DE102019123898A1 - Elastisches Dielektrikum mit mikroskalinen Poren, Verwenden und Herstellungsverfahren - Google Patents

Elastisches Dielektrikum mit mikroskalinen Poren, Verwenden und Herstellungsverfahren Download PDF

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Abstract

Es wird ein elastisches Dielektrikum (130) beschrieben, welches ein elastisches Polymer (190) und eine Mehrzahl von Poren (180) aufweist. Die Mehrzahl von Poren (180) weisen einen mittleren Porendurchmesser (d) von 50 µm oder weniger auf, und die Mehrzahl von Poren (180) weist ein Porengesamtvolumen auf, welches 60% oder weniger des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums (130) ausmacht. Ferner werden ein Verwenden des elastischen Dielektrikums (130), eine dielektrische Vorrichtung (100), ein Verfahren zum Herstellen eines elastischen Dielektrikums (130), und ein Verwenden eines elektrischen Isolators beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elastisches Dielektrikum. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verwenden des elastischen Dielektrikums. Weiterhin betrifft die Erfindung eine dielektrische Vorrichtung, insbesondere einen dielektrischen Aktor und/oder einen dielektrischen Sensor. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen des elastischen Dielektrikums. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verwenden eines elektrischen Isolators.
  • Die Erfindung kann sich somit auf das technische Gebiet von elastischen Dielektrika beziehen. Weiterhin kann sich die Erfindung auf dielektrische Vorrichtungen beziehen. Insbesondere kann sich die Erfindung auf das technische Gebiet der dielektrischen (Elastomer) Aktoren und/oder dielektrischen (Elastomer) Sensoren beziehen. Weiter insbesondere kann sich die Erfindung auf das technische Gebiet des Einsatzes von speziellen Isolatoren bezüglich dielektrischer Vorrichtungen beziehen.
  • Eine dielektrische Vorrichtung wie z.B. ein dielektrischer (Elastomer) Aktor (DEA), ein dielektrischer (Elastomer) Sensor (DES) oder eine Mischform (DEAS) ist im Prinzip wie ein nachgiebiger elektrostatischer Kondensator aufgebaut. Eine (bezüglich elektromechanischen Aspekten im Wesentlichen) passive Elastomerschicht (bzw. eine Polymerschicht) wird zwischen zwei Elektrodenplatten eingeklemmt. Wenn eine elektrische Spannung U angelegt wird (also im Betriebsmodus), ziehen sich die gegenüberliegenden Elektrodenplatten aufgrund des elektrostatischen Druckes (pel) an. Die inkompressible Elastomerschicht wird dann in Höhenrichtung zusammengedrückt und dehnt sich in seitlicher Richtung aus (Flächendehnung). Der elektrostatische Druck, welcher die Deformation verursacht, wird von der Dielektrizitätskonstanten, der Dielektrizitätszahl, und der Dicke des Materials sowie der angelegten Spannung bestimmt.
  • Der im Betriebsmodus auftretende äquivalente elektromechanische Druck peq ist doppelt so groß wie der elektrostatische Druck pel und lässt sich berechnen als: peq = ε0*εr*(U2/z2), wobei ε0 die Permittivität des Vakuums, εr die Dielektrizitätskonstante, und z die Schichtdicke der Elastomerschicht ist.
  • Die Bewegung wird also durch die elektrostatischen Kräfte, welche auf die Elastomerschicht zwischen zwei Elektrodenplatten wirken, erzeugt. In einem Beispiel erreicht ein dielektrischer Aktor bei einer Feldstärke von 30 V/µm eine Dehnung von bis zu 20 %. Übliche unidirektionale Dehnungen von dielektrischen Aktoren liegen z.B. in dem Bereich 10 bis 35 %, Maximalwerte bei bis zu 300 %.
