Konstanz, Univ., Diss., 2008.

Zugl.: Konstanz, Univ., Diss., 2008

Zur Charakterisierung mesoskopischer elektrischer Inhomogenitäten in undotiertem GaAs, die meist eine zellulare Struktur mit hochohmigen Zellzentren und niederohmigen Zellwänden aufweisen, wurde die Punktkontakt-Technik weiterentwickelt, mit der hochaufgelöste und quantitative Widerstandsmessungen möglich sind. Untersuchungen der I-U-Kennlinie des Punktkontakts zeigten, dass sich letzterer näherungsweise durch einen Schottkykontakt mit hohem Serienwiderstand beschreiben lässt. Eine Kalibrierung des Punktkontakt-Stromes (IPC) lieferte für Widerstände > 1E6 Ohmcm eine inverse Proportionalität zwischen IPC und Widerstand. Messungen ergaben, dass die Widerstandsfluktuationen bei halbisolierenden Proben weniger als eine Größenordnung betragen. Dagegen wiesen Proben im hochohmigen Bereich (n = 1E10 cm^-3) Unterschiede im Widerstand von bis zu 3 Größenordnungen auf. Anhand temperaturabhängiger Punktkontaktmessungen konnte der experimentelle Beweis erbracht werden, dass der Widerstand hochohmiger Proben in den Zellwänden schon durch Sauerstoff bestimmt wird, während der Widerstand im Zellinneren noch durch EL2 bestimmt wird. Die anomale Verringerung der Hallbeweglichkeit in hochohmigen GaAs konnte eindeutig mit einer Erhöhung mesoskopischer elektrischer Inhomogenitäten korreliert werden.

Zur Charakterisierung mesoskopischer elektrischer Inhomogenitäten in undotiertem GaAs, die meist eine zellulare Struktur mit hochohmigen Zellzentren und niederohmigen Zellwänden aufweisen, wurde die Punktkontakt-Technik weiterentwickelt, mit der hochaufgelöste und quantitative Widerstandsmessungen möglich sind. Untersuchungen der I-U-Kennlinie des Punktkontakts zeigten, dass sich letzterer näherungsweise durch einen Schottkykontakt mit hohem Serienwiderstand beschreiben lässt. Eine Kalibrierung des Punktkontakt-Stromes (IPC) lieferte für Widerstände > 1E6 Ohmcm eine inverse Proportionalität zwischen IPC und Widerstand. Messungen ergaben, dass die Widerstandsfluktuationen bei halbisolierenden Proben weniger als eine Größenordnung betragen. Dagegen wiesen Proben im hochohmigen Bereich (n = 1E10 cm^-3) Unterschiede im Widerstand von bis zu 3 Größenordnungen auf. Anhand temperaturabhängiger Punktkontaktmessungen konnte der experimentelle Beweis erbracht werden, dass der Widerstand hochohmiger Proben in den Zellwänden schon durch Sauerstoff bestimmt wird, während der Widerstand im Zellinneren noch durch EL2 bestimmt wird. Die anomale Verringerung der Hallbeweglichkeit in hochohmigen GaAs konnte eindeutig mit einer Erhöhung mesoskopischer elektrischer Inhomogenitäten korreliert werden.

