Analyse der Mechanismen des dieleketrischen Durchschlags in keramischen Werkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr. Gerold A. Schneider
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 198021916

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Mittels FIB konnten leitfähige Filamente definierter Länge mit hohem Aspektverhältnis und ausreichend scharfer Spitze in Glassubstrate eingebracht werden. Die DS-Festigkeit der so präparierten Proben zeigt eine Korrelation mit der Filamentlänge a, gemäß dem Griffith-Theorie-basierten DS-Modell von Ebd ~ a^-0,5. Aus den experimentellen Daten konnte die Dielektrische Durchschlagszähigkeit von 6,30 ± 0,95 mJ/m berechnet werden. Hoshina et al. zeigten zudem im Jahr 2015, dass dieses Modell besser zu den gemessenen Ergebnissen passt, als die Modelle für den thermischen und den intrinsischen Durchschlag. Anhand von unterschiedlich dicken Glassubstraten wurde die Verschiebung der Übergangsspannung Utr, d.h. der Wechsel von Ohm‘schem zu raumladungsbegrenztem Leitfähigkeitsverhalten, mit steigender Materialdicke hin zu höheren Spannungen beobachtet. Leider war es nicht möglich anhand „dicker“ TiO2- und BaTiO3-Proben experimentell zu zeigen, dass der DS ab einer bestimmten Materialdicke unter Ohm‘scher Leitfähigkeit einsetzt und die DS-Festigkeit damit nicht mehr der dem im Model prognostizierten -Gesetz folgt. Es gelang jedoch, diese Probendicke aufgrund der experimentellen Ergebnisse zu berechnen. Schichtungsversuche haben gezeigt, dass sich Schichtungen aus dem gleichen Material wie entsprechend dickes Bulkmaterial verhalten. Elektroden in den Zwischenschichten sorgen lediglich für zusätzliche Feldspitzen und sind nicht zuträglich. Schichtungen aus unterschiedlichen Materialien führen zwar zu einer Erhöhung der DS-Festigkeit der schwächeren Schicht, insgesamt bleibt die DS-Festigkeit allerdings hinter der des stärkeren Materials zurück. Insgesamt wurde durch dieses DFG-Projekt ein sich an bruchmechanischen Überlegungen orientiertes neues dielektrisches Durchschlagsmodel entwickelt und verifiziert. Darüber hinaus konnten wir erstmals nachweisen, dass die enorme Streuung der Durchschlagsfestigkeiten verschwindet, wenn man nur Durchschläge innerhalb von aufgebrachten leitfähigen Elektroden berücksichtigt. Damit konnten wir eindeutig nachweisen, dass die häufig in der Literatur behauptete Korrelation der Streuung von mechanischen Festigkeiten und Durchschlagfestigkeiten falsch ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Electrical conduction mechanism in bulk ceramic insulators at high voltages until dielectric breakdown. J. of Appl. Phys. 117, 154902 (2015)
  Neusel, C., Jelitto, H., Schneider, G.A.
  
• Dielectric breakdown toughness from filament induced dielectric breakdown in borosilicate glass. J. Eur. Ceram. Soc. 38 (2018), 4476–4482
  Fischer, P.-K., Schneider, G. A.
  
• Influence of the Experimental Set-up and Voltage Ramp on the Dielectric Breakdown Strength and Breakdown Site in Borosilicate Glass. J. Eur. Ceram. Soc. (2020)
  Fischer, P.-K., Schneider, G.A.