  • Da die Elastomerschicht nahezu inkompressibel ist, bleibt das Volumen während der Deformation im Prinzip konstant. Beim Reduzieren der Spannung fließen die überschüssigen Ladungen über die Spannungsquelle ab, so dass die Elastomerschicht in die ursprüngliche Form zurückkehrt und aufgrund der gespeicherten elastischen Energie Kräfte ausüben kann.
  • Dieses Prinzip kann sowohl als Aktor als auch als Sensor genutzt werden und bietet eine Mehrzahl von vielversprechenden technischen Anwendungsmöglichkeiten. Besondere Vorteile dieser dielektrischen Vorrichtungen können sein, dass diese leicht, flexibel und geräuschlos sein können und zudem niedrige Materialkosten verursachen. Allerdings stehen diesen vorteilhaften Anwendungsmöglichkeiten derzeit noch ungelöste fertigungs- und zuverlässigkeitsrelevante Fragestellungen entgegen.
  • Bei einer mechanischen Verformung einer dielektrischen Vorrichtung wird das elastische Dielektrikum-Material infolge fehlender kompressibler Eigenschaften zur Seite verdrängt, was sowohl die mechanischen Eigenschaften, als auch die Linearität negativ beeinflussen kann.
  • Um dieser Problematik entgegenzuwirken werden im Stand der Technik Schäume als Dielektrikum verwendet. Dies bringt jedoch viele technische Nachteile wie eine geringe elektrische Durchschlagsfestigkeit, eine geringe Lebensdauer (insbesondere bei hohem elektrischen Potential), und elektrische Feldverzerrungen mit sich. Ferner führt auch die Problematik der Teilentladungen zu einem Bauteilversagen über die Zeit.
  • Unter dem Begriff „Durchschlagsfestigkeit“ kann in diesem Dokument insbesondere jene elektrische Feldstärke eines Dielektrikums verstanden werden, welche in dem Material (z.B. elastisches Polymer) höchstens vorhanden sein darf, ohne dass es zu einem Spannungsdurchschlag (z.B. Lichtbogen oder Funkenschlag) kommt. Die Durchschlagsfestigkeit kann z.B. als Durchschlagsfeldstärke (kV/mm oder kV/µm) angegeben werden, welche sich berechnet aus der maximalen Spannung bzw. Durchschlagsspannung (in Volt) bezogen auf die Dicke (z.B. mm oder µm Bereich) des Dielektrikums.
  • Der Begriff „Teilentladungen“ kann in diesem Zusammenhang jegliche Formen von Plasma- oder Durchschlagseffekten, Elmsfeuern oder Durchbrüchen aufgrund von elektrischen Potentialunterschieden bezeichnen. Diese können die sofortige oder langsame Zerstörung der elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften eines Dielektrikums zur Folge haben.
  • Bei speziellen Schäumen, welche aus der Elektrotechnik bekannt sind (z.B. Gap-Filler, wärmeleitende Schaum- und Gel-Folien), können hohe elektrische Durchschlagfestigkeiten von etwa 4 kV/mm erreicht werden. Allerdings eignen sich diese Schäume aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften nicht für den Einsatz als Dielektrikum (insbesondere nicht in einer dielektrischen Vorrichtung).
