strom und verwandeln
ihn 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 Bindungsverhältnissen, Gitterstörungen, Temperatur und Gefügestruktur und in Ionenverbindungen von
der Diffusionsgeschwindigkeit.
Auf der Vielfalt dieser Einflussgrößen beruht die große Variationsbreite der elektrischen
. Leitfähigkeit verschiedener Stoffklassen.
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Leiter
Halbleiter
Isolatoren
Übersicht: Spezifischer Widerstand und Leitfähigkeit
spezifischer
Widerstand
[Ωm]
elektrische
Leitfähigkeit
[S/m]
10+18
10+16
10+14
10+12
10+10
10+8
10+6
10+4
10+2
1
10-2
10-4
10-6
10-8
10-18
10-16
10-14
10-12
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
1
10+2
10+4
10+6
10+8
organische Polymere
SiO2, Al2O3
keramische Isolatoren
ferromagnetische und
ferroelektrische Keramik
anorganische Gläser
GaAs
Si (intrinsisch)
Si (extrinsisch)
Graphit
Metalle und Legierungen
↓ Supraleiter
NiCr
Al
Ag, Cu
[Schaumburg 1990]
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Elektrische Leitfähigkeit, Leiterwerkstoffe
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Vorstellung der elektronischen Leitfähigkeit nach Drude
Atomrümpfe
–
Elektron
–
E-Feld
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.
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Regel nach Matthiessen für die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit
Matthiessensche Regel
spezifischer Widerstand
ρ = ρ T (T ) + ρ r
„andere“
Parameter
Wärmebewegung
des Gitters
ρ T Temperaturanteil
„andere“ temperaturunabhängige Parameter
ρ r konstanter Anteil
• Fremdatome
• Versetzungen
0
Temperatur
• andere Defekte im Gitter
(Korngrenzen, Zweitphasen, ...)
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.
[Schaumburg 1990, Tipler 1994]
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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
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Leitfähigkeit von metallischen Werkstoffen bei tiefen Temperaturen
ρ r temperaturunabhängiger Anteil
ρT Temperaturanteil
[Call 1994]
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Supraleitung unterhalb der „Sprungtemperatur“
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)
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)
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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)
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Räumliche
Leiteranordnungen
Ebene
Leiteranordnungen
Leiterwerkstoffe
Anwendungen metallischer Leiterwerkstoffe
Wicklungen
Kabel
Nachrichtentechnik
Energietechnik
Cu
Cu
σ / σAg
1,0
Al, Cu, (Na)
Freileitungen
Al/St, Cu, Al
0,8
Hohlleiter
Ag
0,6
0,4
Integrierte Schaltungen Al, Al/Cu, Au
Dünnschichtschaltungen Al, Au, Ag, Cu
0,2
Dickschichtschaltungen Au, Ag, Pd, Pt
0,0
Leiterplatten
Ag Cu
Au
Al
Na Mg
Zn
Fe
Cu, Sn
[Münch 1987]
Auswahlkriterien: spezifische Leitfähigkeit σ, Gewicht, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Kosten
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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
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Bändermodell und –strukturen verschiedener Werkstoffe
Das Bändermodell veranschaulicht, ob es in einem Werkstoff freie, d.h. über eine
von 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.
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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 von
Energiebändern aus
diskreten
Energieniveaus beim
Zusammenführen
vieler Atome
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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).
b) Isolator
a) Halbleiter
Leitungsband
WL
Wv
~ 1,1 eV
Valenzband
WL
Wg ~ 9 eV
Wv
Silizium
Leitungsband
Valenzband
SiO2
c) Leiter
Wf
Leitungsband
Metalle
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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
Beispiele: Gleichrichtung, Verstärkung, Signalwandlung, Signalspeicherung usw.