Stationary electrical connections and contacts, such as power connections, are commonly applied in electric power systems used for generation, transmission and distribution of electric energy. Several different degradation mechanisms can increase the contact resistance and might therefore reduce the power connection’s lifetime. The degradation by film development as a result of chemical reactions is often considered as a reason for contact failure. In this research work, the impact of film development produced by chemical reactions, such as oxidation, on the long-term behavior of stationary electrical connections and contacts was studied with crossed rods. Analytical, numerical and experimental methods were applied. Typical material systems for electric power systems were considered in this study: Cu-ETP (CW004A) bare, silver-, nickel- or tin-coated, Al99.5 (EN AW-1050A) and AlMgSi0.5 (EN AW-6060). By applying numerical methods, the mechanical stress distribution was determined within a circular contact point. The initial contact resistance and the plastic deformed area of the considered material systems was measured in experimental tests. The film’s impact was further determined through comparative experimental studies in air (standard atmosphere) and N2 (inert gas). During the experimental tests on perpendicularly crossed rods, other degradation mechanisms such as force reduction were suppressed. The film’s impact within the formation phase was studied on copper rods in an oven at 200 °C for 1000 h. Moreover, the dependency on different environments at 90 °C (laboratory, botanical garden and outdoor) was tested for 12000 h. Additional long-term tests over 12000 h were conducted at 200 °C. The contact resistance was determined dependent on time. Furthermore, the plastic deformed area was ascertained by microscopy. It was found that the time dependent film development caused by chemical reactions such as oxidation might possibly not result in a significant degradation of stationary electrical contacts with circular contact points and a constant force. Supplementary studies were performed at 200 °C for 1000 h with perpendicularly crossed rods at low forces (3.5 N) as well as analytical assessment of radial and axial film growth on circular contact points. The measured long-term behavior of perpendicularly crossed rods was similar for low and high forces. In order to study the long-term behavior of power connections operated in areas with harsh environmental conditions, experimental field tests on bolted busbar joints were conducted in desert and tropical rainforest environments. For over two and a half years, long-term field tests investigating bolted busbar joints made of Cu-ETP, Al99.5 (EN-AW-1350A) or AlMgSi0.5 (EN AW-6060) either with or without coating (silver, tin or nickel) were conducted in Belém (Brazil), Ismailia (Egypt) and Dresden (Germany).

Stationary electrical connections and contacts, such as power connections, are commonly applied in electric power systems used for generation, transmission and distribution of electric energy. Several different degradation mechanisms can increase the contact resistance and might therefore reduce the power connection’s lifetime. The degradation by film development as a result of chemical reactions is often considered as a reason for contact failure. In this research work, the impact of film development produced by chemical reactions, such as oxidation, on the long-term behavior of stationary electrical connections and contacts was studied with crossed rods. Analytical, numerical and experimental methods were applied. Typical material systems for electric power systems were considered in this study: Cu-ETP (CW004A) bare, silver-, nickel- or tin-coated, Al99.5 (EN AW-1050A) and AlMgSi0.5 (EN AW-6060). By applying numerical methods, the mechanical stress distribution was determined within a circular contact point. The initial contact resistance and the plastic deformed area of the considered material systems was measured in experimental tests. The film’s impact was further determined through comparative experimental studies in air (standard atmosphere) and N2 (inert gas). During the experimental tests on perpendicularly crossed rods, other degradation mechanisms such as force reduction were suppressed. The film’s impact within the formation phase was studied on copper rods in an oven at 200 °C for 1000 h. Moreover, the dependency on different environments at 90 °C (laboratory, botanical garden and outdoor) was tested for 12000 h. Additional long-term tests over 12000 h were conducted at 200 °C. The contact resistance was determined dependent on time. Furthermore, the plastic deformed area was ascertained by microscopy. It was found that the time dependent film development caused by chemical reactions such as oxidation might possibly not result in a significant degradation of stationary electrical contacts with circular contact points and a constant force. Supplementary studies were performed at 200 °C for 1000 h with perpendicularly crossed rods at low forces (3.5 N) as well as analytical assessment of radial and axial film growth on circular contact points. The measured long-term behavior of perpendicularly crossed rods was similar for low and high forces. In order to study the long-term behavior of power connections operated in areas with harsh environmental conditions, experimental field tests on bolted busbar joints were conducted in desert and tropical rainforest environments. For over two and a half years, long-term field tests investigating bolted busbar joints made of Cu-ETP, Al99.5 (EN-AW-1350A) or AlMgSi0.5 (EN AW-6060) either with or without coating (silver, tin or nickel) were conducted in Belém (Brazil), Ismailia (Egypt) and Dresden (Germany).