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elastisches Dielektrikum (insbesondere geeignet für den effizienten Einsatz in einer dielektrischen Vorrichtung) bereitzustellen, welches eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit aufweist, robust gegen Teilentladungen, und besonders langlebig ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein elastisches Dielektrikum beschrieben, welches ein elastisches Polymer und eine Mehrzahl von Poren (insbesondere innerhalb des elastischen Polymers) aufweist. Die Mehrzahl von Poren weist einen mittleren (bzw. durchschnittlichen) Porendurchmesser von 50 µm oder weniger (insbesondere 20 µm oder weniger) auf. Weiterhin weist die Mehrzahl von Poren ein Porengesamtvolumen aufweist, welches 60% oder weniger (insbesondere 40% oder weniger) des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums (insbesondere des Gesamtvolumens des elastischen Polymers) ausmacht.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verwenden des oben genannten elastischen Dielektrikums beschrieben in zumindest einem aus der Gruppe, welche besteht aus: einer dielektrischen Vorrichtung (insbesondere einem dielektrischen Sensor und/oder einem dielektrischen Aktor), einem Kabel, einem Kondensator, einem Vibrationsdämpfer, einem elektromechanischen System.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine dielektrische Vorrichtung (insbesondere ein dielektrischer Aktor und/oder ein dielektrischer Sensor) beschrieben (welche als Stapel-System ausgestaltet ist). Die dielektrische Vorrichtung weist auf: i) eine Mehrzahl von Elektroden, welche jeweils haben: einen funktionellen Bereich, welcher entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine erste Ebene aufspannt, und ii) eine Mehrzahl von elastischen Dielektrika, wobei jedes Dielektrikum entlang der zwei Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine zweite Ebene aufspannt. Die Elektroden und die elastischen Dielektrika sind alternierend angeordnet. Zumindest ein Dielektrikum der Mehrzahl von elastischen Dielektrika ist ein elastisches Dielektrikum (insbesondere mit einer Porenausgestaltung) wie oben beschrieben.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines elastischen Dielektrikums (insbesondere für eine dielektrische Vorrichtung, weiter insbesondere einem dielektrischen Aktor und/oder Sensor) beschrieben. Das Verfahren weist auf: i) Bereitstellen eines (insbesondere elastischen) Polymers als Basismaterial, und ii) Bilden einer Mehrzahl von Poren in dem Basismaterial derart, dass die Mehrzahl von Poren einen mittleren Porendurchmesser von 50 µm oder weniger aufweist, und das Gesamtporenvolumen der Mehrzahl von Poren 60% oder weniger des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums ausmacht.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verwenden beschrieben eines elektrischen Isolators (z.B. einem Dielektrikum), welcher ein elastisches Polymer hat (bzw. aufweist), welches eine Mehrzahl von Gasblasen (bzw. Gas (insbesondere Luft) gefüllten Poren) aufweist, deren mittlerer Porendurchmesser 20 µm oder weniger beträgt und deren Gesamtporenvolumen 40% oder weniger des Gesamtvolumens des elektrischen Isolators ausmacht, als Dielektrikum in einem dielektrischen Aktor und/oder einem dielektrischen Sensor.
  • Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischer (Elastomer) Aktor (DEA)“ insbesondere ein Aktor verstanden werden, welcher aus zwei Elektroden und einer dazwischenliegenden feder- oder elastizitätsbasierenden dielektrischen Distanzhaltung, insbesondere aus Elastomermaterial, besteht. Die aktorische Wirkung wird durch das Wechselspiel der Federkräfte zwischen den Elektroden(platten) einerseits und der Coulombschen Anziehung zwischen den Elektroden andererseits verstanden.
  • Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischer (Elastomer) Sensor (DES)“ insbesondere ein Sensor verstanden werden, welcher aus zwei Elektroden und einer dazwischenliegenden feder- oder elastizitätsbasierenden dielektrischen Distanzhaltung, insbesondere aus Elastomermaterial, besteht. Die sensorische Messgrösse wird aus der durch den Elektrodenabstand bestimmten Kapazität, bzw. durch die bei Distanzänderungen des Elektrodenabstandes entstehende Kapazitätsveränderung, gewonnen.
  • Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischer (Elastomer) Aktor und Sensor (DEAS)“ insbesondere eine Kombination der Prinzipien von DEA und DES in einem System verstanden werden. Merkmale, welcher für einen DEA gelten, können auch für einen DES gelten und umgekehrt.
