Kunststoff mit Vorzugseigenschaften Gerecktes PTFE verbessert Hochleistungskabel

Durch den niedrigen Reibungskoeffizienten und die hohe Hitzebeständigkeit ist der im Jahr 1938 entwickelte Kunststoff Polytetrafluorethylen (PTFE) für viele Ingenieur-Disziplinen interessant. Beim gereckten Derivat ePTFE sind Form und Eigenschaften auf hochflexible und langlebige Kabelanwendungen maßgeschneidert. Der Werkstoff verbessert darüber hinaus Beanspruchbarkeit, Signalübertragung und Reinraumeignung.

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W. L. Gore & Associates GmbH

Kabeldesigner benötigen Werkstoffe, die als schützender Mantel geeignet sind, elektrisch isolieren, chemisch inert sowie wasserabweisend sind. Außerdem müssen die Kabel über einen weiten Temperaturbereich stabil sein und wiederholten, ganz unterschiedlichen Biegebeanspruchungen widerstehen.

Um die Leistungsfähigkeit eines Materials zu bestimmen, sind Kabel in der Regel standardisierten und kundenspezifischen Bewegungsabläufen unterworfen, während dessen Techniker die Signaldämpfung und den Widerstand beobachten. Die Biegung beim Rollen (Flexur), die Verdrehung (Torsion) und die willkürliche Bewegung des Kabels sind übliche Tests. Hin-und-Her-Bewegungen (Tic Toc), in denen Kabel immer wieder in vorgegebenen Knickwinkeln am selben Ort geführt werden, sind von ganz besonderem Interesse.

Die Anwendung bestimmt die Parameter

Die Kabelmaße beeinflussen die Wechselbiegefestigkeit am stärksten. Denn je weiter ein Material von seiner Ruhelage entfernt ist, umso größer ist die Biegung und damit die Beanspruchung. Daher wirken sich ein reduzierter Kabeldurchmesser und verringertes Gewicht exponenziell auf die Kabellebensdauer aus.

Die Kabelanwendung diktiert den Durchmesser des Kabelkerns. Eine dünne Leitungsisolation mit niedriger Dielektrizitätskonstante, hoher Spannungsfestigkeit und guter Zerreißfestigkeit kann helfen, die Kabelabmaße zu verringen und so die Biegebeanspruchung zu minimieren. Ein Werkstoff, der genau diese Anforderungen erfüllt, ist ePTFE.

Bob Gore entdeckte 1969, dass heißes PTFE seine polymere Mikrostruktur ändert, wenn es sehr schnell mit einer Zugkraft beaufschlagt wird. Dieses veränderte Material wird expandiertes PTFE genannt (ePTFE) bzw. gerecktes PTFE. Aus der spiralförmigen Anordnung von Knoten bei PTFE ist durch die Zugbeanspruchung ein voluminöses Netz aus Knoten und Fasern geworden (Bild 1). Das Volumen von ePTFE kann bis zu 70% aus Luft bestehen. Dadurch konnte die Dielektrizitätskonstante von 2,1 für PTFE auf 1,3 für ePTFE verkleinert werden.

Die Parameter fest im Griff

Polyethylen-Schaum ist ein anderes übliches dielektrisches Material, dessen Dichte aber von Ader zu Ader oder sogar entlang einer einzelnen Leitung unterschiedlich sein kann. Weil die Dielektrizitätskonstante mit der Dichte variiert, haben impedanzkontrollierte Kabel, deren Isolierung auf diesem Schaum basiert, oftmals eine geringere elektrische Signalintegrität bei hohen Frequenzen.

Im Gegensatz dazu sind beim Herstellen von ePTFE-Isolationsband Stärke, Dichte und Dielektrizitätszahl fest beherrschbar. Werden Einzelleiter mit ePTFE umwickelt, lassen sich Interferenz, Rauschen, Übersprechen und Signaldämpfung reduzieren. In einigen Anwendungen kann das ePTFE-Band die Phasenverschiebung auf 4,3° und die Signaldämpfung auf 0,05 dB bei 110 GHz begrenzen (Bild 2).

Eine hoch dielektrische ePTFE-Isolierung kann bis zu 50% dünner sein als andere Materialien. Die von Gore entwickelte MIL-ENE-Isolation beispielsweise ist für Spannungen bis 300 Veff ausgelegt und 0,1016 mm dick .

Bei höheren Spannungen sind auch Corona-Entladungen von Bedeutung. Ingenieure haben PTFE auch deswegen modifiziert, um bessere Betriebseigenschaften für Leitungen mit 5 kV und Spannungen darüber zu erreichen. Corona-resistentes PTFE (CR-PTFE) unterbindet die mikroskopisch kleinen Gasblasen zwischen Leiter und Isolation – Stellen, die eine Corona-Entladung auslösen können.

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