Wesentliche elektronische Materialien: Teil 6 - Leitende und isolierende Materialien
1 Einleitung
Im Bereich der elektronischen Materialien ist die Unterscheidung zwischen leitenden und isolierenden Materialien entscheidend für das Funktionieren verschiedener elektrischer und elektronischer Geräte. Leitende Materialien wie Metalle, Legierungen, leitende Keramiken und Supraleiter sind von grundlegender Bedeutung für eine effiziente Energieübertragung, Hochgeschwindigkeitsberechnungen und Energiespeicherung. Diese Materialien ermöglichen die kontrollierte Bewegung von Elektronen und sind daher für den Betrieb elektrischer Schaltungen und Geräte unerlässlich. Andererseits spielen Isoliermaterialien eine ebenso wichtige Rolle bei der Gewährleistung von Sicherheit und Stabilität, indem sie den unerwünschten Fluss elektrischer Ströme verhindern und elektronische Komponenten vor äußeren Einflüssen schützen. Dieser Abschnitt befasst sich mit den wesentlichen Merkmalen, Anwendungen und Fortschritten bei leitenden und isolierenden Materialien und beleuchtet ihre wichtige Rolle in der modernen Technik.
2 Leitende Materialien
2.1 Metalle und Legierungen
Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Metallen und Legierungen ist auf ihre einzigartigen strukturellen Eigenschaften zurückzuführen. Aufgrund der niedrigen Ionisierungsenergie von Metallatomen können sich ihre Außenelektronen (Valenzelektronen) leicht vom Kern lösen und freie Elektronen bilden, die sich ungehindert in der Kristallgitterstruktur des Metalls bewegen können und so effizient elektrischen Strom leiten. Metallatome sind durch metallische Bindungen miteinander verbunden und bilden dichte Kristallstrukturen, wie z. B. kubisch-raumzentrierte, kubisch-flächenzentrierte und sechseckige, dicht gepackte Strukturen. Diese dichte Anordnung ermöglicht es dem Kern, ein kontinuierliches Meer von Elektronen zu bilden. Dieses Meer wird von einer Wolke freier Elektronen begleitet, die die elektrische und thermische Leitfähigkeit des Metalls erhöht. Legierungswerkstoffe hingegen optimieren ihr Gefüge weiter, indem sie verschiedene metallische oder nichtmetallische Elemente in das Grundmetall einbringen, um homogene oder inhomogene Mischkristalle oder Verbindungen zu bilden. Durch Mechanismen der Mischkristallverfestigung und der Ausscheidungsverfestigung kann die elektrische Leitfähigkeit von Legierungen moduliert und gleichzeitig ihre mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit erheblich verbessert werden, wodurch sie an komplexere Umgebungen und spezielle Anforderungen angepasst werden können.
Abb. 1 Freie Elektronen können sich ungehindert durch die Gitterstruktur eines Metalls bewegen
Metalle und Legierungen verfügen über eine Vielzahl hervorragender Materialeigenschaften als leitende Werkstoffe. Metallische Leiter wie Kupfer und Silber weisen aufgrund ihrer hohen Elektronendichte und ihres geringen spezifischen Widerstands eine extrem hohe Leitfähigkeit auf, während Legierungsmaterialien aufgrund der durch dotierte Atome verursachten Elektronenstreuung in der Regel eine etwas geringere Leitfähigkeit als reine Metalle aufweisen, deren Leistung jedoch durch Optimierung der Zusammensetzung verbessert werden kann. Darüber hinaus ist die Wärmeleitfähigkeit von Metallen auf die effiziente Übertragung von Wärme durch freie Elektronen zurückzuführen, und hoch wärmeleitende Materialien (z. B. Kupfer) werden häufig zur Wärmeableitung eingesetzt. Legierungen können durch Anpassung ihrer Zusammensetzung und Wärmebehandlung die mechanische Festigkeit und Härte erheblich verbessern und gleichzeitig ein gewisses Maß an elektrischer Leitfähigkeit beibehalten. So weisen Aluminiumlegierungen im Vergleich zu reinem Aluminium eine höhere Zugfestigkeit und Haltbarkeit auf und werden häufig in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Energieübertragung eingesetzt. Einige Legierungen (z. B. Messing und Edelstahl) weisen aufgrund der Bildung von Oberflächenoxidschichten auch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf, während Metalle mit hohem Schmelzpunkt wie Wolfram und Molybdän und ihre Legierungen auch bei hohen Temperaturen eine gute elektrische Leitfähigkeit und strukturelle Stabilität aufweisen, was sie für den Einsatz in extremen Umgebungen für elektronische und elektrische Geräte geeignet macht.