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Halbleitereffekt am Beispiel von Silizium bei T = 0 K
Si
Si
Si
Si
Einfaches Bändermodell
Si
Leitungsband
Si
Si
Si
Si
WL
Si
WG = 1,17 eV (Si)
Si
Si
Si
Si
Si
WV
Valenzband
Si
Si
Si
Si
Si4+ (Ge4+): 4 Valenzelektronen (sp3-Hybridisierung)
Si
*T=0K
keine Elektronen im Leitungsband*
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Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 24
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Halbleitereffekt am Beispiel von Silizium bei T > 0 K
(Eigenleitung, „intrinsische Leitung“)
Si
Si
Si
Si
Einfaches Bändermodell
Si
Leitungsband
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
WL
WV
Valenzband
Si
Si
Si
Si
Si
• Leitungselektronen im Leitungsband
• Defektelektronen im Valenzband
Bei Energiezufuhr (T > 0 K)
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Gegenüberstellung von intrinsischer und Störstellenleitung
Srörstellenleitung durch Dotierung mit 3- oder 5-wertigen Atomen
i-Leitung (Eigenhalbleiter)
n-Leitung (donatordotiert)
p-Leitung (akzeptordotiert)
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
As5+
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
Si4+
Ga3+
Si4+
Leitungsband
-
WG=1,11eV
+
Valenzband
WL
WFi
WV
Leitungsband
- - - WL
+ + +
WF
Donatorniveaus
+
Valenzband
Leitungsband
-
WL
Akzeptorniveaus
WF
- - WV
+ + +
+
Valenzband
WV
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Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 26
[Hahn 1983]
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Temperaturabhängigkeit beim Störstellenhalbleiter
Ladungsträgerkonzentration
Beweglichkeit
T
Leitfähigkeit
T
T
n = p = ni
intrinsisch
log(σ)
μ
log(ni, n, p)
n oder p
ni
I
E
Tmax
R
extrinsisch
I
Tmin
E
Tmax
Tmin
T-1
T-1
I: intrinsischer Bereich, E: Störstellenerschöpfung, R: Störstellenreserve
R
T-1
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Elektrische Kontakte
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Kontaktarten und ihre Beanspruchung
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)
Geöffneter Kontakt:
möglichst ideale elektrische Isolation
Geschlossener Kontakt: möglichst ideale elektrische Leitung
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Metalle als Kontaktwerkstoffe
Kontaktwerkstoffe
Meß- und
Nachrichtentechnik
Au, Ag,
Ag/Ni,
Rh, Pt
Federkontakte
Cu/Sn
Cu/Zn
Cu/Be
Auswahlkriterien:
Besonders niedriger
Übergangswiderstand
Legierungen
mit hohem
Elastizitätsmodul
Starkstromtechnik
niedrige Leistung
hohe Leistung
Cu/Ag, Ag/Cu
Ag/Ni, Ag/C,
Ag/CdO
Mo, W
Mo/Cu, W/Cu
Mo/Ag, W/Ag
Legierungen / Verbundwerkstoffe mit
hoher Abbrandfestigkeit und geringer
Materialwanderung
[Münch 1987]
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Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 30
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Metalle als Kontaktwerkstoffe
gegen Feinwanderung
beständige
Kontakte
Leistungslos
schaltende
Kontakte
Cu
Ag
Au
Kontakte
für mittlere
Leistungen
Kontakte
mit höchster
Abbrandfestigkeit
Cu/Ag Ag/Cd
Pd
Pt
Cu/Ag Ag/Ni Rh
Pd/Cu Pt/Ir
/Cd Ag/Pd
Mo
W
Feder- und
Schleifkontakte
W/Ag
W/Cu
Cu/Be
Cu/Sn
Cu/Zn
[Münch 1993]
Institut für
Werkstoffe der Elektrotechnik
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Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 31
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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 Elektronik
Hartgold mit Ag, AgCu, AgNi, AgPt u.a.
Platin oder Palladium (sehr teuer) nur für abs. chem. Beständigkeit bei
gleichzeitig hoher Abbrandfestigkeit
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Widerstände
Dehnmessstreifen (DMS)
Kaltleiter (PTCs)
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Widerstände
Die metallischen Widerstände sind PTC-Widerstände mit linearer Abhängigkeit
von Strom und Spannung.
Nach ihren Aufgabengebieten lassen sie sich in drei Gruppen einteilen:
1.
2.
3.
schwach belastbare Präzisionsmesswiderstände
veränderliche, mäßig belastbare Steuer-, Regel- und Messwiderstände
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.
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Widerstände
Die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes folgt näherungsweise
der Gleichung
ρT = ρr (1 + a ΔT)
ρT
ρr
ΔT
a
ist der allein durch thermische Wechselwirkungen bedingte Widerstand
ist der Widerstand bei Raumtemperatur (25°C),
ist die Differenz zwischen tatsächlicher Temperatur und 25°C,
ist der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes
Der spezifische elektrische Widerstand hängt in einem weiten Bereich linear von der
Temperatur ab.
