Bauteile

Teilprojekt E

Bauteile und Eigenschaften, Fachgebiet Hochspannungstechnik

Leitung: Prof. Dr. Volker Hinrichsen

Im Teilprojekt „Bauteile & Eigenschaften“ werden die Einsatzmöglichkeiten von antiferroelektrischen Materialien in der Energietechnik untersucht. Aufgrund ihrer hohen Permittivität können antiferroelektrische Materialien für die Konstruktion von Kondensatoren mit hoher Energie- und Leistungsdichte verwendet werden. Diese bieten das Potential, um beispielsweise kompaktere Umrichter zu konstruieren. Die spezifischen Eigenschaften von Kondensatoren mit antiferroelektrischem Dielektrikum werden hierfür mittels dielektrischer Spektroskopie bei den jeweils technisch relevanten Frequenzen charakterisiert, zudem werden Verlustleistung sowie Durchbruchfeldstärke experimentell bestimmt. Infolge der feldabhängigen Permittivität können antiferroelektrische Materialien zusätzlich im Isolationssystem als refraktives Feldsteuerungsmaterial in Hochspannungsisolatoren eingesetzt werden. Der Hochspannungsleiter wird mit einem Material beschichtet, das unter diesen Bedingungen eine hohe Dielektrizitätszahl aufweist, das elektrische Feld wird vom Kabelmantel verdrängt und damit die maximal auftretenden Feldstärken reduziert.

Im Zuge des Projektes sollen Komposit-Isolatoren aus Epoxidharz und Silikonkautschuk unter Zusatz von antiferroeleektrischen Materialien hergestellt und charakterisiert werden. Der Fokus liegt dabei auf der Modellierung und Optimierung der elektrischen Feldverteilung im Komposit-Isolator, auch begleitend mit Finiten Elemente Analyse (FEM) Simulationen. Des Weiteren wird die Langzeitstabilität der hergestellten Komposit-Isolatoren und Kondensatoren über elektrothermische Alterung evaluiert.

Kondensatoren, Fachgebiet Nichtmetallisch-Anorganische Werkstoffe

Leitung: Prof. Dr. Jürgen Rödel

Die neu entwickelten antiferroelektrischen Keramiken werden im Teilprojekt „Zuverlässigkeit antiferroelektrischer Vielschichtkondensatoren“ als Plattenkondensatoren und als Vielschichtkondensatoren hergestellt. Die letzteren werden über Foliengießen, Bedrucken und Kosintern realisiert (Abb. 1). Dadurch ist es möglich, verschiedene Foliendicken zu verwenden und im Bauteil verschiedene dicke dielektrische Schichten anzusteuern. Die Dicke ist mitbestimmend für die Durchschlagsfestigkeit des Bauteils. Neben der wissenschaftlichen Analyse des dielektrischen Durchbruchs wird im Teilprojekt ebenso die elektrische Leitfähigkeit mittels Impedanzspektroskopie betrachtet. Zur Zuverlässigkeit gehört weiterhin die elektrische Ermüdung als Degradation mit ansteigender Anzahl von Lastzyklen. Neben diesen Fragen der Zuverlässigkeit an der anwenderrelevanten Geometrie werden fundamentale Eigenschaftsprofile des Energieinhalts als Funktion von mechanischer Last und Temperatur bestimmt.

Aufnahmen von Vielschichtkondensatoren mit optischer Mikroskopie und REM.