  • Im Rahmen dieses Dokuments kann das beschriebene Koordinatensystem so verstanden werden, dass die Richtungen x und y (als Haupterstreckungsrichtungen) die Fläche einer Elektrode aufspannen und die Höhenrichtung z hierzu entlang der Distanzrichtung von zwei einander gegenüberliegenden (parallel ausgerichteten) Elektroden ausgerichtet ist. In einem Ausführungsbeispiel hinsichtlich eines Herstellungsprozesses kann x der Breite (cross-direction (CD) bei einer reel-to-reel Produktion) und y der Verarbeitungsrichtung (machine direction (MD) bei einer reel-to-reel Produktion) entsprechen.
  • Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „Elektrode“ insbesondere ein Elektronenleiter verstanden werden, der mit einer Gegenelektrode (dann als Anode und Kathode bezeichnet, bzw. als ein Pluspol und ein Minuspol) via einem zwischen den beiden Elektroden befindlichen (dielektrischen) Medium in Wechselwirkung steht. Auf diese Weise kann ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden erzeugt werden. Eine Elektrode kann hierbei einen „funktionellen (aktiven) Bereich“ aufweisen oder auch vollständig aus dem funktionellen Bereich bestehen. Der funktionelle Bereich ist elektrisch leitfähig (insbesondere ein Metall aufweisend) und kann damit den aktiven Teil der Elektrode bilden, welcher elektrisch mit der Gegenelektrode in Wechselwirkung tritt. Ferner kann eine Elektrode einen elektrisch nicht leitfähigen Bereich, z.B. ein Trägermaterial, aufweisen, auf welchen der funktionelle Bereich (z.B. als Metallfolie) aufgebracht ist. Weiterhin kann eine Elektrode einen (elektrisch leitfähigen) Kontaktbereich aufweisen, an welchem die Elektrode kontaktiert werden kann, bzw. an welchem eine Spannung angelegt werden kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Metall der Elektrode (bzw. des funktionellen Bereiches) zumindest eines aus der Gruppe, welche besteht aus: Ag, Al, Au, Be, Cr, Cu, Fe, In, Mg, Mo, Ni, Pb, Pd, Pt, Rh, Sb, Sn, Ti, Zn, sowie Legierungen daraus. Legierungsbestandteile unter 2% Gewichtsanteil können auch aus weiteren Metallen bestehen (z.B. Si, As, etc.). Legierungen können zum Beispiel umfassen: Eisenlegierung, Messing, Bronze, Edelstahl, Aluminium, etc. Um z.B. Unverträglichkeiten (beispielsweise Kupfer auf Polymer) zu vermeiden, sind auch Metall-Mehrschichtaufbauten möglich.
  • Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „Dielektrikum“ (bzw. Isolator) insbesondere jedes Material (bzw. Substanz) bezeichnen, in welchem Ladungsträger im Wesentlichen nicht frei beweglich sind. Dadurch ergibt sich eine elektrisch schwach leitende bis nicht leitende Eigenschaft. Ein Dielektrikum kann z.B. ein Polymer, insbesondere ein Elastomer, sein. Ein Dielektrikum kann kein Metall sein. Bezüglich einer dielektrischen Vorrichtung kann das Dielektrikum ein elastisches Dielektrikum, z.B. ein dielektrisches Polymer (DE) sein. Dielektrische Polymere werden zusammen mit piezoelektrischen Polymeren und elektrostriktiven Polymeren auch als elektroaktive Polymere (EAP) bezeichnet.