Mit der zunehmenden Elektrifizierung von Fahrzeugen wächst das Bedürfnis nach zuverlässigen stromführenden Verbindungen. Im Elektroenergieversorgungsnetz sowie im Bordnetz von Elektrofahrzeugen treffen beim stromführenden Verbinden verschiedener Komponenten im Kontakt häufig unterschiedliche Leiter- oder Beschichtungswerkstoffe aufeinander. Dabei wird Aluminium aufgrund seiner geringen Dichte und relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit sowie der Verfügbarkeit und des geringeren Preises gegen-über Kupfer bevorzugt eingesetzt. Für Anwender ist dieser Leichtbauwerkstoff hinsichtlich des Kontakt- und Langzeitverhaltens herausfordernd. In der Vergangenheit wurden intermetallische Phasen zwischen Aluminium und Silber sowie zwischen Aluminium und Kupfer als vorrangige Ursache für auftretende Ausfälle von nicht stoffschlüssigen, stromführenden Verbindungen mit den entsprechenden Werkstoffkombinationen untersucht. Der dabei festgestellte Anstieg des Widerstands lässt sich jedoch nicht vollständig durch die wachsenden Phasen erklären. Das Ziel dieser Arbeit besteht deshalb darin, den Einfluss des Sauerstoffs auf die Alterung von stromführenden Bimetall-Verbindungen zu quantifizieren. Es wurden Schraubenverbindungen mit Stromschienen der Werkstoffkombinationen Ag-Al, Al-Cu, Sn-Al und Ni-Al untersucht. Durch Versuchsreihen in atmosphärischer Luft und in einer N2-Atmosphäre konnten für die jeweilige Werkstoffkombination Unterschiede im Langzeitverhalten aufgezeigt werden, die durch den von außen in die Verbindung eindringenden Sauerstoff entstehen. Die ablaufenden Prozesse unterscheiden sich dabei je nach Werkstoffkombination. Sauerstoff, der nach dem Fügen in die Kontaktebene gelangt, ist bei den Ag-Al- und Al-Cu-Verbindungen ausschlaggebend für das Erhöhen des Verbindungswiderstands. Im Gegensatz dazu reagiert in den Verbindungen mit Kontakten zwischen Zinn und Aluminium der bereits vor dem Fügen auf den Kontaktpartnern vorhandene Sauerstoff zu Al2O3. An den Verbindungen mit Kontakten zwischen Nickel und Alumini-um konnte kein Einfluss des Sauerstoffs festgestellt werden. Neben dem Flächenkontakt der Schraubenverbindung mit Stromschienen wurde der Punktkontakt in einer Modell-Verbindung untersucht. An diesem konnten aufgrund der nahezu konstanten Flächenpressung in der Kontaktebene Berechnungsmodelle für das Langzeitverhalten von Ag-Al- und Al-Cu-Verbindungen aufgestellt werden. Metallographische Untersuchungen wurden an Verbindungen mit Kontakten zwischen Silber und Aluminium sowie Zinn und Aluminium durchgeführt, um die elektrisch bestimmten Phänomene näher zu charakterisieren. Auf dem Kontaktpartner aus Aluminium einer gealterten Verbindung zwischen Zinn und Aluminium konnte mittels Transmissionselektronenmikroskopie eine Al2O3-Schicht sichtbar gemacht werden. Ist eine stromführende Verbindung gasdicht, kann dies bei den untersuchten Werkstoffkombinationen einen großen Einfluss auf das Langzeitverhalten haben. Die Ergebnisse bestehender Berechnungsmodelle zur Gasdichtigkeit von Verbindungen wurden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Als Neuerung wurde ein zusätzliches Kriterium eingeführt, das es ermöglicht, nach 24 h bei Belastungstemperatur zu beurteilen, ob eine stromführende Verbindung gasdicht ist. Anwender aus der Elektroenergie-versorgung und der Automobilindustrie können so nach einer kurzen Belastungsdauer Aussagen zur Langzeitstabilität einer Verbindung ableiten.:1 Einleitung 2 Kontakt- und Langzeitverhalten stromführender Verbindungen 2.1 Allgemeine Kontakttheorie 2.2 Bilden der Mikrokontakte, Berechnen des Kontaktwiderstands 2.3 Alterung stromführender Verbindungen 2.3.1 Kraftabbau 2.3.2 Interdiffusion 2.3.3 Chemische Reaktionen 2.3.4 Weitere Einflüsse 3 Reaktionen zwischen Sauerstoff und Metallen der Elektroenergietechnik 3.1 Oxidation der Oberfläche 3.2 Umbilden von Oxiden an der Oberfläche 3.3 Innere Oxidation 3.4 Reaktionsprodukte des Sauerstoffs mit verschiedenen