Charakterisierung innerer Grenzflächen gefüllter polymerer Isolierwerkstoffe mit Hilfe der dielektrischen Spektroskopie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Josef Kindersberger
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289275507

In der Hochspannungstechnik werden in zunehmendem Maße polymere Isolierwerkstoffe eingesetzt, die meist mit Mikropartikel gefüllt sind. Die Anbindung der Füllstoffpartikel an das umgebende Polymer beeinflusst dabei wesentlich die Eigenschaften des Isolierwerkstoffs. Neue Entwicklungen deuten darauf hin, dass durch nanoskalige Füllstoffe wesentliche Eigenschaften polymerer Isolierwerkstoffe wie die Beständigkeit gegen Treeing, Lichtbögen, Kriech-wegbildung und Erosion signifikant verbessert werden können. Als Ursache werden die besonderen Eigenschaften der Interphase angenommen, jenes Übergangsgebietes, das sich an der Grenzfläche zwischen Partikel und Matrixwerkstoff ausbilden kann. Bisher wurde die Existenz solcher Interphasen indirekt aus den unterschiedlichen makroskopischen Eigenschaften ungefüllter und nanoskalig gefüllter polymerer Isolierwerkstoffe geschlossen. Durch rasterkraftmikroskopische Aufnahmen war es erstmals möglich, ihre Existenz direkt zu zeigen. Unklar ist bis jetzt, was im Bereich der inneren Grenzfläche für die Eigenschaftsveränderungen verantwortlich ist, welche Struktur der Interphase zugrunde liegt und welche Rolle darin ggf. freie Ladungsträger spielen. Ob und wie sich diese speziellen Grenzflächen ausbilden, hängt von der Art der Isolierwerkstoffe und insbesondere der Oberflächenbehandlungen der Füllstoffpartikel ab. Grenzflächen und ihre zugehörigen Interphasen können durch ihre Wirkung auf die dielektrischen Eigenschaften eines Werkstoffs identifiziert und charakterisiert werden, wozu vorteilhaft die Methode der dielektrischen Spektroskopie eingesetzt wird. Die dielektrische Spektroskopie bestimmt den elektrischen Verlustfaktor und die relative Permittivität über einen Frequenzbereich. Sie ermöglicht Rückschlüsse auf den Aufbau des Werkstoffs, indem werkstoffcharakteristische, meist überlagerte Polarisationsmechanismen durch breite Variation der Frequenz und Temperatur voneinander getrennt und somit einzeln sichtbar gemacht werden. Ziel des Vorhabens ist es, polymere Isolierwerkstoffe mit mikro- und nanoskaligen Füllstoffen mittels dielektrischer Spektroskopie zu charakterisieren, die Wechselwirkungen zwischen Füllstoffpartikel und Polymer im Bereich der Interphase zu verstehen und daraus ein Modell abzuleiten, mit dessen Hilfe sich sowohl die dielektrischen Eigenschaften als auch das Verhalten unter elektrischen Beanspruchungen erklären lassen. Damit wäre es möglich, Eigenschaften gefüllter Isolierwerkstoffe gezielt zu beeinflussen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Dielektrisches Spektroskopiegerät
• Gerätegruppe: 6450 Meßbrücken und Kompensatoren, Widerstandsmeßgeräte