Metall
Be
Mg
Ca
Al
Cr
Fe
Co
Ni
ρr
[10-6 Ωcm]
4,0
4,45
3,91
2,65
12,9
9,71
6,24
6,84
a
[10-3 Ωcm/°C]
25
16,5
4,2
4,3
3,0
6,5
6,0
6,9
Cu
Ag
Au
1,67
1,59
2,35
6,8
4,1
4,0
Spezifischer elektrischer Widerstand und Temperaturkoeffizient einiger Metalle
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Widerstände
Widerstand R eines Metalls aus Strukturwiderstand RS und dem
Temperaturwiderstand RT:
R = RS + RT
Strukturwiderstand RS
aus Zusammensetzung und Aufbau des Metalls (Reinheit, Gitterfehler bzw.
-verzerrungen; konst. bei gleich bleibender Struktur, ändert sich bei elastischer oder
plastischer Deformation.
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.
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Werkstoffe für temperaturstabile Präzisionswiderstände (1)
1,00
CuMnSn
CuMn12AlFe
0,98
0,96
-200
15
AuCr2 CuMn12Ni2
0
200
Temperatur / °C →
400
TKρ / 10-5 K-1 →
ρ (T) / ρ (0 °C) →
ρ und TKρ von Widerstandslegierungen (Präzisionswiderstände)
10
CuMn12Ni2
AuCr2
CuMnSn
5
CuMn12AlFe
0
-5
-200
0
200
Temperatur / °C →
400
Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes ρ(T)
und des Temperaturkoeffizienten TKρ von einigen Legierungen
[Münch 1993]
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Metallische Leiter, Kontakte, Widerstände und Sensoren
Werkstoffe für Präzisionswiderstände
Werkstoffe
spez. el.
Widerstand
in 10-8 Ωm
Temperaturkoeffizient in 10-5 K-1
Ni
6,9
680
Cr
13,2
214
Al
2,67
450
Cu
1,69
430
Widerstandslegierung Konstantan Cu55Ni45
52
2
Thermopaarlegierung Chromel Ni90Cr10
70,6
32
Ni80Cr20
108
5
Präzisionswiderstandslegierung Evanohm Ni75Cr20Al2,5Cu2,5
134
1
Grenztemp. 300°C
Spezifischer elektrischer Widerstand sowie Temperaturkoeffizienten reiner Metalle
und Spezial-Legierungen
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Werkstoffe für temperaturstabile Präzisionswiderstände (2)
Werkstoff
Legierungselemente
Grenz-
in Gewichts%
temperatur
ρ
TKρ
Thermospannung
gegen Kupfer *
in μV/K
Mn
Ni
Al
in °C
in μΩcm
CuMn12Ni2
12
2
-
140
43
± 1·10-5
- 0,4
CuNi20Mn10
10
20
-
300
49
± 2·10-5
- 10
CuNi44
1
44
-
600
49
+ 4·10-4
- 40
in K-1
- 8·10-4
CuMn2Al
2
-
0,8
200
12
4·10-4
+ 0,1
CuNi30Mn
3
30
-
500
40
1·10-4
- 25
CuMn12NiAl
12
5
1,2
500
40
~ 10-5
-2
alle Werte gelten bei T = 20 °C
* Seebeck-Koeffizient
[Münch 1987]
Auswahlkriterien: Hoher spez. Widerstand ρ, Langzeitstabilität, definiert einstellbarer und sehr
Legierungen
niedriger Temperaturkoeffizient TKρ , geringe Thermospannung gegen Kupfer
[Münch 1987]
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Dielektrika: nicht leitende Werkstoffe
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Dielektrischen Werkstoffen und ihre Anwendung
Folienkondensatoren
Elektrolytkondensatoren
auf Basis von Aluminium, Tantal und Niob
Nb2O5
Nb
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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.