Metalle und Legierungen haben ein breites Spektrum an typischen Anwendungen im Bereich der elektrischen Leitfähigkeit. Kupfer wird aufgrund seiner extrem hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit häufig in Drähten, Kabeln, Leiterplatten und Kühlkörpern verwendet; Silber hat die höchste elektrische Leitfähigkeit, ist aber teurer und wird in der Regel in der High-End-Elektronik, in Solarzellen und als Kontaktpunktmaterial eingesetzt; Aluminium wird aufgrund seines geringen Gewichts, seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit und seiner niedrigen Kosten hauptsächlich in Hochspannungsleitungen und Luftfahrtkabeln verwendet. Bei den Legierungsmaterialien eignen sich Kupferlegierungen (wie Messing und Bronze) mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften für elektrische Kontaktmaterialien, Leistungsschalter und elektromagnetische Abschirmvorrichtungen; Aluminiumlegierungen mit geringem Gewicht und hoher Festigkeit werden häufig in Hochspannungsleitungen, Kabelleitern und in der Automobilelektronik eingesetzt. Nickel-Chrom-Legierungen (Nichrome) werden aufgrund ihrer Hochtemperaturstabilität häufig für Heizelemente und Widerstandsmaterialien verwendet; Wolfram-Kupfer-Legierungen vereinen den hohen Schmelzpunkt von Wolfram mit der hohen Leitfähigkeit von Kupfer und eignen sich für elektrische Hochtemperaturkontakte und Düsen von Raketentriebwerken; Goldlegierungen werden aufgrund ihrer ausgezeichneten Antioxidationseigenschaften und hohen Leitfähigkeit häufig für Halbleiteranschlussdrähte und hochzuverlässige Kontaktgeber und andere High-End-Bereiche verwendet.
Abb. 2 Verschiedene Metalldrähte
2.2 Leitende Keramiken
Die elektrische Leitfähigkeit von Leitkeramik ist auf ihre besondere Kristallstruktur und den Elektronentransportmechanismus zurückzuführen. Einige leitfähige Keramiken erreichen ihre Leitfähigkeit durch Ionenwanderung (z. B. Zirkoniumoxid), andere durch Elektronentransport (z. B. Titanoxid). Durch die Dotierung mit bestimmten Metallen oder Oxiden (z. B. mit Kalzium dotiertes Zirkoniumoxid oder mit Zinn dotiertes Indiumoxid) kann ihre Leitfähigkeit erheblich verändert werden, um die Konzentration der freien Ladungsträger zu erhöhen. Darüber hinaus können polykristalline leitfähige Keramiken Defekte an den Korngrenzen aufweisen, die sich auf die Leiterbahnen auswirken, aber ihre Leitfähigkeit und mechanischen Eigenschaften lassen sich durch Hochtemperatursinterverfahren wirksam optimieren.
Leitfähige Keramiken vereinen die Hochtemperaturbeständigkeit traditioneller keramischer Werkstoffe mit den leitenden Eigenschaften elektrisch leitfähiger Werkstoffe, und ihre Leistung ist durch verschiedene Vorteile gekennzeichnet. Leitende Keramiken haben ein breites Spektrum an Leitfähigkeit, von Halbleitern bis hin zu guten Leitern, und die spezifische Leistung wird durch die Materialzusammensetzung und den Grad der Dotierung bestimmt. Leitende Keramiken behalten ihre stabile Leitfähigkeit auch bei hohen Temperaturen bei und sind für extreme Bedingungen geeignet. Darüber hinaus weisen leitfähige Keramiken im Vergleich zu Metallen eine höhere Korrosionsbeständigkeit in sauren und alkalischen Umgebungen auf. Trotz ihrer Sprödigkeit eignen sie sich aufgrund ihrer hohen Härte und Druckfestigkeit für Anwendungen, bei denen sie mechanischen Belastungen standhalten müssen. Einige leitfähige Keramiken (z. B. Indium-Zinn-Oxid, ITO) vereinen auch Transparenz und Leitfähigkeit, was sie ideal für optoelektronische Geräte macht.
