Belastungsarten für Isolationswerkstoffe

CMC Klebetechnik GmbH, Herr Gerald Friederici

Wie jedes Bauteil in Anwendung unterliegen auch elektrische Isolationen einer Alterung. Verschiedene Mechanismen beschleunigen diesen Vorgang und müssen je nach geforderter Betriebssicherheit berücksichtigt werden.

Bei der Entwicklung eines elektronischen Gerätes, einer elektrischen Einrichtung, eines elektrisch betriebenen Apparates gibt es etliche Normen zu beachten. Neben diesen als technische Standards ausgeführten Regelwerken (Arbeitssicherheit, Datenschutz, Umweltverträglichkeit…) müssen aber auch andere Prinzipien beachtet werden. Für Spritzgussteile gilt es zum Beispiel, komplizierte Hinterspritzungen zu vermeiden, der Geräte-Designer wird der Mechanik Abteilung Vorgaben hinsichtlich des Aussehens machen und der Konstrukteur muss auf eine möglichst einfache und fehlerfreie Serienfertigungsmöglichkeit achten.

Beispiele für Konstruktionsfehler in der Elektrotechnik sind z.B. Stromschleifen, Schlitzantennen oder Korrosion von Erdungspunkten. Darüber hinaus gibt es Umwelteinflüsse, die sich erst über die Zeit auswirken. Sie können dazu führen, dass ein Gerät vorzeitig ausfällt, die Betriebssicherheit gestört wird oder es sogar zu Sachschäden oder Lebensgefahr kommt. Neben mechanischen Fehlern wie zum Beispiel einem gebrochenen Abstandshalter entstehen Schäden auch weitgehend unsichtbar in den Isolationsmaterialien selbst. Denn mit Ausnahme der keramischen Isolatoren in der Hochspannungstechnik werden überwiegend Polymere Werkstoffe als Isolation eingesetzt. Und diese unterliegen Einflüssen wie thermische Alterung oder Degradation in feucht-warmer Umgebung.

Zu den wesentlichen Schädigungsmechanismen, die ein Entwickler bei dem Entwurf eines elektrischen oder elektronischen Geräts beachten sollte, gehören die folgenden:

CMC Klebetechnik kann bei nahezu allen hier aufgeführten Belastungen und Belastungskombinationen durch Auswahl der passenden Produkte eine Lösung anbieten

