HF-Kabel Was man über Koaxial-Kabel und PTFE wissen sollte

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Die Zusammenhänge zwischen Material, Temperatur, Druck und Messgenauigkeit bei PTFE sind oftmals unbekannt. Wir geben einen Überblick zum Stand der Technik und den Anwendungen.

Ein versilberter Kupferdraht mit einer Umhüllung aus Polytetrafluorethylen (PTFE) ist eine interessante Kombination. Beide Werkstoffe sind sehr unterschiedlich. PTFE ist der Isolationswerkstoff in der Hochfrequenztechnik, der viele Vorteile aufweist. Der Anwender sollte einige spezielle Eigenschaften, wie z.B das PTFE-Knie oder das Voraltern bei phasenstabilen Messkabeln, kennen.

Der Beitrag beschreibt den Stand der Forschung und Anwendungen von PTFE sowie die Eigenschaften und die Grenzen des Materials hinsichtlich der Hochfrequenzcharakteristik.

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Polytetrafluorethylen ist ein unverzweigtes, linear aufgebautes, teilkristallines Polymer aus Fluor und Kohlenstoff. Der Kunststoff zeichnet sich durch eine sehr gute chemische Beständigkeit und Stabilität über einen großen Temperaturbereich aus. Im Hochfrequenzbereich weist das Polymer nur geringe Verluste auf und wird deshalb gerne eingesetzt.

PTFE wurde 1938 vom Chemiker Roy Plunkett entdeckt, als er an Kältemitteln für Kühlschränke arbeitete. Technisch wurde PTFE zuerst nicht verwendet, da die Herstellung sehr aufwändig und kostenintensiv ist. Der Kunststoff ist jedoch beständig gegen fast alle aggressiven Medien.

Er ist lediglich unbeständig gegen starke Reduktionsmittel wie elementares Fluor bei höheren Temperaturen. Technisch wurde PTFE zuerst im Umfeld der Urananreicherung beim Manhattan-Projekt (Entwicklung der Atombombe) verwendet, um die Behälter vor dem stark korrosiven Uranhexafluorid zu schützen. Die Firma DuPont vermarktete PTFE unter dem Namen Teflon [1].

PTFE hat einen sehr geringen Reibungskoeffizient und bleibt elastisch bis zu kryogenen Temperaturen(–269°C), kann bei Temperaturen bis 250°C verwendet werden, der Kristallitschmelzpunkt liegt bei etwa 330°C [2,3].

Nachteilig ist seine hohe Viskosität wenn es geschmolzen ist. Damit ist es fast nicht möglich, PTFE für Spritzguss oder Blasformen zu verwenden. Es bleibt nur Extrudieren oder Sintern als formgebendes Verfahren übrig.

Chemischer Aufbau und Eigenschaften von PTFE

PTFE-Moleküle bestehen aus Ketten von Kohlenstoffatomen, jedes Kohlenstoffatom bindet zwei Fluoratome. Die Fluoratome liegen fast symmetrisch um den Polymerfaden, dadurch kompensieren sich die Dipolmomente. Dies hat zur Folge, dass die Eigenschaften von der Frequenz nur sehr wenig beeinflusst werden. Im Vergleich dazu weist Wasser ein ausgeprägtes Dipolmoment und somit eine starke Frequenzabhängigkeit seiner Eigenschaften auf. Was beispielsweise beim Erhitzen von Speisen ausgenutzt wird.

Bei Temperaturen unterhalb von 19 °C liegen die Fluoratome einander nicht gegenüber wie in Bild 1 sondern sind leicht versetzt und winden sich schraubenförmig um einen Faden von 26 Kohlenstoffatomen über einer Länge von 1,68 nm. Bei 30 °C hat sich der Abstand auf 1,95 nm vergrößert, was sich in einer starken Längenänderung sowie einer verringerten Permittivität zeigt.

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