Leitende Keramiken haben ein breites Anwendungsspektrum in den Bereichen Elektronik, Energie und Sensorik. In der Elektronik und Optoelektronik wird Indiumzinnoxid (ITO) aufgrund seiner transparenten Leitfähigkeit häufig als transparente Elektrode für Touchscreens, LCDs und OLED-Bildschirme eingesetzt, während Titanoxid (TiO2) in Solarzellen, photokatalytischen Geräten und Sensoren verwendet wird. Im Energiesektor wird calciumdotiertes Zirkoniumdioxid (CaZrO3) als Elektrolytmaterial in Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) verwendet, während Zinkoxid (ZnO) in Varistoren und transparenten leitfähigen Filmen eingesetzt wird. Für hohe Temperaturen und extreme Umgebungen eignen sich Siliziumkarbid (SiC) und Siliziumnitrid (Si3N4) für die Herstellung von Hochtemperaturelektronik, Hochfrequenzgeräten und Komponenten für die Luft- und Raumfahrt. Darüber hinaus werden leitfähige Keramiken häufig in Gassensoren (z. B. Sauerstoffsensoren) und Thermistoren verwendet, und der antistatische Schutz elektronischer Geräte wird durch Beschichtungen aus leitfähigen Keramikpulvern realisiert. Diese vielfältigen Anwendungen zeigen, wie wichtig leitfähige Keramiken in der modernen Technik sind.
Abb. 3 ITO-Folie für Touch-Panels
2.3 Leitfähiges Glas
Der Aufbau von leitfähigem Glas besteht in der Regel aus einem hochtransparenten Glassubstrat, das mit einer leitfähigen Schicht auf der Oberfläche verbunden ist, deren Leitfähigkeit hauptsächlich von der transparenten leitfähigen Oxidschicht (TCO), die die Oberfläche bedeckt, abgeleitet ist. Das Glassubstrat besteht in der Regel aus Kalk-Natron- oder Quarzglas, das eine hervorragende mechanische Festigkeit und optische Eigenschaften aufweist; die leitfähige Schicht wird aus gängigen Materialien wie Indium-Zinn-Oxid (ITO), fluordotiertem Zinn-Oxid (FTO) und aluminiumdotiertem Zink-Oxid (AZO) hergestellt, die durch Verfahren wie Vakuumsputtern oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD) abgeschieden werden, und die Dicke der Schicht beträgt in der Regel zehn bis hundert Nanometer. Durch die Dotierung der Oxide mit bestimmten Elementen (z. B. Zinn, Aluminium oder Fluor) kann die Ladungsträgerkonzentration deutlich erhöht werden, was die Leitfähigkeit der Schichten steigert.
Leitfähiges Glas verbindet optische Transparenz mit elektrischer Leitfähigkeit und weist eine Reihe hervorragender Eigenschaften auf. Die leitfähige Folie hat eine Lichtdurchlässigkeit von bis zu 80 % oder mehr, wobei gleichzeitig ein geringes Reflexionsvermögen beibehalten wird, um eine hohe Lichtdurchlässigkeit zu erreichen; die Leitfähigkeit der Folie ist gut, der spezifische Widerstand liegt in der Regel zwischen 10^-3 und 10^-4 Ω-cm und erfüllt die Anforderungen der meisten elektronischen Geräte. Das Glassubstrat hat eine hohe mechanische Festigkeit und Wärmebeständigkeit, und die Folie ist fest mit dem Substrat verbunden und kann bei bestimmten hohen Temperaturen verwendet werden. Leitfähige Folien sind außerdem oxidations- und korrosionsbeständig und eignen sich daher für den langfristigen Einsatz in der Umwelt. In den letzten Jahren hat sich flexibles leitfähiges Glas zu einem Forschungsschwerpunkt entwickelt, der die Anwendungsszenarien durch Entwürfe auf der Basis von Kunststoff oder ultradünnem Glas noch erweitert.