  • In einem Ausführungsbeispiel wird zum Herstellen eines Dielektrikums Material eines elastischen Polymers (insbesondere Elastomermaterial) in nicht ausgehärteter Form (insbesondere auf eine Elektrode) aufgetragen und dann ausgehärtet, In diesem Dokument können unter dem Begriff „Aushärten“ insbesondere eine Vielzahl von unterschiedlichen Formen einer Materialverfestigung bzw. einer Erhöhung der Materialviskosität verstanden werden. Bei einem Aushärteprozess kann ein Material von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand übergehen, wobei das Material in dem zweiten Zustand fester ist als in dem ersten Zustand. Weiterhin kann die Viskosität des ersten Zustandes deutlich geringer sein als die Viskosität des zweiten Zustandes. Ein Aushärten kann z.B. zumindest einen der folgenden Prozesse umfassen: Vernetzungen, thermische Erstarrungsprozesse, Trocknungsreaktionen, Gelierungsprozesse. In einem Beispiel wird ein nicht-ausgehärtetes, zumindest teilweise flüssiges Elastomermaterial (z.B. in einem Lösungsmittel oder einem Suspensionsmedium) auf eine Elektrode (oder einer Trägerfolie) aufgetragen. Bei einem Aushärten (z.B. durch Trocknung des Lösungsmittels/ Suspensionsmediums und/oder einem Vernetzen des Elastomermaterials, insbesondere einem gezielt gesteuerten Vernetzen z.B. mittels UV-Bestrahlung) kann das Elastomermaterial eine im Wesentlichen festere Form aufweisen und/oder eine höhere Viskosität aufweisen als das nicht-ausgehärtete Elastomermaterial. Insbesondere kann das ausgehärtete Elastomermaterial als Dielektrikum eingesetzt werden.
  • Das Aushärten kann z.B. mittels einer Vernetzungsreaktion und/oder einer Filmbildung durch Abtrocknung aus Lösung und/oder einer Filmbildung durch Abtrocknung aus einer Dispersion durchgeführt werden. Bezüglich der Vernetzung kann diese mit zumindest einem der folgenden Prozesse durchgeführt werden: i) Strahlungsvernetzung (bevorzugt durch UV-Strahlung), ii) Elektronenvernetzung (z.B. durch eine Elektronenstrahlenquelle), iii) thermisch initiierte Radikalvernetzung, iv) thermische Schwefelvernetzung, v) Peroxid-initiierte Radikalvernetzung.
  • Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „Poren“ insbesondere jede Art von Hohlraum innerhalb eines Dielektrikums (bzw. Isolators), insbesondere dem elastischen Polymer des Dielektrikums, bezeichnen. Der Begriff „Poren“ kann einen (diskreten) Hohlraum innerhalb der elastischen Polymermatrix eines Dielektrikums bezeichnen, Hierbei kann der Term „Pore“ gleichbedeutend mit „Blase“ oder „Bubble“ sein. Die Poren können Fluid (insbesondere Luft) gefüllt sein oder luftleer sein. In einem bevorzugten Beispiel weisen die Poren einen Porendurchmesser im mikro-skalinen oder nano-skalinen Bereich auf. Besonders bevorzugt sind die Poren als diskrete Hohlräume ausgestaltet. Dies kann dahingehend verstanden werden, dass die Mehrzahl der Hohlräume nicht koaguliert, sondern dass die Mehrzahl der Poren (durch Material des elastischen Polymers) räumlich voneinander getrennt sind. Bevorzugt sind die Poren nicht Teil eines Schaumstoffs. Der Begriff „Schaumstoff bzw. Schäume“ kann insbesondere bezeichnen, dass offen-zellige Gasblasen in einem Basismaterial vorliegen, wobei zwischen den Gasblasen lediglich dünne Zellwände aus dem Basismaterial vorhanden sind. Diese Gasblasen in Schaumstoff können somit als koagulierend und nicht als diskret bezeichnet werden. Das beschriebene Dielektrikum hingegen besteht bevorzugt aus dem elastischen Polymer Basismaterial, welches vereinzelte Poren enthält, die grossvolumig von dem Basismaterial umkapselt sind (also diskret und nicht koagulierend). Im Vergleich zu Schäumen können sich dadurch völlig verschiedene elektrische und/oder mechanische Eigenschaften ergeben.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Erfindung auf der Idee basieren, dass ein elastisches Dielektrikum (insbesondere für eine dielektrische Vorrichtung) bereitgestellt werden kann, welches eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit aufweist, robust gegen Teilentladungen, und besonders langlebig ist, indem das elastische Polymer des Dielektrikums mit mikro (bzw. nano)-skalinen (i.e. durchschnittlicher Porendurchmesser 50 µm oder weniger) Poren (insbesondere luftgefüllten Gasblasen) versehen wird, welche lediglich einen Teil des Dielektrikum-Volumens benötigen (Gesamtporenvolumen 60% (insbesondere 40%) oder weniger in Bezug zu dem Dielektrikum-Gesamtvolumen).
