Vergleich der dielektrischen Eigenschaften von Isolierstoffen

Verstehen der dielektrischen Eigenschaften

Das dielektrische Verhalten ist die Art und Weise, wie isolierende Materialien auf elektrische Felder reagieren. Es beschreibt, wie gut das Material der elektrischen Leitfähigkeit entgegenwirkt. Zwei der wichtigsten Eigenschaften, die das Verhalten dieser Materialien bestimmen, sind die Dielektrizitätskonstante und der Verlustfaktor. Die Dielektrizitätskonstante ist ein Maß dafür, wie effektiv die Energie gespeichert wird. Der Verlustfaktor misst den Energieverlust in Form von Wärme. Die genaue Kenntnis dieser Werte ist für die Wahl des richtigen Materials für eine Anwendung von größter Bedeutung.

Polymere (Polyimid, Polytetrafluorethylen, Epoxid, Polyvinylchlorid)

Polyimid wird dort eingesetzt, wo hohe Festigkeit und hohe Temperaturen erforderlich sind. Ich erinnere mich, dass wir Polyimid in einigen Bereichen der elektrischen Isolierung verwendet haben. Polytetrafluorethylen ist sehr weit verbreitet, da es eine geringe Reibung und eine gute Stabilität bei hohen Temperaturen aufweist. Epoxid wird aufgrund seiner guten Klebeeigenschaften in Leiterplatten und anderen elektronischen Baugruppen verwendet. Polyvinylchlorid ist in der Kabelisolierung weit verbreitet. Es ist bei hohen Temperaturen nicht so stabil, aber für die meisten Verwendungszwecke billig.

Alle diese Polymerehaben eine unterschiedliche Dielektrizitätskonstante. Polyimid hat im Allgemeinen Werte zwischen fünf und sechs, während Polytetrafluorethylen eher bei zwei liegt. Epoxid und Polyvinylchlorid liegen irgendwo dazwischen. Diese Stoffe werden von Ingenieuren bevorzugt, wenn Flexibilität und Gewicht eine Rolle spielen, wie in der Unterhaltungselektronik.

Keramik (Tonerde, Bornitrid, Siliziumnitrid)

Keramik ist die erste Wahl, wenn eine hohe Durchschlagsfestigkeit und Wärmebeständigkeit erforderlich ist. Aluminiumoxid (Tonerde) hat gute dielektrische Eigenschaften und eine gute Wärmebeständigkeit. Bornitrid hat eine gute Wärmeleitung und elektrische Isolierung und Siliziumnitrid ist auch bei mechanischer Belastung formstabil. Diese Materialien werden häufig in Hochrisikoanwendungen wie Raumfahrzeugen oder Komponenten in Hochspannungsschaltkreisen eingesetzt.

Ihre Dielektrizitätskonstanten können unterschiedlich sein. Bei Aluminiumoxid liegt sie in der Regel zwischen neun und zehn. Bornitrid hat eine geringere Dielektrizitätskonstante, was für Anwendungen hilfreich ist, bei denen eine niedrige Dielektrizitätskonstante erforderlich ist. Siliziumnitrid liegt irgendwo dazwischen. Die Verwendung hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Auf der Grundlage dieses Wissens wurden zahlreiche Spezialgeräte entwickelt.

Glas (Quarzglas, Borosilikat)

Glas ist ein weiteres wichtiges Material für die elektrische Isolierung. Quarzglas ist ein Material mit sehr geringem dielektrischen Verlust. Es wird häufig in Mikrowellen- und Hochfrequenzanwendungen eingesetzt. Borosilikatglas ist wegen seiner Hitzebeständigkeit sehr begehrt und wird häufig in Laborgeräten verwendet. Seine Dielektrizitätskonstante ist etwas höher als die von Quarzglas, aber Borosilikatglas ist auch bei mittleren Temperaturen stabil.

Glas wird in Anwendungen eingesetzt, bei denen chemische Beständigkeit und Transparenz entscheidend sind. Glas besitzt dielektrische Eigenschaften, die zur Verringerung von Energieverlusten und zu einer stabilen Leistung über einen längeren Zeitraum beitragen.

Verbundwerkstoffe (Polymer-Keramik, Epoxid mit Aluminiumoxid/Kieselerde)

Verbundwerkstoffe vereinen die besten Eigenschaften von Polymeren und Keramiken. Bei einem Polymer-Keramik-Verbundwerkstoff wird beispielsweise eine flexible Polymermatrix mit Keramikpartikeln vermischt. Das Ergebnis ist eine Mischung aus Flexibilität und guter Durchschlagsfestigkeit. Epoxid in Kombination mit Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid wird in großem Umfang für Leiterplatten und elektronische Verpackungen verwendet. Diese Mischung erhöht die Hitzebeständigkeit und die mechanische Festigkeit, ohne die dielektrische Leistung zu beeinträchtigen.

Die Daten deuten darauf hin, dass diese Verbundwerkstoffe dielektrische Festigkeiten von mehreren Kilovolt pro Millimeter erreichen. Sie sind daher eine ideale Wahl für Anwendungen, bei denen sowohl Steifigkeit als auch eine erhöhte Isolierung erforderlich sind.

Faktoren, die die dielektrische Festigkeit beeinflussen

Die Durchschlagsfestigkeit wird von bestimmten Parametern beeinflusst. Dazu gehören die Temperatur, die Frequenz der elektrischen Belastung und die Qualität des Materials. Temperaturschwankungen können zu einer Verschlechterung der dielektrischen Eigenschaften führen, und eine höhere Frequenz kann zu größeren Verlusten führen. Auch die Herstellungsqualität spielt eine Rolle. Spuren von Verunreinigungen können den Isolationsgrad verringern. Diese Faktoren werden von den Ingenieuren beachtet, wenn sie zuverlässige Produkte bauen.

Viele praktische Anwendungen zeigen, dass Umweltbedingungen die Leistung verändern können. Ihre Bedeutung zeigt sich bei Stromübertragungskabeln und in der Unterhaltungselektronik.

Anwendungen in der Industrie

Das dielektrische Verhalten von Isolierstoffen wird in der Praxis genutzt. Sie sind sehr wichtig für elektrische Systeme wie Transformatoren und Kondensatoren. Diese Materialien werden in verschiedenen Branchen in Hochfrequenz-Kommunikationsgeräten eingesetzt. Auch medizinische Geräte sind auf eine gute Isolierung angewiesen. Bei einigen schweren Maschinen kann eine hohe Durchschlagfestigkeit Ausfälle und Schäden verhindern. Die tatsächliche Auswahl eines Isolators basiert auf seiner physikalischen Form und seinen Kosten.

Schlussfolgerung

Isoliermaterialien weisen unterschiedliche dielektrische Eigenschaften auf, die für verschiedene Anwendungen geeignet sind. Polymere, Keramiken, Glas und Verbundwerkstoffe haben jeweils ihre eigenen Stärken. Eine Liste weiterer Materialien finden Sie bei Stanford Advanced Materials (SAM).

Häufig gestellte Fragen

F: Was sagt die Dielektrizitätskonstante aus?

F: Sie gibt an, inwieweit ein Material elektrische Energie in einem elektrischen Feld speichert.

F: Warum sind Verbundwerkstoffe für die Elektronik so wertvoll?

F: Verbundwerkstoffe bieten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Flexibilität und guten elektrischen Isolationseigenschaften.

F: Wie wirkt sich die Temperatur auf die dielektrischen Eigenschaften aus?

F: Ein Temperaturanstieg verringert tendenziell die Durchschlagsfestigkeit und kann den Energieverlust erhöhen.