Anbieter zum Thema

elspec GmbH

SAB Bröckskes GmbH & Co KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Unter atmosphärischem Druck verändert sich das Kristallgefüge in Abhängigkeit von der Temperatur. Das Polymer hat bei tiefen Temperaturen ein gut orientiertes hexagonales Gefüge. Bei Temperaturen von 19 °C ändert es sich zu einem teilweise hexagonalen Kristallgefüge und der Abstand der Kohlenstoffatome zueinander vergrößert sich. Dies führt zu einer relativ starken Ausdehnung und einem Ausdehnungskoeffizienten von bis zu 920 * 10^–6/K und geht bei 32 °C in ein ungeordnetes Gefüge über. Zum Vergleich: der Temperaturkoeffizient von Kupfer beträgt 16,5*10^–6/K.

Anhand des Ausdehnungskoeffizienten ist ersichtlich, dass bei Temperaturen von 32,3 °C noch eine weitere Phasenänderung existiert. Diese ist aber im Vergleich wesentlich schwächer und wurde bei den Messungen 1953 noch nicht entdeckt. Dies wurde erst durch die verbesserte Messtechnik heutzutage möglich.

Aus [2] ist Bild 2 entnommen. Aus diesem Diagramm wurden die Messwerte extrahiert und für die weiteren Berechnungen verwendet.

Bild 3 zeigt das Phasendiagramm von PTFE [3]. In dem Diagramm kann abgelesen werden, bei welcher Temperatur und bei welchem Druck welche Gefügestruktur das PTFE hat. D.h. wenn auf das PTFE Druck einwirkt, verschieben sich die Temperaturen, bei denen die Kristallgefüge sich ändern. Hierbei ist zu beachten, dass der Druck im GPa-Bereich liegt und damit recht hoch. Der Luftdruck in Meereshöhe beträgt zum Vergleich nur 0,101 MPa.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 5 Bildern

Weiterhin wird in den Publikationen gezeigt, dass die Eigenschaften von PTFE auch von seiner Vorgeschichte abhängig sind. Wurde z.B. PTFE auf der Drehmaschine bearbeitet und dann untersucht, kamen etwas andere Werte zustande, als wenn man das PTFE auf 300°C erhitzt und langsam abkühlen lässt, bevor man es vermisst.

Dhawan [8] hat die Dielektrizitätskonstante von PTFE bei 100 kHz gemessen und die Fequenzabhängigkeit bestimmt. Aus dem Diagramm wurden die Werte extrahiert, die auch mit einem Fehler durch die Ablesegenauigkeit behaftet sind. Im Text wird weiter darauf hingewiesen, dass mit der Frequenz die Permittivität bei DC von 2,1462 sich auf 2,1436 bei Unendlich ändert. Dies entspricht 0,126%.

Aufbau und Eigenschaften einer Koaxial-Leitung

Der äußere Schirm einer Koaxial-Leitung besteht aus Metall und dehnt sich weniger aus als das PTFE. Die Frage ist, wie stark wird der Schirm gedehnt, und welche Druckerhöhung bleibt übrig. Dieses wirkt dem Absinken der Permittivität entgegen und kann mit einer FEM-Simulation (Finite Elemente Methode) berechnet werden. Das Ganze ist darüber hinaus abhängig von der Zeit, da PTFE unter Druck anfängt zu fließen. D.h. kann die Änderung des Durchmessers nicht erfolgen, wird das Material versuchen sich in der Länge auszudehnen.

Weiterhin ist die elektrische Länge, d.h. wie schnell sich die elektromagnetische Welle in der Leitung ausbreitet, abhängig von der Permittivität, die sich auch mit der Temperatur ändert.

In Bild 4 sind die relative Längenausdehnung und die Permittivität dargestellt. Wie man sieht, expandiert PTFE mit zunehmender Temperatur, die Permittivität nimmt ab. Dies hat einen kompensierenden Effekt, der sich aber nicht gegenseitig aufhebt. Die Frage ist, welche elektrische Längenänderung wird sich schlussendlich ergeben?

Im zweiten Teil werden wir eigene Messungen und Berechnungen durchführen und mit den vorhandenen und hier bereits teilweise beschriebenen Veröffentlichungen vergleichen. Teil 3 beschäftigt sich mit einer FEM-Simulation einer Koax-Leitung, bei der die Druckerhöhung durch den Schirm und damit das Gefüge berücksichtigt ist. Hierbei werden die Werte mit denen von bereits gemessenen Koax-Leitungen verglichen. Wir planen ergänzend die Dämpfung darzustellen, sobald wir die Messtechnik bei –100 °C zur Verfügung haben.

Literatur

[1] Wikipedia, http://de.wikipedia.org/wiki/Polytetrafluorethylen, abgerufen am 13.3.2015

[2] Blumm, J.; Lindenmann, A.; Meyer, M.; Strasse, C.: Characterization of PTFE using Advanced Thermal Analysis Techniques. Netzsch-Gerätebau GmbH

[3] Rae, P. J.; Dattelbaum, D. M.: The properties of polytetrafluoroethylene (PTFE) in compression. Polymer 45 (2004) 7615 – 7625

[4] Molecular Mobility, Phase Transitions, Transformation Plasticity and Memory Effect in Poly tetrafluoroethylene (PTFE). Journal de Physique III, Volume 6, dècembre 1996

[5] Weir, C. E.: Transitions and Phase of Polytetrafluoroethylene (Teflon). Journal of Research of the National Bureau of Standards, Vol. 50, No. 2, February 1953

[6] Kirby, R. K.: Thermal Expansion of Polytetrafluoroethylene (Teflon) from –190° to +300°C. Journal of Research of the National Bureau of Standards, Vol. 57, No. 2, August 1956

[7] Current Innovation in Phase Stable Coaxial Cable Design. Times Microwave Systems; Microwave Product Digist

[8] Dhawan, S. K.: Understandign Effect of Teflon Room Temperature Phase Transition on Coax Cable Delay in Order to Improve the Measurement of TE Signals of Deuterated Polarized Targets. IEEE Transactions on nuclear scenge, Vol. 39, No. 5, October 1992

[9] Czuba, K.; Sikora, D.: Phase Drift versus Temperature Measurmements of Coaxial Cables. Warsawa University of Technology, ISE, Warsawa, Poland

[10] Perepechko, I.: Low-Temperature Properties of Polymers. MIR Publishers, Moscow

[11] Kobayashi, Y.; Katho, M.: Microwave Measurement of Dielectric Properties of Low-Loss Materials by the Dielectric Rod Resonator Method. IEEE Transaction on microwave theory and techniques, Vol. MTT-33, No. 7, July 1985

[12] Physical Properties of Fluor unfilled and filled PTFE. Technical Service Note F12/13, AGC Chemicals 2002

* Stefan Burger ist Inhaber von Delta Gamma Consultant in Hampton, Australien sowie als Berater im Bereich HF- und Messtechnik für elspec, Geretsried, tätig.

(ID:43252213)