  • Das Dielektrikum mit dem eigentlich inkompressiblen elastischen Polymer und der beschriebenen Poren-Ausgestaltung zeigt somit (pseudo-) kompressible Eigenschaften bei zugleich hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit. Die mikro (nano)-skalinen Gasblasen können derart im Dielektrikum verteilt sein, dass Feldverzerrungen minimiert werden und zugleich für eine mechanische Beanspruchung ein Verdrängungsraum geschaffen wird. Die Molekülkettenbewegungen des elastischen Polymers können derart reduziert werden, dass eine besonders hohe (Material-) Lebensdauer entsteht.
  • Es hat sich völlig überraschend gezeigt, dass die Kombination von mikro (bzw. nano)-skalinen Poren (bzw. Gasblasen) mit einem deutlich reduzierten Gesamtporenvolumen-Anteil zu einer Ableitung von Krafteinflüssen aufgrund äusserer mechanischer Faktoren (pseudo-kompressibles Verhalten) und gleichzeitig einer minimalen Feldverzerrung zur Sicherstellung einer besonders hohen Spannungsfestigkeit bzw. Durchschlagsfestigkeit führen kann.
  • Das beschriebene Dielektrikum kann mit diesen Eigenschaften besonders vorteilhaft in eine dielektrische Vorrichtung (wie oben beschrieben) eingebaut werden und damit das Bereitstellen von dielektrischen Vorrichtungen mit einem (pseudo-) kompressiblen Dielektrikum ermöglichen, welches dennoch keine grossen Feldverzerrungen zeigt, eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist, und damit vorzeitigen Alterungserscheinungen entgegen wirkt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Poren Fluid-gefüllt (insbesondere Gas-gefüllt, weiter insbesondere Luft-gefüllt). Dies hat den Vorteil, dass das Dielektrikum besonders effiziente (pseudo) kompressible Eigenschaften zeigt. Die Poren können vollständig oder teilweise (z.B. Residualflüssigkeiten neben dem Gas) Gas-gefüllt sein.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Mehrzahl von Poren einen mittleren Porendurchmesser von 20 µm oder weniger (insbesondere 10 µm oder weniger, weiter insbesondere 1 µm oder weniger) auf. Dies hat den Vorteil, dass die Durchschlagsfestigkeit (insbesondere bezüglich Teilentladungen) besonders effizient verbessert werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel macht das Porengesamtvolumen 40% oder weniger (insbesondere 25% oder weniger, weiter insbesondere 12% oder weniger, weiter insbesondere 8% oder weniger) des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums aus. Dies hat den Vorteil, dass das Dielektrikum besonders effiziente und robuste (pseudo-) kompressible Eigenschaften aufweist. Insbesondere kann der Verdrängungsraum damit gezielt auf vorteilhafte Weise begrenzt werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann es sich bei den Poren um (im Wesentlichen) hochgradig geschlossene Poren handeln, so dass kein schneller Gasaustausch mit der Umgebung bei impulsartiger Kompression gegeben ist. Aus diesem Grund kann es sich empfehlen das Porenvolumen als Anteil des Dielektrikums so zu wählen, dass die bei der Kompression erfolgende Druckerhöhung in den Poren optimal in eine dielektrische Vorrichtung hineinpasst. So kann z.B. bei einem Porengesamtvolumen von 10% und einer Auslenkung des Aktors um 5% in der Höhenrichtung der Druck in den Poren auf das Doppelte steigen. Dieser Druckanstieg kann ausreichen, um merkbare Effekte der adiabatischen Kompression zu erleben, was einer Wirkungsgradreduktion durch Erhitzung der Luft in den Poren entspricht. Wenn dielektrische Vorrichtungen langsam oder über längere Zeit im komprimierten Zustand verweilen, kann Wärme an die Umgebung abgegeben werden (und umgekehrt).