 Technische Folien und Klebebänder 

 Elektrische Isolation

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Anwendungstechnik

Gerald Friederici

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Gerald Friederici

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UrsacheMögliche Folge
WärmeMeist der wesentliche Einfluss bei der Alterung, Kunststoffe verspröden, Vergussmassen reißen, Mehrschichtmaterialien delaminieren. Ganz allgemein reduziert sich die Spannungsfestigkeit sowie die mechanischen Eigenschaften wie Bruchdehnung, Biegewechselbeständigkeit oder Einreißfestigkeit.
Wärmezyklen (trocken-warm/kalt und feucht-warm/kalt)
Die Materialschädigung tritt meist durch Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten der umgebenden Werkstoffe (z.B. Aluminium, Kupfer, Spritzgussteile aus Kunststoff, Keramik) auf. Die Mikrobewegungen können erhebliche Schub- und Zugkräfte entwickeln. Zudem werden Kunststoffe z.B. durch Wasseraufnahme und -abgabe geschädigt.
Vibrationen
Diese Mikrobewegungen belasten Haftungsverbünde (z.B. Vergussmasse an Gehäusewand, Mehrfachlaminate), aber auch Elastizitätseigenschaften. Außerdem kann es zu Reibung und Scheuern kommen.
Temperaturschock
Durch die schlagartige Längenausdehnung und -kontraktion kommt es zu mechanischen Spannungen, die zu Spannungsrissen führen können oder Delaminationen. Unter Druck können Versprödung (Kälte) und Erweichung (Wärme) zu plötzlich auftretenden Brüchen oder Deformationen führen. Beides geht einher mit einem Verlust der Isolationsfestigkeit.
Einsatzhöhe (Höhe über NN)
Nicht zu unterschätzen ist bei höheren Spannungen die in größeren Höhen reduzierte Spannungsfestigkeit von Luftstrecken. Niedriger Druck belastet nicht nur Bauteile (z.B. Elektrolytkondensatoren), sondern auch Isolationen. Durch die reduzierte Spannungsfestigkeit der Luft können oberflächliche Gleitentladungen entstehen, die dann den Isolationswerkstoff schädigen.
Impulsflankensteilheit (dU/dt)
In modernen elektronisch geregelten Stellantrieben oder Schaltnetzteilen werden sogenannte Umrichter-Schaltungen verwendet. Sie erzeugen aus der 50/60Hz Netzspannung eine geregelte Ausgangsspannung, indem die gleichgerichtete Spannung im PWM Verfahren „zerhackt“ wird. Die dabei entstehenden Impulsflanken sind zur Vermeidung von ohmschen Widerständen in den Bauteilen sehr steil. Diese schnelle Spannungswechsel belastet den Isolationswerkstoff erheblich mehr wie Sinusspannung geringer Frequenz. Vor allem polare Kunststoffe können sich in einem solchen Wechselfeld erhitzen (-> Schädigungsmechanismus Wärme)
Chemikalien
Jedem Techniker ist diese Ausfallursache sofort einleuchtend. Nahezu jeder Kunststoff kann in dem passenden „Lösemittel“ in Lösung gehen und verliert damit seine Eigenschaft als Isolationswerkstoff. Neben diesem eher seltenen Fall können Chemikalien Spannungsrisse verursachen, Oberfläche aufrauen und damit schmutzanfällig machen, zu Korrosion führen oder physikalische Eigenschaften so verändern, dass die Funktion (z.B. mechanische Trennung) des Isolationswerkstoffes nicht mehr erfüllt wird
Bewitterung / UV
Freiluftanwendungen generieren eine große Menge an Belastungen. Feuchtigkeit, Temperaturschock, Verschmutzung, Belastung durch energiereiche Strahlung (UV), Wärme und Chemikalien (z.B. Schwefelverbindungen in belasteter Umgebungsluft).
Verschmutzung
Verschmutzungen sind alle Fremdstoffe, die nicht bewusst und beabsichtigt innerhalb eines Isolationsaufbaus vorhanden sind oder eingetragen werden (z.B. Abrieb, Staub, Späne). Vor allem auf Oberflächen anhaftende Verschmutzungen können unter Anwesenheit eines Elektrolyten (meist Feuchtigkeit) zu einer Stromführung an der Oberfläche führen. Dieser Kriechstrom führt in vielen Fällen zu einer Schädigung und Verschlechterung der Isolationsfestigkeit. Metallische Verschmutzungen verkürzen zudem die Isolationsstrecke durch ihre Leitfähigkeit.
Teilentladungen (PD)
Teilentladungen, also teilweises Durchschlagen von Isolationsstrecken, erfolgt nahezu immer in Gasen (Luft). Sie erzeugen u.a. UV-Licht, Wärme und Zersetzungsprodukte. Teilentladungen entstehen u.a. bei zu hoher Spannungsdifferenz für die Isolationsstrecke (Sprühentladungen in die Luft, Gleitentladungen entlang der Oberflächen von Isolationswerkstoffen) oder an Isolationssprüngen innerhalb eines Isolierwerkstoffes (Gasblasen in Isolieröl, Delaminationen in Mehrschicht-Produkten, Lunker in Kunststoffmassen), an denen es zur Stoßionisation kommt.
Hohe Frequenzen
Sehr viele Isolationswerkstoffe haben eine mehr oder weniger polare Eigenschaft der Moleküle, aus denen sie aufgebaut sind. Diese versuchen in einem Wechselfeld der Polarität zu folgen. Gelingt dies nicht bei hohen Frequenzen, kann es zur Ausbildung von Raumladungen kommen. Die überhöhen die anliegende Feldstärke des elektrischen Feldes und können zu Teilentladungen und Schädigungen des Isolierstoffs führen.
Feuchtigkeit
Eine große Anzahl an Flüssigkeit kann freie Ionen (z.B. Salze) enthalten, die das Leiten eines elektrischen Stroms erlauben. Dabei kommt es ggf. sogar zu einer Elektrolyse mit entsprechend aggressiven Reaktionsprodukten. Daneben erhöhen Flüssigkeiten (namentlich Wasser) die Leitfähigkeit von Verschmutzungen. Hohe Luft-Feuchtigkeit in Verbindung mit Temperaturen über ca. 80°C führt außerdem bei bestimmten Kunststoffen zur Hydrolyse. Dabei wird durch das stark polare Wassermolekül die Kettenlänge der Polymere nach und nach immer stärker verkürzt. Dies führt zu einem schleichenden Verlust an chemischen, physikalischen und elektrischen Eigenschaften.
Neben den hier aufgezählten Belastungen und ihren Folgen gibt es weitere, anwendungsspezifische Belastungen wie z.B. durch Hochenergiestrahlung (X-Ray) oder kryogenische Temperaturen.