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Polarisationsmechanismen
Plattenkondensator bei konstantem elektrischen Feld
Verschiebungsdichte im Vakuum
+
+
+
E
U
-
-
+
+
σF = D0
-
-
E
[Ivers-Tiffée 2007]
elektrische Feldkonstante
ε0 = 8,85 ⋅ 10-12 As/Vm
P
D
+ + + + +
- - - - - - - - - -
Vakuum
D0 : Vakuumverschiebungsdichte
σF : freie, flächenbezogene Ladung auf den
Kondensatorplatten
r
r
D0 = ε 0 ⋅ E
++++++++++
- - - - U
D0
-
Verschiebungsdichte im Dielektrikum
σF = D
σP = P
Dielektrikum
P : Polarisation
σP : gebundene, flächenbezogene
Polarisationsladung auf der Außenseite
des Dielektrikums
r
r r
D = ε0 ⋅ E + P
P = fkt (E, T, σM , ...)
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Dielektrisches Verhalten von Werkstoffen
Feldstärke und Verschiebungsdichte
Dielektrizitätszahl
Die Verschiebungsdichte D ist die Ladung pro
Fläche, die nach Anlegen eines elektrischen
Felds E auf die Platten verschoben wird.
In linearer, isotroper Materie ist die angelegte
Feldstärke E proportional zur elektrischen
Verschiebungsdichte D.
++++++++++
- - - - U
E
D
+ + + + +
- - - - - - - - - -
Dielektrikum
r
r
D = ε0 ⋅ εr ⋅ E
εr : relative Dielektrizitätszahl des Werkstoffs
ε0 : elektrische Feldkonstante
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.
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Polarisationsmechanismen im Überblick
Grundtypen der Polarisation
Spezielle Dielektrika
Elektronenpolarisation
Auslenkung von Atomhülle gegen Atomkern
Piezoelektrizität
Polarisation wird durch mechanische
Dehnung induziert und umgekehrt.
Ionenpolarisation
Auslenkung von Kationen gegen Anionen im
Kristallgitter
Orientierungspolarisation
Ausrichtung permanent vorhandener Dipole
Raumladungspolarisation
Ladungsverschiebung in polykristallinen und
Kompositwerkstoffen
Pyroelektrizität
Spontane Polarisation unabhängig vom
elektrischen Feld
Ferroelektrizität
Spontane Polarisation durch
elektrisches Feld beeinflussbar
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Grundtypen der dielektrischen Polarisation
Grundtypen
Elektronenpolarisation
Auslenkung von Atomkern und -hülle
(induzierte Dipole)
Ionenpolarisation
Auslenkung von Kationen und Anionen
(induzierte Dipole)
-
E=0
E>0
-
-
+ -
-
+ -
- + - + - +
+ - + - + - + - + - +
- + - + - +
+ - + - + - + - + - +
Orientierungspolarisation
Ausrichtung permanent vorhandener
Dipole
- +
-+ - +
- +
- + - ++
- - + +
-+
+
+
- +
- +
-
Raumladungspolarisation
Ansammlung freier Ladungsträgern
an isolierenden Korngrenzen
[Schaumburg 1994]
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3.3 Verhalten von Dielektrika im Wechselfeld
Vollständiges Dispersions- und Verlustspektrum
ε r′
Raumladungspolarisation
′
χRL
Relaxation
Raumladungspolarisation
Orientierungspolarisation
Orientierungspolarisation
Ionenpolarisation
′
χOr
′
χ ion
χel′
1
0
Dispersionsspektrum
Resonanz
Elektronenpolarisation
10-4...10-2
Ionenpolarisation
Elektronenpolarisation
< 1010 1011...1013 1014...1015 f / Hz
ε r′′
Verlustspektrum
Mikrowellen
RRL
Ri
ROr
CRL
COr
Infrarot Ultraviolett
Rion
Cion
Lion
Rel
Cel
Lel
f / Hz
Ersatzschaltbild
[Schaumburg 1994]
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Verhalten von Dielektrika im Wechselfeld
Dielektrizitätszahlen und dielektrische Verlustfaktoren
Dielektrizitätszahl εr
Verlustfaktor tan δ ⋅ 103
Kunstharze
4...10
200...500
Unpolare Kunststoffe
2...2,5
< 0,5
Polare Kunststoffe
2,5...6
1...20
Technische Gläser
3,5...12
0,5...10
Silikatkeramik
4...6,5
1...20
NDK-Kondensatorkeramik
6...200
< 0,6
HDK-Kondensatorkeramik
200...104
2...20
Kunststoffe
organische
Werkstoffe
Keramik / Glas
anorganische
Werkstoffe
[Münch 1993]
NDK: Niedrige Dielektrizitätskonstante / HDK: Hohe Dielektrizitätskonstante
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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.
