Werkstoffe und elektrische Verbindungen

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1 Werkstoffe und elektrische Verbindungen N. Lücke, S. Dreier, T. Fuhrmann, C. Hildmann, S. Pfeifer, S. Schlegel Industrie-Partner-Symposium, 06. Oktober 2011 Gliederung 1. Einleitung 2. Vergleich von Kupfer und Aluminium als Leiterwerkstoff 3. Aluminium in elektrischen Verbindungen 4. Verbinden von Aluminium und Kupfer 5. Zusammenfassung Werkstoffe und elektrische Verbindungen Folie 2

2 1. Einleitung Historie - Trend Werkstoffe und elektrische Verbindungen Folie 3 2. Vergleich von Aluminium und Kupfer als Leiterwerkstoff Übersicht Materialeigenschaften Werkstoff Eigenschaft Cu-ETP Al99,5 AlMgSi0,5 AlSi7Mg0,3 κ / mm²/ωm min ρ / g/cm³ 8,93 2,71 R m / N/mm² min. 250 min ,7 2,65 min. 190 min. 230 α L / K (20-200) C Preis / USD/t Stand: ,7 23, ,4 22,0 - - Beim Einsatz von niedrig legiertem Al anstelle von Cu größerer Leiterquerschnitt aber geringeres Gewicht und niedrigerer Preis Werkstoffe und elektrische Verbindungen Folie 4

3 3. Aluminium in elektrischen Verbindungen Entwicklungstrends bei Leiterseilverbindungen Steigende Übertragungsleistungen in der Elektroenergieversorgung Al/St - Freileitungsseil Hochtemperaturseile Quelle: J-Power Systems Corp. Quelle: CTC Quelle: 3M Werkstoffe und elektrische Verbindungen Folie 5 3. Aluminium in elektrischen Verbindungen Leiterseilverbindungen Langzeitverhalten Größeres Temperaturgefälle bei Hoch- Temperaturverbindungen Reserven? Δϑ R V? Hochtemperaturseil Al/St - Freileitungsseil 40 a t x Höhere thermische Auslastung der Verbindungen Lebensdauer? Werkstoffe und elektrische Verbindungen Folie 6

4 4. Verbinden von Aluminium und Kupfer Alternativen AlCu-Blech -Einsatz auch bei Reinaluminium möglich -Breiter Einsatzbereich -Verlagern der Elektrochemischen Korrosion -Zusätzlicher el. Widerstand -Vorbehandlung notwendig -Elektrochemische Korrosion Federnde Kontaktelemente Vorteile -Vorgefertigte Module -Einfache Montage -Vorbehandlung einfach -Abgedichtete Kontaktfläche -Verminderte elektrochemische Korrosion Nachteile -Zusätzlicher el. Widerstand -Einsatz nicht bei Reinaluminium Beschichten der Kontaktpartner -Breiter Einsatzbereich -Vorbehandlung der KP einfach -Einsatz auch bei Reinaluminium -Elektroch. Reaktion verhindert -Kleiner zusätzl. Widerstand -Beschichten von Aluminium komplexer als bei Kupfer -Qualitätssicherung Werkstoffe und elektrische Verbindungen Folie 7 4. Verbinden von Aluminium und Kupfer Untersuchungen zur Interdiffusion im System Al-Cu (AiF-Projekt) Ziele: - Charakterisieren (elektrisch und mechanisch) der IMP im Temperaturbereich zwischen 90 C und 200 C - Aussagen zum Einfluss der Interdiffusion auf das Langzeitverhalten von elektrischen Verbindungen - Erweitern des Modells zur Alterung elektrischer Verbindungen durch Interdiffusion Aufgaben: - Aufbau einer Anordnung zum Messen der elektrischen Eigenschaften (TUD) Strom-Spannungsmessung an sehr dünnen Proben (Einfluss von Querschnitt, Dicke, Kontaktierung, Erwärmung, ) Automatisierte Messungen zum Temperaturbeiwert des Widerstandes im Wärmeschrank bis zu einer Temperatur von 200 C - Herstellen phasenreiner IMP mittels galvanischer Methoden und durch PVD-Prozesse (fem) Cu Cu 9 Al C / 8 h / Ar Werkstoffe und elektrische Verbindungen Folie 8 Al

5 5. Zusammenfassung Langzeitverhalten von ruhenden elektrischen Verbindungen seit drei Jahrzehnten ein wichtiger Forschungsschwerpunkt Übergang zu hochfesten Aluminium-Legierungen aufgrund der zu erwartenden höheren Temperaturbelastungen Höhere Auslastung bestehender und Design neuer AluminiumVerbindungen (z. B. Clinchverbindungen) Langzeitstabiles Verbinden von Kontaktpartnern aus Aluminium und Kupfer Grundlagenuntersuchungen zur Interdiffusion an Grenzflächen zwischen Aluminium und Kupfer Werkstoffe und elektrische Verbindungen Folie 9 Industriepartner Forschungspartner Werkstoffe und elektrische Verbindungen Folie 10

6 TU Dresden, IEEH Mommsenstraße 10 Binderbau Dresden Dipl.-Ing. Nils Lücke Dipl.-Wi.-Ing. Sebastian Dreier Dipl.-Ing. Stephanie Pfeifer Dipl.-Ing. Torsten Fuhrmann Dipl.-Ing. Stephan Schlegel Dipl.-Ing. Christian Hildmann