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Poren (im Wesentlichen) homogen in dem elastischen Dielektrikum verteilt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat sich gezeigt, dass nebst den erwähnten Massnahmen auch eine homogene Verteilung der Poren vorteilhaft für die Gesamtleistung des Dielektrikums bzw. einer dielektrischen Vorrichtung sein kann. Bevorzugt können während der Herstellung Porenbildungsmechanismen verwendet werden, welche bereits durch ihr Wirkprinzip eine homogene Feinverteilung der Poren fördern oder beinhalten. Ein Beispiel hierfür kann die Einwirkung von hyperbarem CO2 sein, welches dadurch in eine dünne (bevorzugt noch nicht oder noch nicht vollständig vernetzte) Dielektrikum-Schicht (bzw. Polymer Basismaterial) hineindiffundiert und (bevorzugt währen der Vernetzung, damit die Porenbeweglichkeit gering bleibt und keine Porenkoagulation entsteht) dann kontrolliert zu Gasblasen expandiert.
  • Diese beschriebene (hochgradig) homogene Verteilung der Poren kann es dem Dielektrikum erlauben, während mechanischer Belastungen mit minimalen Volumenbewegungen bis zur nächsten Pore zu reagieren. Diese nächste Pore kann ein geeigneter Kompressions- oder Expansionsraum für das durch äussere Kraft in einem Betriebsmodus in Höhenrichtung veränderte Gesamtvolumen bereitgestellt sein. Es wurde erkannt, dass diese hohe Homogenisierung dafür sorgen kann, dass die in einem elastischen Polymer bei dynamischer Beanspruchung aneinander reibenden Molekülketten einen minimalen Reibungsweg erleben. Da jedes Reiben von Molekülketten aneinander die Gefahr von chemischen Veränderungen erhöht (z.B. durch Umorganisation von Molekülketten), kann sich jede mechanische Verformungsbelastung grundsätzlich auf die Lebensdauer auswirken. Insbesondere Belastungen an der Obergrenze der elastischen Dehnbarkeit und hohe Hubzahlen wirken sich lebensdauerreduzierend aus. Dieser Effekt zeigt sich durch den Einsatz des Dielektrikums als Isolator, d.h. beim „unter Spannung stehen“ des Isolators zusätzlich negativ. Durch die Reduktion der Bewegungswege der Molekülketten (weil sich in grosser Nähe die nächste Pore für den Volumenausgleich befindet) erfolgt so eine Verlängerung der Lebensdauer und eine Verbesserung der Alterungsbeständigkeit, insbesondere bei dynamischer Beanspruchung. Der Vorteil kann aber auch bei statischer mechanischer Beanspruchung feststellbar sein. Zusätzlich kann dieser beschriebene Effekt und die verbundenen Zusammenhänge auch für zusammengeknäuelte Molekülketten gelten.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der mittlere Abstand (r) zwischen zumindest 50% (insbesondere zumindest 90%, weiter insbesondere 97%) der Poren der Mehrzahl von Poren größer als die Hälfte des mittleren Durchmessers (d) der Mehrzahl von Poren.
  • In einem anderen Beispiel ist der mittlere Abstand (r) zwischen zumindest 50% (insbesondere zumindest 90%, weiter insbesondere 97%) der Poren der Mehrzahl von Poren größer als der mittlere Durchmesser (d) der Mehrzahl von Poren.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Poren derart in dem elastischen Dielektrikum verteilt, dass 10% oder weniger (insbesondere 1% oder weniger, weiter insbesondere 0,1% oder weniger) der Poren koagulieren.