Abb. 4 Leitfähiges ITO-Glas
Leitfähiges Glas wird aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften in verschiedenen Bereichen eingesetzt. In der photovoltaischen Stromerzeugung wird es als transparente Elektrode in Solarzellen (z. B. Silizium- und Chalkogenid-Solarzellen) verwendet, um eine effiziente Lichtabsorption und Ladungssammlung zu gewährleisten. In der Anzeigetechnik wird es als transparente leitfähige Schicht in Flüssigkristallanzeigen (LCDs), organischen Leuchtdioden (OLEDs) und Touchscreens eingesetzt. Bei intelligenten Fenstern und Lichtsteuerungsgeräten wird leitfähiges Glas in elektrochromen Fenstern, lichtsteuernden Spiegeln und intelligenten Beschattungsvorrichtungen für das Energiemanagement und den Schutz der Privatsphäre verwendet. Auch bei der Herstellung von elektronischen Geräten wie Gassensoren, flexibler Elektronik, Heizungsglas und Antikondensationsglas ist es weit verbreitet. Im Bereich optischer und kommunikationstechnischer Geräte wird leitfähiges Glas als transparente leitfähige dielektrische Schicht in optischen Dünnschichtgeräten und Laserkommunikationssystemen verwendet.
2.4 Supraleitendes Material
Supraleitende Materialien sind eine Klasse von Werkstoffen, deren Widerstand bei einer bestimmten Temperatur auf Null sinkt und die einen vollständigen Antimagnetismus aufweisen. Je nach ihrer kritischen Temperatur und ihren strukturellen Eigenschaften können sie in die folgenden Kategorien unterteilt werden: Tieftemperatur-Supraleiter (LTS) wie Niob (Nb), Niob-Titan-Legierungen (Nb-Ti) und Niob-Tris-Zinn (Nb3Sn), die eine niedrige kritische Temperatur (in der Regel unter 30 K) haben und flüssiges Helium oder flüssigen Stickstoff zur Kühlung benötigen und in Starkfeldgeräten wie Magnetresonanztomographen (MRT) und Teilchenbeschleunigern weit verbreitet sind. Hochtemperatursupraleitende Materialien (HTS) wie Yttrium-Barium-Kupfer-Sauerstoff (YBCO) und Bismut-Strontium-Kalzium-Kupfer-Sauerstoff (BSCCO) mit kritischen Temperaturen von über 77 K, die mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden können, was die Betriebskosten erheblich senkt, und die sich für die Stromübertragung und das Hochtemperatur-Magnetschweben eignen; Supraleitende Materialien auf Eisenbasis, einschließlich Eisenselen (FeSe) und Eisenarsenid (LaFeAsOx) ₋xFx), mit struktureller Stabilität und starkem Antimagnetismus, sind vielversprechend für Geräte mit hohem Magnetfeld und künftige elektronische Komponenten; organische supraleitende Materialien wie Fullerene (C60) oder aromatische Verbindungen, die trotz der niedrigeren kritischen Temperatur flexibel und leicht sind und sich für flexible elektronische Geräte eignen; topologische supraleitende Materialien, die Supraleitung mit topologischen Eigenschaften kombinieren, wie bestimmte topologische Isolatoren und epitaktische Dünnschichtmaterialien, die für Quantencomputer und topologische Elektronik eingesetzt werden können.
