TY - THES

T1 - Elektro-thermische Charakterisierung von Multilayer-Varistoren

AU - Koczwara, Christian

N1 - gesperrt bis null

PY - 2015

Y1 - 2015

N2 - Varistoren sind elektrokeramische Bauteile deren elektrischer Widerstand stark von der angelegten Spannung abhängt. Der Varistor hat bis zum Erreichen einer bestimmten Schaltspannung einen hohen Widerstand. Ab dieser Schaltspannung nimmt der Widerstand stark nichtlinear ab. Dieser sogenannte Varistoreffekt beruht auf Potentialbarrieren an den Korngrenzen der Varistorkeramik (Zinkoxid). Die spannungsinduzierte Reduktion des Widerstands ist reversibel und passiert sehr schnell. Daher werden diese Bauteile als elektrische Überspannungsschutzelemente eingesetzt werden. Dabei wird der Varistor parallel zum eigentlichen, zu schützenden Verbraucher geschaltet. Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung wird das Verhalten einzelner Korngrenze immer dominierender für die Eigenschaften des gesamten Bauteils. Dadurch werden Effekte makroskopisch messbar, die sonst bei Bauteilen mit einer Vielzahl von Korngrenzen durch Mittelung nicht sichtbar sind. Ein Beispiel hierfür ist die große Variation der Druckabhängigkeit der Strom-Spannungs-Kennlinie von Bauteil zu Bauteil. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt darauf, das druckabhängige Verhalten einzelner Korngrenzen von Mehrschichtvaristoren mit Hilfe der Lock-in Thermographie zu analysieren. Aufgrund des piezoelektrischen Verhaltens von ZnO wird erwartet, dass die Auswirkung des Druckes auf die Leitfähigkeit der Korngrenze, und somit die Temperaturentwicklung eben dort, abhängig von der Kornorientierung ist. Für die experimentelle Umsetzung wurde eine eigene Prüfvorrichtung entworfen und gefertigt die statische und dynamische Druckversuche ermöglicht und gleichzeitig für thermographische Aufnahmen von Miniaturproben geeignet ist. Dadurch ist es möglich thermographische Analysen strommoduliert und druckmoduliert durchzuführen. Die thermographischen Untersuchungen bei mechanisch statisch belasteten Bauteilen zeigen eine deutliche Änderung der Intensität des durch den Stromfluss erwärmten Bereichs mit zunehmender mechanischer Spannung. Es kann sowohl eine Erhöhung als auch eine Verringerung der Intensität festgestellt werden, was als Zunahme beziehungsweise Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit interpretiert werden kann. Die große Variation dieses Effekts deutet auf eine ausgeprägte Anisotropie des lokalen Verhaltens auf Gefügeniveau hin. Bei den mechanisch modulierten Versuchen konnte der periodische zu erwartende Temperaturwechsel aufgrund der geringen Amplitude nicht nachgewiesen werden.

AB - Varistoren sind elektrokeramische Bauteile deren elektrischer Widerstand stark von der angelegten Spannung abhängt. Der Varistor hat bis zum Erreichen einer bestimmten Schaltspannung einen hohen Widerstand. Ab dieser Schaltspannung nimmt der Widerstand stark nichtlinear ab. Dieser sogenannte Varistoreffekt beruht auf Potentialbarrieren an den Korngrenzen der Varistorkeramik (Zinkoxid). Die spannungsinduzierte Reduktion des Widerstands ist reversibel und passiert sehr schnell. Daher werden diese Bauteile als elektrische Überspannungsschutzelemente eingesetzt werden. Dabei wird der Varistor parallel zum eigentlichen, zu schützenden Verbraucher geschaltet. Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung wird das Verhalten einzelner Korngrenze immer dominierender für die Eigenschaften des gesamten Bauteils. Dadurch werden Effekte makroskopisch messbar, die sonst bei Bauteilen mit einer Vielzahl von Korngrenzen durch Mittelung nicht sichtbar sind. Ein Beispiel hierfür ist die große Variation der Druckabhängigkeit der Strom-Spannungs-Kennlinie von Bauteil zu Bauteil. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt darauf, das druckabhängige Verhalten einzelner Korngrenzen von Mehrschichtvaristoren mit Hilfe der Lock-in Thermographie zu analysieren. Aufgrund des piezoelektrischen Verhaltens von ZnO wird erwartet, dass die Auswirkung des Druckes auf die Leitfähigkeit der Korngrenze, und somit die Temperaturentwicklung eben dort, abhängig von der Kornorientierung ist. Für die experimentelle Umsetzung wurde eine eigene Prüfvorrichtung entworfen und gefertigt die statische und dynamische Druckversuche ermöglicht und gleichzeitig für thermographische Aufnahmen von Miniaturproben geeignet ist. Dadurch ist es möglich thermographische Analysen strommoduliert und druckmoduliert durchzuführen. Die thermographischen Untersuchungen bei mechanisch statisch belasteten Bauteilen zeigen eine deutliche Änderung der Intensität des durch den Stromfluss erwärmten Bereichs mit zunehmender mechanischer Spannung. Es kann sowohl eine Erhöhung als auch eine Verringerung der Intensität festgestellt werden, was als Zunahme beziehungsweise Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit interpretiert werden kann. Die große Variation dieses Effekts deutet auf eine ausgeprägte Anisotropie des lokalen Verhaltens auf Gefügeniveau hin. Bei den mechanisch modulierten Versuchen konnte der periodische zu erwartende Temperaturwechsel aufgrund der geringen Amplitude nicht nachgewiesen werden.

KW - Lock-in thermography

KW - Multilayervaristor

KW - preassure

KW - Mehrschichtvaristor

KW - Lock-in Thermographie

KW - Druckprüfung

M3 - Diplomarbeit

ER -