Metallen 3.4.1 Aluminium 3.4.2 Zinn 3.4.3 Nickel 3.4.4 Silber 3.4.5 Kupfer 3.5 Eindringen des Sauerstoffs 3.5.1 Diffusion von Sauerstoff 3.5.1.1 Modell nach Izmailov 3.5.1.2 Modell nach Dzektser 3.5.2 Berechnen der Gasdichtigkeit 4 Präzisierung der Aufgabenstellung 5 Langzeitversuche an Bimetall-Verbindungen 5.1 Versuchsaufbau und Durchführung 5.1.1 Punktkontakt 5.1.2 Flächenkontakt - Schraubenverbindungen mit Stromschienen 5.2 Versuchsergebnisse im System Ag-Al 5.2.1 Versuche an versilberten Aluminiumblechen 5.2.2 Punktkontakt mit zwei versilberten Kontaktpartnern aus Aluminium 5.2.3 Punktkontakt zwischen einem versilberten Kontaktpartner und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium 5.2.4 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen mit versilberten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.2.5 Diskussion der Ergebnisse 5.2.5.1 Einfluss der IMP 5.2.5.2 Einfluss des Sauerstoffs 5.3 Versuchsergebnisse im System Sn-Al 5.3.1 Punktkontakt mit einem verzinnten Kontaktpartner aus Kupfer und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium 5.3.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen verzinnten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.3.3 Diskussion der Ergebnisse 5.3.3.1 Einfluss der Vorbehandlung 5.3.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft 5.3.3.3 Versagen der Oxidschicht 5.4 Versuchsergebnisse im System Ni-Al 5.4.1 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen vernickelten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.4.2 Diskussion der Ergebnisse 5.5 Versuchsergebnisse im System Al-Cu 5.5.1 Punktkontakt mit einem Kontaktpartner aus Kupfer und einem aus Aluminium 5.5.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen Stromschienen aus Aluminium und Kupfer 5.5.3 Diskussion der Ergebnisse 5.5.3.1 Einfluss der IMP 5.5.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft 5.5.3.3 Einfluss der thermischen Dehnung 5.5.3.4 Einfluss der Montageparameter 6 Modellbildung zur Wirkung von Oxidschichten 6.1 Elektrischer Widerstand bei Alterung durch Oxidation 6.1.1 Punktkontakte zwischen Silber und Aluminium 6.1.2 Punktkontakte zwischen Kupfer und Aluminium 6.2 Gasdichtigkeit der untersuchten Verbindungen 7 Zusammenfassung 8 Ausblick 9 Verzeichnisse 10 Anhang / With the increasing electrification of vehicles, the demand for reliable current-carrying connections grows. In the electrical power grid as well as in the electric grid of an electric vehicle, different material combinations occur frequently, when current-carrying connections are joined. Aluminum is commonly applied due to its lightweight proper-ties and its price advantage compared to copper. For users, this lightweight material is challenging regarding its contact and long-term behavior. In the past, intermetallic compounds between aluminum and silver as well as between aluminum and copper have been investigated as possible cause for the emerging failures of firmly bonded, force-fitted, and force-form-fitted current-carrying connections. The witnessed rise in resistance cannot be explained completely by the growing intermetallic phases. Therefore, the goal of this work is to quantify the influence of oxygen on the aging of bimetallic connections. Bolted joints with busbars of the material combinations Ag-Al, Al-Cu, Sn-Al and Ni-Al were examined. Through test series in atmospheric air and in a N2-atmosphere, differences in the long-term behavior could be shown that result from oxygen entering into the contact interface from the outside. The processes taking place differ depending on the material combination. Oxygen entering into the connection after the joining is responsible for the rise in resistance in Ag-Al- and Al-Cu-connections. In contrast, the oxygen which is already present in the contact interface before the joining reacts to Al2O3 in connections between tin and aluminum. No influence of the oxygen was detected in connections between nickel and