Mechanische Zuverlässigkeit von keramischen Kaltleiterbauelementen – Möglichkeiten zur Verbesserung

P. Supancic; R. Danzer

doi:10.1515/ijmr-2004-0117

Article

Mechanische Zuverlässigkeit von keramischen Kaltleiterbauelementen – Möglichkeiten zur Verbesserung

P. Supancic and R. Danzer

Published/Copyright: February 8, 2022

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From the journal International Journal of Materials Research Volume 95 Issue 7

Abstract

Kaltleiterbauelemente werden funktionsbedingt mit Temperaturwechseln beansprucht. Aufgrund des Wärmetransports und der inhomogenen Verteilung der Wärmequellen kommt es im Bauteil zu Temperaturunterschieden, die ihrerseits wieder mechanische Spannungen (Wärmespannungen) bewirken. Diese Spannungen können so groß werden, dass sie die Festigkeit des Kaltleiters überschreiten und zur Zerstörung der Bauteile führen. Es wird ein Modell vorgestellt, mit dessen Hilfe es möglich ist, die mechanischen Spannungen in keramischen Kaltleitern (bei Kenntnis der relevanten Materialparameter) in Abhängigkeit von den angelegten elektrischen Beanspruchungen zu berechnen. Dabei wird die Wechselwirkung zwischen den elektrischen Feldgleichungen und der Wärmeleitungsgleichung gelöst und das elektrische Feld und das Temperaturfeld in Abhängigkeit vom Ort bestimmt. Im Anschluss daran kann das mechanische Spannungsfeld bestimmt und eine Ausfallrate der Teile ermittelt werden.

Dieses Modell wird verwendet, um durch Auswahl geeigneter Werkstoffe und über die Veränderung des Bauteildesigns (Form, Größe, Aufbau der Bauteile) die Temperaturunterschiede (Thermal Management) und damit auch die mechanischen Spannungen im Bauteil gezielt zu verringern (mechanisches Konstruieren). Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Teile im Einsatz erhöht. Weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit sind die Verbesserung der Festigkeit der Kaltleiterwerkstoffe und ein elektrischer Proof-Test, durch den Bauteile mit zu geringer Festigkeit aussortiert werden können.

Abstract

In service, PTC-components have to withstand large temperature changes, which result from their electric working conditions. These temperature changes cause large temperature differences due to heat transport and inhomogeneously distributed heat sources. As a result, thermo-mechanical stresses occur, which my cause the failing of the component. A physical model is presented which makes the calculation of mechanical stresses in PTC components in dependence on the electrical loading possible, if the relevant material parameters are known. The interaction between the electric field equations and the equation of the thermal diffusion is taken into account, and the electric and the temperature field in dependence of the position in the PTC is calculated. Then the mechanical stress field and the failure rate is determined.

This model is then used to reduce temperature differences (thermal management) and – in consequence – mechanical stresses in PTC components by selection of more suitable PTC materials and by a better design of components (shape, size, structure). This “mechanical design process” also improves the reliability of the electroceramic components in service. Further ways to improve the inservice reliability are to increase the strength of the PTC materials and the proof testing of the finished components, which help to sort out parts with an inferior strength.

Keywords: PTC ceramics; Mechanical failure; Thermal stresses; Thermal Management; Proof-Test

Dr. Peter Supanci Institut für Struktur- und Funktionskeramik Mountanuniversität Leoben Peter Tunner Straße 5, A-8700 Leoben, Austria Tel.: +43 3842 402 4109 Fax: +43 3842 402 4102

Prof. Dr. Dr. h. c. Franz Jeglitsch zum 70. Geburtstag gewidmet

Für die Unterstützung der Arbeiten durch die EPCOS AG wird herzlich gedankt.

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Erhalten: 2004-03-16

Angenommen: 2004-04-04

Online erschienen: 2022-02-08

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PTC ceramics; Mechanical failure; Thermal stresses; Thermal Management; Proof-Test