Optimierung von dielektrischen Längsgrenzflächen unter Nutzung von Nanostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Fery; Professor Dr. Stefan Kornhuber
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461840646

Im vorliegenden Forschungsantrag sollen Verbindungselemente und Durchführungen von Komponenten mit elektrischer Potenzialtrennung (Beispielsweise Kabel-Muffen und –Endverschlüsse in der Mittel- bis zur Höchstspannungstechnik) hinsichtlich ihrer elektrischen Festigkeit verbessert werden. An elektrischen Isolieranordnungen sind Änderungen des elektrischen Verhaltens durch unterschiedliche Materialenvon Schräggrenzflächen bekannt. Neben der beabsichtigten Beeinflussung dieses Verhaltens können aufgrund von Oberflächenrauigkeiten und Montageungenauigkeiten Hohlräume entstehen, die ab einer bestimmten Größe Teilentladungen ermöglichen, welche zu einer Schädigung des Isolierstoffes und der Grenzfläche führen. Aus diesem Grund sind diese Hohlräume möglichst unterhalb der kritischen Größe bei max.-10 µm zu gestalten. Stand der Technik sind gasdurchlässigen Materialien oder weitere Hilfsstoffe wie Pasten, um diese möglichen Hohlräume zu schließen. Auch die Oberflächenhärte und ein geeigneter Anpressdruck werden entsprechend gewählt. Des Weiteren zeigen Voruntersuchungen, dass eine gezielte Oberflächenstrukturierung z.B. durch eine Dreiecksstruktur (100 µm) die Interfacelänge vergrößert. Die Verlängerung dieser bewirkte eine erwartete Erhöhung der elektrischen Festigkeit.Ziel: Im vorliegenden Projektantrag sollen durch die gezielte Nutzung der Faltenstrukturierung (Wrinkling) mittels Plasmamodifizierung erforderliche Strukturgrößen (aus denen Hohlräume unterhalb 10 µm resultieren) auf der Oberfläche von Längsinterfacematerialien erzeugt werden, um die elektrische Grenzflächenfestigkeit zu erhöhen und in weiterer Folge die Nutzung von zusätzlichen Materialien zu reduzieren und die Bauteilgröße zu verringern.Dazu wird ein elastisches Substrat gedehnt und gleichzeitig ein dünner, fester Film aufgebracht oder erzeugt. Die anschließende Entspannung führt zu einem Spannungskompromiss zwischen dem dünnen, festen Film und dem elastischen Substrat. Dadurch bilden sich lokale Deformationen des Filmes an der Oberfläche, was eine periodisch sinusartige Faltenstruktur zu Folge hat. Die Falten bilden sich dabei im Falle uniaxialer Deformation senkrecht zur Dehnungsrichtung aus. Die charakteristischen Größen sind dabei die Wellenlänge und die Strukturhöhe, die durch die verschiedenen Plasmaprozessparameter spezifisch eingestellt werden. Andere Strukturierungsverfahren wie Lithographie oder Laserstrukturierung, welche ebenfalls Strukturen im angestrebten Größenbereich ermöglichen, sind zu langsam oder zu teuer, bzw. nicht auf große Flächen oder 3D-Geometrien skalierbar. Strukturierung durch Prägung oder Drucken ermöglichen den gewünschten Größenbereich nicht. Die Faltenstrukturierung kann flexibel über die Herstellungsparameter gesteuert, sowie großflächig und ressourceneffizient umgesetzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen