Wie wählt man das richtige Silikonöl für die elektronische Beschichtung und Schmierung aus?

Die Durchschlagfestigkeit eines Materials gibt an, welcher elektrischen Feldstärke es standhalten kann, bevor es seine isolierenden Eigenschaften verliert und elektrisch leitfähig wird. Sie ist ein wichtiges Merkmal für Spannungs-Leiterplatten, Präzisionsinstrumente und Leistungselektronik-Komponenten, da sie das Risiko von Systemausfällen durch Lichtbogenbildung, Kurzschlüsse und Systemversagen verringert. Daher gewinnt bei Geräten mit einer Nennspannung über 1 Kilovolt die Fähigkeit der Isolierung, den Stromfluss über ihre Oberfläche zu unterdrücken, für die Sicherheit eine besondere Bedeutung. Die Volumenwiderstandsfähigkeit misst ebenfalls, wie gut eine Isolierung dem Stromfluss widersteht. In einem System führt eine höhere Isolation zu geringeren Leckströmen und einer besseren Zellbilanzierung. Bei Präzisionsmesseinrichtungen sorgt Silikonöl für die erforderliche Isolation, um die Genauigkeit der einstellbaren Ausgangsspannung sicherzustellen, und verlängert zudem aufgrund seiner überdurchschnittlichen dielektrischen Eigenschaften die Lebensdauer des Geräts. Im Bericht von ElectroInsight aus dem Jahr 2023 heißt es, dass Materialien mit einer Durchschlagfestigkeit unter 15 kV/mm bei Transformatoren und Schaltanlagen eine um 34 % höhere Ausfallrate aufweisen. Solche Materialien sollten für Batteriemanagementsysteme in Elektrofahrzeugen vermieden werden. Massageöl ist ein weiteres Beispiel.

Es funktioniert weiterhin zuverlässig bei wiederholten Heiz- und Kühlzyklen und bleibt auch unter klimatischen Bedingungen funktionsfähig, die normalerweise die Alterung beschleunigen und den Betrieb des Stromnetzes gefährden würden.

Durchschlagsspannung: Methyl- vs. Phenyl-modifiziertes Silikonöl

Methylmodifiziertes Silikonöl weist eine Durchschlagfestigkeit von 15 bis 18 kV/mm und einen thermischen Stabilitätsindex von 0,85 auf, während Phenylmodifiziertes Silikonöl eine Durchschlagfestigkeit von 22 bis 28 kV/mm und einen thermischen Stabilitätsindex von 1,12 aufweist. Standardisierte Prüfungen dieser Materialien haben gezeigt, dass Phenylmodifiziertes Silikonöl sowohl eine höhere Durchschlagfestigkeit als auch einen höheren thermischen Stabilitätsindex als Methylmodifiziertes Silikonöl besitzt. Dieser Unterschied lässt sich durch die Phenylgruppen erklären. Phenylgruppen, als aromatische Struktur, ermöglichen es, Moleküle enger zusammenzuhalten und dichter zu packen. Dadurch wird das Material weniger anfällig für Ionisation, wenn es extremen elektrischen Feldern ausgesetzt ist. Diese phenylmodifizierten Öle behalten bei Temperaturen zwischen 0 und 200 Grad Celsius etwa 92 % ihrer dielektrischen Eigenschaften bei. Im Gegensatz dazu behalten herkömmliche methylmodifizierte Öle nur etwa 78 % ihrer dielektrischen Eigenschaften bei. Aus diesem Grund wählen Ingenieure häufig phenylmodifizierte Öle für elektrisch isolierte Transformatoren und elektrische Systeme in Flugzeugen. Während methylmodifizierte Öle etwa 78 % ihrer ursprünglichen dielektrischen Eigenschaften bewahren, behalten phenylmodifizierte Öle etwa 92 % ihrer ursprünglichen dielektrischen Eigenschaften bei, wodurch sie für den Einsatz in elektrisch isolierten Transformatoren und Flugzeug-Elektriksystemen attraktiver sind. Diese Materialien – sofern sie entsprechend den weiteren geltenden Industriestandards modifiziert wurden – haben sich als geeignet erwiesen, die Häufigkeit mechanischer Ausfälle zu verringern und zur Gesamt-Langlebigkeit der mechanischen Systeme beizutragen. Dies gilt insbesondere für elektrisch isolierte Transformatoren sowie für andere Anwendungen, bei denen ein hohes Maß an Zuverlässigkeit erforderlich ist.

Optimierung der Viskosität für die direkte Schmierung und Haftung der Beschichtung

Silikonölviskosität (50–1.000 cSt) in Bezug auf die Bewegungsdynamik von: MEMS-Aktuatoren, EV-Kontaktoren und Relaismechanismen

Bei unterschiedlichen Konfigurationen für mechanische und elektrische Anwendungen ist es entscheidend, die geeignete Viskosität für den jeweiligen Einsatz auszuwählen. So erfordern beispielsweise MEMS-Aktuatoren, die oberhalb von 100 Hz betrieben werden, niedrigviskose Öle mit einer Viskosität von 50–100 cSt, um schnelle Mikrosekunden-Reaktionen durch Minimierung des trägheitsbedingten Widerstands zu ermöglichen. Für EV-Kontaktoren, die mehr als 500 A bewältigen müssen, ist ein Öl mittlerer Viskosität mit 200–500 cSt ideal, um das elektrische Lichtbogen-Schweißen zu beherrschen und gleichzeitig eine schnelle Trennung der Kontakte zu gewährleisten. Darüber hinaus benötigt ein Relaismechanismus, der mehrfachen Stoßbelastungen von 10 G oder mehr ausgesetzt ist, ein hochviskoses Öl im Bereich von 500–1000 cSt, um trotz plötzlicher Stöße eine zuverlässige Schmierung sicherzustellen. In allen obigen Beispielen müssen Ingenieure das lokale Schergeschwindigkeits- und Druckverhalten an diesen Stellen bestimmen. Die Konstruktionsvorgaben müssen zudem rasche Temperaturänderungen berücksichtigen, da diese – unkontrolliert – den Ölfilm beeinträchtigen würden.

Der Einfluss der Viskosität auf die Filmerhaltung, die Migrationkontrolle und die Langzeit-Schmierung in geschlossenen Gehäusen

Silikonöle mit einer Viskosität zwischen 350 und 1.000 cSt eignen sich hervorragend, um einen stabilen Film auf abgedichteten elektronischen Komponenten zu erhalten. Diese Öle sind weniger anfällig für gravitationsbedingte Setzverschiebungen und bilden daher stabile Grenzschichten von etwa 3 bis 5 Mikrometern Dicke auf Kontakten und Lagern. Dies ist äußerst wichtig für Fahrzeugsteuergeräte, die kontinuierlichen Erschütterungen ausgesetzt sind. Sie weisen einen außerordentlich breiten Temperaturbetriebsbereich (−40 bis 200 °C) auf; über diesen gesamten Temperaturbereich hinweg behalten diese Ölqualitäten einen Viskositätsindex von >200 bei. Diese Viskosität hilft, Kapillar-Kriechprobleme zu vermeiden, die zu störenden Trockenstellen führen. Diese Formulierungen bleiben scherstabil und trennen sich daher im Laufe der Zeit nicht von Verdickungsmitteln ab. Deshalb können viele Luft- und Raumfahrtkomponenten sowie industrielle Sensoren, die diese Öle verwenden, über einen Zeitraum von >10 Jahren wartungsfrei betrieben werden – eine Anforderung, die der Zertifizierung nach MIL-PRF-27617 entspricht.

Materialverträglichkeit und thermische Zuverlässigkeit auf elektronischen Substraten
Chemische Verträglichkeit mit Silikonöl bei EPDM-Dichtungen, Polyimid-Beschichtungen, FR-4-Laminaten und Lötmasken
Damit Silikonöl seine Funktion erfüllen kann, muss es chemisch neutral gegenüber seiner Umgebung bleiben, also nahezu die gleichen Materialien aufweisen wie jene, die bei der Herstellung elektronischer Geräte verwendet werden. Unter Berücksichtigung der EPDM-Dichtung in den Steckverbindern und dem Gehäusebausatz darf das Silikonöl nach mehrfachen Steckzyklen weder zu einer Quellung, noch zu Sprödigkeit oder bleibender Verformung (Compression Set) führen. Bei Polyimid-Beschichtungen auf flexiblen Leiterplatten kann Silikonöl eine Plastifizierung bewirken, die den Klebstoff schwächt und dessen dimensionsstabile Eigenschaften beeinträchtigt. Um mit FR-4-Leiterplatten zufriedenstellend kompatibel zu sein, darf Silikonöl weder Harzwanderung noch Delamination verursachen noch zu einer Isolationsstörung führen. Bei Lötstopplacken dürfen Silikonöle weder die Bildung leitfähiger anodischer Filamente noch Blasenbildung in der Schutzschicht hervorrufen. Kompatibilitätsprobleme sind nicht trivial: Laut aktuellen Branchendaten des Failure Analysis Consortium aus dem Jahr 2023 gehen etwa 23 % der Dichtungsversagen bei Automobilsensoren sowie 17 % der Störungen bei industriellen Relais auf Inkompatibilität zurück.

Grenzen der thermischen Stabilität und Oxidationsbeständigkeit: Sicherstellung der Leistungsfähigkeit innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs von -40 °C bis 200 °C

Aufgrund ihrer Struktur und der eingebauten Antioxidantien können diese Öle bei extremen Temperaturen eingesetzt werden. Sie sind bis zu einer Temperatur von -50 °C einsetzbar, was für den Einsatz in polaren Regionen von großer Bedeutung ist, da hier ein Schmierstoffversagen zu erheblichen Schäden an der Ausrüstung führen kann. Zudem wurde nachgewiesen, dass sie ihre isolierenden und elektrisch isolierenden Eigenschaften in Hochleistungs-Phenyl-modifizierten Ölen, die oberhalb von 180 °C betrieben werden, bewahren. Sie wurden zudem gemäß ASTM D943 getestet, wobei sich eine geringe Oxidationsrate sowie eine sehr geringe Schlammablagerungsrate zeigten, wodurch Korrosion an mechanischen Komponenten verhindert wird. Bei den besten Formulierungen erfüllt die Temperaturstabilität die Sicherheitsstandards UL 2580 für Batterieanwendungen in Elektrofahrzeugen sowie DO-160 Abschnitt 25 für thermische Ausfälle in der Luftfahrt-Elektronik.

FAQ

Was ist die Durchschlagfestigkeit?

Die Durchschlagfestigkeit wird durch die maximale Spannung bestimmt, die ein Dielektrikum aushalten kann, bevor es zu einer elektrischen Durchschlagsspannung kommt. Dies ist besonders wichtig bei Anwendungen mit Hochspannung, da es helfen kann, Lichtbogenbildung (Arc Tracking) und Kurzschlüsse infolge von Dielektrikumsversagen zu verhindern.

Warum ist die Viskosität für Silikonöle von Bedeutung?

Die Viskosität von Silikonölen bestimmt deren Fähigkeit, mechanischen oder elektrischen Belastungen standzuhalten und gleichzeitig zu fließen. Daher ist sie für präzise Arbeiten von großer Bedeutung.

Wodurch unterscheiden sich phenylmodifizierte Silikonöle von methylmodifizierten Silikonölen?

Im Vergleich zu methylmodifizierten Silikonölen weisen phenylmodifizierte Silikonöle eine höhere Zuverlässigkeit bei hohen thermischen und elektrischen Durchschlagsspannungen auf. Sie eignen sich daher ideal für leistungsstarke elektrische Anwendungen.

Was bestimmt die Verträglichkeit von Silikonöl mit einer elektronischen Komponente?

Das Silikonöl ist mit elektronischen Komponenten verträglich, da es gegenüber EPDM-Dichtungen, Polyimid-Beschichtungen, FR-4-Laminaten und Lotmasken chemisch inert bleibt. Dies macht es wichtig, Zersetzung und Ausfälle zu vermeiden.