Abb. 5 Supraleitendes Material
Supraleitende Materialien weisen die folgenden einzigartigen Eigenschaften für elektrische Anwendungen auf: Erstens ist der Nullwiderstand ihre wichtigste Eigenschaft. Im supraleitenden Zustand ist der Widerstand völlig gleich Null, und der Strom kann verlustfrei durch den Supraleiter fließen, wodurch der Energieverbrauch erheblich gesenkt wird, was sich besonders für die Stromübertragung über große Entfernungen und die hocheffiziente Energiespeicherung eignet. Zweitens weisen supraleitende Materialien einen vollständigen Antimagnetismus auf (Meissner-Effekt), d. h. im supraleitenden Zustand wird das innere Magnetfeld vollständig abgestoßen, so dass die magnetischen Kraftlinien die Oberfläche des Supraleiters umgehen können. Dank dieser Eigenschaft können Supraleiter ein stabiles Schweben erreichen und werden daher häufig für Magnetschwebebahnen und reibungsfreie Lager verwendet. Die kritische Temperatur (Tc) eines supraleitenden Materials bestimmt die Temperatur, bei der es gekühlt werden muss, um in den supraleitenden Zustand überzugehen. Sie ist von Material zu Material sehr unterschiedlich, z. B. müssen supraleitende Materialien mit niedriger Temperatur mit flüssigem Helium gekühlt werden, während supraleitende Materialien mit hoher Temperatur mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden können, was die Betriebskosten erheblich reduziert. Das kritische Magnetfeld (Hc) und die kritische Stromdichte (Jc) sind wichtige Parameter, die die Leistung der Supraleitung begrenzen. Wenn die Stärke des externen Magnetfelds oder die Stromdichte durch den Supraleiter den kritischen Wert überschreitet, wird der supraleitende Zustand zerstört. Materialien mit hohen kritischen Parametern eignen sich besser für Umgebungen mit starken Magnetfeldern und Hochstromgeräten wie Magnetresonanztomographen (MRT) und Teilchengaspedale. Darüber hinaus zeigen Supraleiter den Josephson-Effekt, einen Tunnelstrom, der zwischen Supraleitern durch Isolatoren fließt. Dieser Effekt hat wichtige Anwendungen in ultrahochempfindlichen magnetischen Sensoren, supraleitenden Quanteninterferenzgeräten (SQUIDs) und Quantencomputern. Diese Eigenschaften verleihen supraleitenden Materialien ein großes Potenzial für eine effiziente Energieübertragung, Anwendungen mit starken Magnetfeldern und Spitzentechnologien.
Supraleitende Materialien werden aufgrund ihrer einzigartigen elektrischen Eigenschaften in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt. Im Bereich Strom und Energie nutzen supraleitende Kabel den Null-Widerstand, um eine Übertragung über große Entfernungen zu erreichen und den Energieverlust erheblich zu verringern; supraleitende Generatoren verbessern die Energieeffizienz und verringern Größe und Gewicht; und supraleitende Energiespeichersysteme (SMES) können große Energiemengen in kurzer Zeit zur Netzregulierung und -stabilisierung speichern und abgeben. In der medizinischen und wissenschaftlichen Forschung nutzen Magnetresonanztomographen (MRT) Niedertemperatur-Supraleiter zur Erzeugung starker Magnetfelder, supraleitende Magnete werden in Teilchengaspedalen (z. B. im LHC) zur Erzeugung starker Magnetfelder eingesetzt, und supraleitende Quanteninterferometer (SQUIDs) werden in der Magnetoenzephalographie und bei geomagnetischen Untersuchungen als hochempfindliche Magnetfeldsensoren verwendet. Im Verkehrswesen und in der Technik nutzen supraleitende Magnetschwebebahnen den Antimagnetismus für den reibungslosen Hochgeschwindigkeitsverkehr, und Hochtemperatur-Magnetschwebelager werden für berührungslos rotierende Teile in der Luft- und Raumfahrt und in Industriemaschinen eingesetzt. In der Informationstechnologie bilden supraleitende Materialien den Kern des Quantencomputers, und supraleitende Quantenbits, die auf dem Josephson-Effekt beruhen, haben die Forschung im Bereich des Quantencomputers vorangetrieben; außerdem werden supraleitende elektronische Geräte wie supraleitende Filter und Hochfrequenzverstärker in der Kommunikation und Signalverarbeitung eingesetzt. Im militärischen Bereich und in der Luft- und Raumfahrt nutzen supraleitende elektromagnetische Geschütze starke supraleitende Magnete, um eine effiziente Beschleunigung zu erreichen, während supraleitende Radargeräte die Signalempfindlichkeit und Erkennungsgenauigkeit verbessern. Diese Anwendungen zeigen das große Potenzial supraleitender Materialien in den Bereichen Energie, Medizin, Verkehr, Informationstechnologie und Verteidigung.