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Kondensatorfamilien im Überblick
Kapazität
C = εr ⋅ ε0 ⋅
A
d
Keramik-Kondensator
hohe Kapazität durch
große Dielektrizitätszahl εr
Folien-Kondensator
(Kunststoff/ Papier)
hohe Kapazität durch
große Plattenfläche A
Elektrolyt-Kondensator
hohe Kapazität durch
geringen Plattenabstand d
Reale Kapazitäten (je nach Stoffklasse und Bauform) mit C = 1 pF...1 F
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Folienkondensatoren im Überblick
Folienkondensatoren
MP
metallisiertes
Papier
K
Kunststoffund Metallfolie
MK
metallisierte
Kunststofffolie
typisches Aussehen
Metallfolie
Dielektrikum
(Papier, Kunststoff)
[Hering et al 1994]
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Anwendung von dielektrischen Werkstoffen in Bauelementen (1)
Folienkondensatoren
Elektrolytkondensatoren
auf Basis von Aluminium, Tantal und Niob
Nb2O5
Nb
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Anwendung von dielektrischen Werkstoffen in Bauelementen (2)
Keramische Einschicht- und Vielschichtkondensatoren
Quarzoszillatoren und
Oberflächenwellenfilter
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Piezoelektrische Werkstoffe
Zur Ursache des piezoelektrischen Effekts
Kristallgitter ohne Symmetriezentrum
Ö piezoelektrisch
Kristallgitter mit Symmetriezentrum
Ö nicht piezoelektrisch
+
-
+
+
-
+
-
+
-
+
unbelastet
F=0
+
-
-
-
+
+
+
-
F
F
+
-
+
-
+
-
+
-
+
belastet
F≠0
+
+
r
P
-
-
+
r
P
+
-
F
F
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+
[Münch 1993]
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3.4 Piezoelektrische Werkstoffe
Piezoeffekt am Beispiel des Quarzkristalls (SiO2)
y
O2-
unbelastet
F=0
y
Si4+
x
x
-
belastet
F≠0
F
-
F
+
+ +
y
+
[Kleber]
y
-
+
x
- -
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-
x
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+
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3.4 Piezoelektrische Werkstoffe
Direkter und indirekter piezoelektrischer Effekt
Direkter Piezoeffekt
Mechanische
Verformung
Mechanische Anregung
Ladung/ elektr. Spannung
piezoelektrischer
Werkstoff
elektrische
Ladung bzw.
Spannung
Indirekter Piezoeffekt
Elektrische Anregung
Elektrode
Dehnung/ mechan. Spannung
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3.4 Piezoelektrische Werkstoffe
Anwendungen des piezoelektrischen Effekts
Direkter piezoelektrischer Effekt
Erzeugung von
Hochspannungsimpulsen
(Funkenerzeugung)
Indirekter piezoelektrischer Effekt
Kraft-, Druck-,
Beschleunigungsaufnehmer
Frequenzstabilisierung
Zeitmessung
Schallerzeugung
Frequenzfilter
Piezoelektrische
Antriebe
(Translatoren)
Verzögerungsleitungen
[Münch 1987]
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Anwendung von dielektrischen Werkstoffen in Bauelementen (3)
Piezoelektrische Aktoren
Pyroelektrische Infrarotsensoren und -kameras
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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 Verhalten
von Leitern, Halbleitern und Isolatoren kann aus der Energiebandstruktur
erklärt werden.
► Das gute Leitvermögen von Metallen beruht auf der großen Anzahl
freibeweglicher Elektronen. Die elektrische Leitfähigkeit nimmt mit zunehmender
Temperatur 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.
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Zusammenfassende Betrachtung zur elektrischen Leitfähigkeit
► Die im allgemeinen sehr schlechte elektrische Leitfähigkeit von Polymeren
kann 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) Ströme
verlustfrei 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.
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Zusammenfassende Betrachtung zur elektrischen Leitfähigkeit
► Die relativ breite Energielücke zwischen Valenzband und Leitungsband in Halbleitern
lässt 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.
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Elektrische Leitfähigkeit / (S/m)
Leitfähigkeit und Temperaturabhängigkeit verschiedener Werkstofffamilien
Temperatur / K
[Chiang 1997]
[http://www.testo.de]
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