Einfluss verschiedener Haftmechanismen auf die

Institut für Hochspannungstechnik 21.06.2017

Einfluss verschiedener Haftmechanismen auf die

elektrischen Eigenschaften von syntaktischem

Schaum unter kryogenen Temperaturen

Stefan Seibel, M.Sc.

Braunschweiger Supraleiterseminar 2017


Supraleiterseminar 2017 Gliederung

Motivation & Zielsetzung

Theoretische Grundlagen

Versuchsmethodik

Untersuchungsergebnisse

Zusammenfassung und Ausblick

2





Versuchsmethodik



3


Motivation

4

Kryogene Isolierstoffe

Typische, aktuell in kryogenen Anwendungen eingesetzte Isolierstoffe:

PPLP: Polypropylen-laminiertes Papier als geschichtetes Dielektrikum, getränkt in Flüssigstickstoff (LN2)

Gefahr von Gasblasenbildung

GFK: Glasfaserverstärker Kunststoff

Gefahr von Spannungsrissbildung bei Abkühlung

Hohe tanδ, εr Hohe Blind- und Verlustleistung

LN2 / tiefkaltes N2- Gas:

Stark ausgeprägter Flächen- und Volumeneffekt

Gefahr von Gasblasenbildung, da gleichzeitig Kühlmedium

Niedrige Spannungsfestigkeit

Alternative: Syntaktischer Schaum

Signifikant höhere Spannungsfestigkeit als LN2, niedriges εr

Im Vergleich zu anderen gefüllten Polymeren: Kontraktionsverhalten bei Abkühlung auf

Flüssigstickstofftemperatur (LNT) ähnlich zu Metallen/Supraleitern

Streckdehnung von Schaum (EP-Basis) größer als Differenz Schaum-Supraleiter Spannungen beim

Abkühlen können aufgenommen werden

Quelle: Gupta [1]



5

Materialmodifikation

Syntaktische Schäume zeigen unter kryogenen

Temperaturen im Kurzzeitbereich gute Eignung [2]

Behandlung von Mikrohohlkugeln mit einem

Haftvermittler hat tendenziell höhere

Spannungsfestigkeit gezeigt

Bislang nur eine Art von Haftvermittler untersucht

Technisch aber eine Vielzahl unterschiedlicher Haftvermittler

möglich

Zielsetzung:

Identifikation des Einflusses verschiedener Haftvermittlern auf die

Eigenschaften von syntaktischem Schaum mit Fokus auf:

Elektrische Durchschlagfestigkeit

Mech. Zugfestigkeit

Quelle: [3]





Versuchsmethodik



6



7

Syntaktischer Schaum

Was ist syntaktischer Schaum?

Kompositmaterial bestehend aus Mikrohohlkugeln (MHK), die in

eine Polymermatrix eingebettet sind

Viele Variationen über MHK Typen und Matrixmaterialien möglich

Einsatz als Isolierstoff für die HT-Supraleitertechnik:

Vorteile: Geringes Gewicht, niedriges εr, geringer Schrumpf bei

Abkühlen, kostengünstig

Nachteile: Einbringung von Hohlräumen, viele Grenzflächen

Aufbau und Modifikation syntaktischer Schäume:

GMHK: anorganische Glaskugeln, haften nur physikalisch an organischer Polymermatrix

Delaminationen möglich

Ablösungen / Lufteinschlüsse vermeiden?

Fehlstellen mögliche Initialstellen für elektrisches Versagen (Feldverdrängungen)

Zugfestigkeit abhängig von Haftung: MHK können Teil der Zugkräfte aufnehmen und Polymer dabei

entlasten

Delamination [Quelle: IFHT]



8

Haftvermittler

Haftvermittler dienen der Erzeugung einer chemischen Bindung zwischen organischen

und anorganischen Strukturen

Allgemeiner Aufbau eines Silan-basierten Typs:

R: Organofunktionelle Gruppe

CH2: Bindeglied, nicht bei allen Silanen vorhanden

Si: Silizium-Atom

X3: Hydrolisierbare Gruppe, meist Alkoxygruppe oder Chlor

Haftmechanismus:

Unter Abspaltung eines Teils der hydrolisierbaren Gruppe

wird Bindung an Substrat erreicht (Kondensationsreaktion)

Organofunktionelle Gruppe reagiert mit Polymer

Einfach- oder Doppelbindung je nach Gruppe und Polymer

möglich

R-(CH2)n-Si-X3

Organofunktionelle

Gruppe

Bindeglied

Hydrolisierbare

Gruppen

Substrat

Si Si Si

O O O

O O

R R R

Polymer





Versuchsmethodik



9


Versuchsmethodik

10

Untersuchte Materialien

Syntaktischer Schaum:

Epoxidharz als Polymermatrix

Mikrohohlkugeln (MHK):

Glasmikrohohlkugeln, Durchmesser einige 10µm, Wandstärke ca. 1µm, Schüttdichte 0,3-0,4g/cm³

Hier: 50Vol.-% MHK Füllgrad (maximaler Füllgrad für größte Anzahl Grenzflächen)

Haftvermittler:

Unbehandelte MHK als Referenz

Drei Typen von Haftvermittler auf MHK beschichtet (Typ1, Typ2, Typ3)

Ein Additiv für Harzmatrix (Typ4)

Prüflingsgeometrie:

Elektrische Untersuchungen:

Prüflinge in Kugel-Kugel Anordnung

Mechanische Untersuchungen:

„Knochenform“ nach DIN EN ISO 527

Prüfling ohne MHK


Versuchsmethodik

11

Elektrische Untersuchungen

Abkühlvorgang:

Abkühlen der Prüflinge in EPP-Box

Stufenweise Abkühlung (3 Stufen je 15 min, dann eintauchen

in LN2 für 15 min)

Elektrische Durchschlaguntersuchungen:

Verfahren gemäß IEC 60243

Anfahren einer Rampe zur Startspannungsermittlung (1 Prüfling)

20s-Stufentest (5 Prüflinge):

Start bei 40% der erwarteten Durchschlagspannung

Stufenhöhe gemäß Normvorgaben

Min. 6 Stufen bis zum Durchschlag


Versuchsmethodik

12

Durchschlaguntersuchungen unter AC

Trafokaskade für AC-Untersuchungen bis 200 kV

Für kryogene Untersuchungen:

Beschränkung: Durchführung nur bis max. 125 kV geeignet

Untersuchungen bei Raumtemperatur:

Prüfung in Isolieröl zur Vermeidung eines Überschlages


Versuchsmethodik

13

Durchschlaguntersuchungen unter DC

Greinacherschaltung bis

280 kV DC

Für kryogene Untersuchungen:

Spannung begrenzt durch

Durchführung auf:

𝑈𝑚𝑎𝑥 = 2 ∙ 125 𝑘𝑉 = 177 𝑘𝑉

Untersuchungen bei Raum-

temperatur:

Durchführung der Unter-

suchungen in einer Ölwanne


Versuchsmethodik

14

Zugversuche

Zugmaschine Zwick-Roell „Zmart Pro 1445“

Methodik:

Ziehen der Probe bis zum Bruch, dabei Bestimmung von:

Dehnung

Zugkraft

Abgeleitete Größen:

Elastizitätsmodul





Versuchsmethodik



15



16

Durchschlagspannung AC verschiedene Haftvermittler

Bei Raumtemperatur:

Kein signifikanter Einfluss auf AC-

Spannungsfestigkeit erkennbar

Mittelwerte und

Vertrauensbereiche in ähnlichen

Größenordnungen

48,5 47,9 46,6 51,1 50,5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Referenz Typ1 Typ2 Typ3 Typ4

Du

rch

sc

hla

gfe

lds

tärk

e (

pe

ak

) in

kV

/mm

Haftvermittler

Raumtemperatur



17

Durchschlagspannung AC verschiedene Haftvermittler

Bei Flüssigstickstoff-

temperatur:

Tendenzielle Steigerung der

Durchschlagfeldstärke durch

Verwendung von Typ1

Typ2: Mittelwert niedriger als

Referenz

Typ3/4: Mittelwerte zwischen

Referenz und Typ1

Vertrauensbereiche überlappen

sich größtenteils

50,4 55,1

48,7 53,2 52,3

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100


Du

rch

sc

hla

gfe

lds

tärk

e (

pe

ak

) in

kV

/mm

Haftvermittler

Flüssigstickstofftemperatur



18

Durchschlagspannung DC verschiedene Haftvermittler

Bei Raumtemperatur:

Tendenzielle, aber nicht

signifikante Erhöhung der

Durchschlagfeldstärke bei

Verwendung von Typ1 im

Vergleich zur Referenz

Alle anderen Haftvermittler zeigen

keinen Einfluss bzw.