Abb.6 Anwendung von supraleitenden Materialien
3 Isolierende Materialien
3.1 Anorganische Isolierstoffe
Anorganische Isolierstoffe sind eine Klasse von Materialien mit hohem elektrischem Widerstand und guter Wärmebeständigkeit und werden häufig im Bereich der elektrischen Isolierung eingesetzt. Zu den typischen anorganischen Isolierstoffen gehören Glas, Keramik und Glimmer. Gläser bestehen hauptsächlich aus Silikaten (SiO2), deren Inneres durch kovalent gebundene Kieselsäure-Sauerstoff-Tetraeder eine stabile amorphe Struktur bildet, die die Bewegung freier Elektronen verhindert. Keramiken bestehen in der Regel aus Materialien wie Aluminiumoxid (Al2O3) und Zirkoniumoxid (ZrO2), die eine dichte kristalline Struktur mit sehr geringer Elektronenbeweglichkeit und Ionenleitfähigkeit bilden. Glimmer hingegen besteht aus einer Silikat-Schichtstruktur mit schwacher Bindung zwischen den Schichten, wodurch er sich leicht zu dünnen Platten verarbeiten lässt und eine hervorragende elektrische Isolierung und thermische Stabilität aufweist.
Anorganische Isolierstoffe verfügen über eine Reihe hervorragender Eigenschaften, die ihnen eine breite Verwendung im Bereich der elektrischen Isolierung ermöglichen. Erstens haben sie einen hohen spezifischen Widerstand, der in der Regel über 10^12 Ω-cm liegt, wodurch Leckströme wirksam gestoppt und der sichere und stabile Betrieb elektrischer Geräte gewährleistet werden kann. Zweitens ist die gute Wärmebeständigkeit eine wichtige Eigenschaft anorganischer Isolatoren. Glas und Keramik können hohen Temperaturen von Hunderten bis Tausenden von Grad Celsius standhalten, während Glimmer auch bei hohen Temperaturen stabile elektrische Eigenschaften beibehält. Eine hohe mechanische Festigkeit ist ebenfalls ein wichtiger Vorteil anorganischer Materialien. Keramik und Glas weisen eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit auf und eignen sich daher für Anwendungen, die großen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, während Glimmerflocken ein gewisses Maß an Flexibilität aufweisen und sich leicht zu einer Vielzahl von Formen verarbeiten lassen. Anorganische Isolierstoffe sind auch chemisch beständig und können der Erosion durch Säuren, Laugen und Feuchtigkeit widerstehen, so dass sie in rauen Umgebungen eine gute Haltbarkeit aufweisen. Schließlich können anorganische Isolatoren aufgrund ihrer hervorragenden dielektrischen Eigenschaften und ihrer hohen Durchschlagsfestigkeit hohen Spannungen standhalten, ohne dass es zu Durchschlägen kommt, was die Sicherheit in Hochspannungsumgebungen gewährleistet.
Anorganische Isolierstoffe haben eine breite Palette von Anwendungen in verschiedenen Bereichen. Glas wird hauptsächlich als Hochspannungsisolator in elektrischen Geräten und in Gehäusen von Vakuum-Leistungsschaltern verwendet, aber auch als Einkapselungsmaterial für elektronische Geräte zum Schutz von Komponenten. Keramik wird häufig als Isolator in Transformatoren und Schaltanlagen verwendet, da es gute dielektrische Eigenschaften und eine gute Wärmeableitung bietet. Sie werden auch als Trägermaterial für Hochfrequenzgeräte und zur Herstellung von Zündkerzenisolatoren und Isolierteilen für Hochspannungsleitungen verwendet. Glimmer hingegen wird häufig als Isolierfolie für Elektromotoren und Generatoren verwendet, die hohen Temperaturen und Drücken standhält. Darüber hinaus wird er zur Isolierung von elektrischen Heizelementen in Heizgeräten und als Isoliermaterial für Kondensatoren in Hochfrequenzkreisen verwendet, da er ein verlustarmes Dielektrikum darstellt.
Abb. 7 Anorganisch-mineralische Dämmstoffe
3.2 Polymere Dämmstoffe
Polyvinylchlorid (PVC) ist eine Polymerverbindung, die durch die Polymerisation von Vinylchlorid-Monomeren gebildet wird, mit einer linearen oder verzweigten Kohlenstoff-Chlor-Kettenstruktur und einer hohen chemischen Stabilität. Es hat eine gute elektrische Isolierung und einen hohen elektrischen Widerstand, der das Austreten von elektrischem Strom verhindert. PVC ist außerdem sehr widerstandsfähig gegen Chemikalien wie Säuren, Laugen und Salze sowie gegen Abrieb und Verarbeitung, was es für die Massenproduktion geeignet macht. Seine Wärmebeständigkeit ist jedoch nur durchschnittlich und reicht in der Regel von -10°C bis 60°C. PVC wird häufig für die äußere Ummantelung von Kabeln und Drähten sowie für die Isolierung und den Schutz elektrischer Geräte verwendet und ist besonders für Niederspannungsanwendungen geeignet.