aluminum. Beside the flat surface contacts of the bolted joints with busbars, a model geometry with a point contact was examined. Due to the uniform surface pressure over the entire contact surface, a calculation model of the long-term behavior for Ag-Al- and Al-Cu-connections was set up based on these connections. Metallographic investigations were performed on Ag-Al- and Sn-Al-connections for further analysis of the electrically measured phenomena. An Al2O3-layer was visualized by transmission electron microscopy on the aluminum contact member of an aged connection between tin and aluminum. If a current-carrying connection of the examined material combinations is joined in a gas-tight manner, it can have a great effect on the long-term behavior. The results of existing calculation models on gas-tightness were compared to the experimental results. In addition, a novel criterion was introduced. It enables to evaluate after 24 h at loading temperature whether a current-carrying connections is gas-tight. Users in the electrical power system and the automotive industry can thereby derive predictions on a connection’s long-term stability after a short loading time.:1 Einleitung 2 Kontakt- und Langzeitverhalten stromführender Verbindungen 2.1 Allgemeine Kontakttheorie 2.2 Bilden der Mikrokontakte, Berechnen des Kontaktwiderstands 2.3 Alterung stromführender Verbindungen 2.3.1 Kraftabbau 2.3.2 Interdiffusion 2.3.3 Chemische Reaktionen 2.3.4 Weitere Einflüsse 3 Reaktionen zwischen Sauerstoff und Metallen der Elektroenergietechnik 3.1 Oxidation der Oberfläche 3.2 Umbilden von Oxiden an der Oberfläche 3.3 Innere Oxidation 3.4 Reaktionsprodukte des Sauerstoffs mit verschiedenen Metallen 3.4.1 Aluminium 3.4.2 Zinn 3.4.3 Nickel 3.4.4 Silber 3.4.5 Kupfer 3.5 Eindringen des Sauerstoffs 3.5.1 Diffusion von Sauerstoff 3.5.1.1 Modell nach Izmailov 3.5.1.2 Modell nach Dzektser 3.5.2 Berechnen der Gasdichtigkeit 4 Präzisierung der Aufgabenstellung 5 Langzeitversuche an Bimetall-Verbindungen 5.1 Versuchsaufbau und Durchführung 5.1.1 Punktkontakt 5.1.2 Flächenkontakt - Schraubenverbindungen mit Stromschienen 5.2 Versuchsergebnisse im System Ag-Al 5.2.1 Versuche an versilberten Aluminiumblechen 5.2.2 Punktkontakt mit zwei versilberten Kontaktpartnern aus Aluminium 5.2.3 Punktkontakt zwischen einem versilberten Kontaktpartner und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium 5.2.4 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen mit versilberten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.2.5 Diskussion der Ergebnisse 5.2.5.1 Einfluss der IMP 5.2.5.2 Einfluss des Sauerstoffs 5.3 Versuchsergebnisse im System Sn-Al 5.3.1 Punktkontakt mit einem verzinnten Kontaktpartner aus Kupfer und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium 5.3.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen verzinnten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.3.3 Diskussion der Ergebnisse 5.3.3.1 Einfluss der Vorbehandlung 5.3.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft 5.3.3.3 Versagen der Oxidschicht 5.4 Versuchsergebnisse im System Ni-Al 5.4.1 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen vernickelten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.4.2 Diskussion der Ergebnisse 5.5 Versuchsergebnisse im System Al-Cu 5.5.1 Punktkontakt mit einem Kontaktpartner aus Kupfer und einem aus Aluminium 5.5.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen Stromschienen aus Aluminium und Kupfer 5.5.3 Diskussion der Ergebnisse 5.5.3.1 Einfluss der IMP 5.5.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft 5.5.3.3 Einfluss der thermischen Dehnung 5.5.3.4 Einfluss der Montageparameter 6 Modellbildung zur Wirkung von Oxidschichten 6.1 Elektrischer Widerstand bei Alterung durch Oxidation 6.1.1 Punktkontakte zwischen Silber und Aluminium 6.1.2 Punktkontakte zwischen Kupfer und Aluminium 6.2 Gasdichtigkeit der untersuchten Verbindungen 7 Zusammenfassung 8 Ausblick 9 Verzeichnisse 10 Anhang