verschlechtern das Material

tendenziell im Vergleich zur

Referenz

45,7 50,1

41,5 41,6 40,4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100


Du

rch

sc

hla

gfe

lds

tärk

e (

pe

ak

) in

kV

/mm

Haftvermittler

Raumtemperatur



19

Durchschlagspannung DC verschiedene Haftvermittler

Bei

Flüssigstickstofftemperatur:

Im Vgl. zwischen Typ1 und

unbehandelten MHK eine

tendenzielle Verbesserung,

Vertrauensbereiche überlappen

sich aber

Für alle anderen Haftvermittler

Trend noch weniger eindeutig

86,3 94,2

84,2 89,7 89,6

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100


Du

rch

sc

hla

gfe

lds

tärk

e (

pe

ak

) in

kV

/mm

Haftvermittler

Flüssigstickstofftemperatur



20

Zugfestigkeit bei Raumtemperatur

Im Vergleich mit

unbehandelten MHK:

Einzig Typ1 steigert die

Zugfestigkeit tendenziell

Größter Streubereich bei Typ1

Typ2-4 senken die Zugfestigkeit

im Vergleich zur Referenz

27,9 30,2

22,4 21,9

26,5

0

5

10

15

20

25

30

35

40


Zu

gfe

sti

gk

eit

σm

[M

Pa

]

Haftvermittler

Raumtemperatur



21

Gegenüberstellung der Messdaten

Zur Identifikation:

Mittelwerte und Vertrauensintervall

hier jeweils bezogen auf den

Referenzwert mit unbehandelten

MHK

Zugfestigkeit bei RT

El. Festigkeiten bei LNT

Vergleich ergibt:

Einzig positiver Trend aller drei

Eigenschaften bei Typ1 erkennbar

Bei Typ2, Typ3 und Typ4 keine

Verbesserung aller Eigenschaften

beobachtet

Teilweise bis zu 20% geringer

im Vergleich zur Referenz 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4


Haftvermittler

Zugfestigkeit

AC-Durchschlag-feldstärke

DC-Durchschlag-feldstärke



22

Diskussion

Einfluss der Haftvermittler:

Einzig Haftvermittler Typ1 zeigt bei Raumtemperatur sowohl in Zug- als auch in Durchschlagversuchen

tendenzielle Verbesserungen der Eigenschaften

Andere Typen von Haftvermittler zeigen keinen Einfluss oder sogar Verschlechterung

Folgende Schlüsse möglich:

Durchschlagsmechanismus ist abhängig von der Haftung / Anbindung der MHK in syntaktischem Schaum

These: Anbindung an Harzmatrix nur durch Typ1 gelungen

Andere Haftvermittler für Epoxidharz weniger gut geeignet

Anbindung der MHK durch Haftvermittler nicht erfolgreich





Versuchsmethodik



23



24

Zusammenfassung:

Proben aus syntaktischen Schäumen auf AC- und DC-Spannungsfestigkeit unter RT und LNT sowie mech.

Zugfestigkeit unter RT untersucht

Einfluss von Haftvermittlern auf el. Spannungsfestigkeit:

Typ1 zeigt unter LNT größte Steigerung der Spannungsfestigkeit

Einfluss von Haftvermittlern auf die mechanische Zugfestigkeit:

Typ1 zeigt tendenzielle Steigerung, Typ2-4 Reduktion im Vergleich zur Referenz

Ausblick:

Zugversuche zur Klärung der mech. Festigkeit bei unterschiedlichen Haftvermittlern unter LNT

Betrachtung der Bruchkanten mittels REM (sowohl RT- als auch LNT-Prüflinge) zur Identifikation möglicher

Haftung zwischen MHK und Harzmatrix

Untersuchungen mit Polyesterharz und Haftvermittler Typ1-4

Institut für Hochspannungstechnik 21.06.2017 25

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Fragen?

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

unter dem Geschäftszeichen SCHN 728/10-3


Quellen

26

[1]: „A Functionally Graded Syntactic Foam Material for High Energy Absorption under

Compression”, Gupta, Materials Letters, Vol. 61, No. 4-5, 2007, pp. 979-982.

[2] “Untersuchung des Durchschlagverhaltens von syntaktischen Schäumen bei

kryogenen Temperaturen”, Dissertation Winkel, Aachen, 2014

[3] Strauchs et. Al.: Mechanische Untersuchungen zum Vergleich der Haftung an inneren

Grenzflächen in syntaktischem Schaum, VDE ETG Fachtagung 16./17.9.2008

[4] „BYK-4511“ technisches Merkblatt, BYK Chemie Wesel, Stand 7/2012

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Einfluss verschiedener Haftmechanismen auf die