Polyimid (PI) ist ein Polymermaterial mit einer starren Ringstruktur, dessen Hauptkette aus Imidgruppen (-C=O-N-) besteht und eine hohe mechanische Festigkeit und Wärmebeständigkeit aufweist. Polyimide sind extrem hitzebeständig und können über lange Zeiträume bei hohen Temperaturen bis zu 250°C oder sogar noch höher eingesetzt werden. Aufgrund ihrer hervorragenden elektrischen Isolierung eignen sie sich besonders für elektrische Hochspannungs- und Hochfrequenzgeräte. Polyimid verfügt außerdem über eine gute mechanische Festigkeit, Abriebfestigkeit und eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit und kann den meisten chemischen Lösungsmitteln widerstehen. Zu den üblichen Anwendungen gehören Hochtemperaturkabel, elektrische Geräte in der Luft- und Raumfahrt, Leiterplatten (PCBs) und Isolierungen für elektronische Komponenten.
Polytetrafluorethylen (PTFE) ist ein lineares Polymermaterial, das durch die Polymerisation von Tetrafluorethylenmonomeren entsteht. Aufgrund der starken Elektronegativität des Fluoratoms weist es extrem niedrige Reibungskoeffizienten und eine ausgezeichnete chemische Stabilität auf. PTFE hat eine extrem niedrige Dielektrizitätskonstante und eine hervorragende elektrische Isolierung, wodurch es in Hochfrequenz- und Hochspannungsumgebungen eingesetzt werden kann. Es besitzt eine sehr hohe chemische Beständigkeit gegen praktisch alle Chemikalien, einschließlich starker Säuren, Basen und Lösungsmittel. PTFE ist außerdem sehr hitzebeständig und kann in einem Temperaturbereich von -200°C bis 260°C eingesetzt werden, wobei es eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit und niedrige Reibungseigenschaften aufweist. Zu den üblichen Anwendungen gehören Hochspannungskabel, Isolierschutz für elektronische Bauteile, Auskleidungsmaterialien für chemische Rohrleitungen und Isolierbedarf für Arbeiten in extremen Umgebungen (z. B. bei hohen Temperaturen, starken Säuren oder Laugen).
Abb. 8 Kunststoffe als Drahtverpackungen
4 Schlussfolgerung
Die besprochenen Materialien - leitend und isolierend - erfüllen komplementäre, aber dennoch unterschiedliche Aufgaben bei der Entwicklung und Funktionalität elektronischer Geräte. Leitende Materialien, von Metallen wie Kupfer und Silber bis hin zu innovativen Supraleitern, bieten bemerkenswerte elektrische Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit und Wärmemanagement-Eigenschaften, die sie für die Energieübertragung, Kommunikationstechnologien und Hochleistungsgeräte unverzichtbar machen. Umgekehrt sorgen Isoliermaterialien, wie anorganische Materialien wie Keramik und Polymere wie PTFE, für die notwendige elektrische Isolierung, thermische Beständigkeit und mechanische Festigkeit. Diese Materialien gewährleisten den Schutz, die Effizienz und die Langlebigkeit von elektronischen Systemen. Mit den Fortschritten in der Materialwissenschaft wird die Entwicklung von leitenden und isolierenden Materialien die Leistung elektronischer Systeme der nächsten Generation weiter optimieren und Innovationen in Branchen wie Energie, Kommunikation, Gesundheitswesen und Luft- und Raumfahrt vorantreiben.
Stanford Advanced Materials (SAM) ist ein wichtiger Anbieter von hochwertigen leitfähigen und isolierenden Materialien und unterstützt diese kritischen Anwendungen mit zuverlässigen Materiallösungen.
Weitere Lektüre:
Wesentliche elektronische Materialien: Teil 1 - Silizium
Wesentliche elektronische Materialien: Teil 2 - Siliziumkarbid
Wesentliche elektronische Materialien: Teil 3 - Germanium
Wesentliche elektronische Materialien: Teil 4 - Gallium-Verbindungen
Wesentliche elektronische Materialien: Teil 5 - Materialien auf Kohlenstoffbasis