  • In einem Beispiel hat sich gezeigt, dass die Spannungsfestigkeit bzw. Durchschlagsfestigkeit vor allem von der homogenen Verteilung der Poren abhängen kann. Wenn die Porenerzeugung nicht durch Nuklei entsteht (z.B. hyperbares CO2, welches Prinzip bedingt gleichverteilt in ein noch nicht vernetztes Elastomer eindringt und dadurch implizit eine natürliche Gleichverteilung eingeht), sind Methoden und Mechanismen vorhanden, um eine solche Gleichverteilung vor der Porenbildung zu erreichen (z.B. durch Ultraschall oder Mikrowelle) und dann diese Gleichverteilung bis zur Vernetzung beizubehalten.
  • In einem Beispiel wurde erreicht, dass nur wenige Poren koagulieren, was indirekt ein Massstab für die homogene Verteilung der Poren-bildenden Nuklei sein kann. Somit wurde erreicht, dass weniger als 10%, bei besonderer Sorgfalt sogar weniger als 1%, oder weniger als 0.1%, der Poren koagulieren. Weitere Untersuchungen haben ergeben, dass bei einer derart homogenen Verteilung der mittlere Abstand für 50% der Poren grösser als der mittlere Porendurchmesser sein kann, bei bestimmten Elastomeren gilt dieser Bezug für über 90 % der Poren, und bei besonders ausgeprägten Homogenisierungsmassnahmen für über 97% der Poren.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das elastische Polymer zumindest eines auf aus der Gruppe, welche besteht aus: i) einem Dien-Polymer (insbesondere zumindest einem von Butadien, Isopren, Dimethylbutadien, Halogenbutadien, Cyclopentadien, Cyclooctadien), ii) einem Elastomer mit einer 1,2 und/oder 1,4 Verknüpfung in eis- und/oder trans-Form, iii) einem Copolymer mit einfach ungesättigten Monomeren (insbesondere einem von Styrol, Ethen, Propen, Buten, Acrylnitril, Acrylsäure, Acrylsäureester, Vinylethern, Vinylestern, Vinylhalogeniden), iv) einem thermoplastischen Elastomer (insbesondere einem vernetzten thermoplastischen Elastomer), v) einem Polyadditionselastomer (insbesondere Polyurethan oder einem Silikonelastomer), vi) einem Elastomer, welches nachträglich vernetzt wurde (insbesondere mittels einem aus der Gruppe, welche besteht aus Schwefel, Peroxid, UV-Strahlung, Photoinitiatoren), vii) einem Polymergemisch aus zumindest zwei der oben genannten Elastomere. In einem Beispiel weist das Elastomer Naturkautschuk (NR) oder ein Derivat davon auf. In einem weiteren Beispiel weist das Elastomer Nitril-Butadien-Rubber (NBR) oder ein Derivat davon auf. Diese Ausführungsformen kann den Vorteil haben, dass erprobte Industriematerialien direkt eingesetzt werden können.
  • Es hat sich gezeigt, dass mit folgenden Elastomeren besonders wünschenswerte Ergebnisse erzielt werden können:
    1. 1. Elastomere, welche als Polymerisate von Dienen, wie Butadien, Isopren, Dimethylbutadien, Halogenbutadien, Cyclopentadien, Cyclohexadien, Cyclooctadien usw. vorliegen.
    2. 2. Elastomere, welche in 1,2 und /oder 1,4 Verknüpfung, sowohl in cis und/oder trans- Form vorliegen.
    3. 3. Elastomere, welche als Copolymere mit einfach ungesättigten Monomeren wie:
      • Styrol, Ethen, Propen, Buten, Acrylnitril, Acrylsäure(-estern), Vinylethern, Vinylestern, Vinylhalogeniden etc. vorliegen.
    4. 4. Elastomere, welche einer nachfolgender Vernetzung mittels Schwefel, Peroxid, UV-Licht und Photoinitiatoren und anderen radikalinitiierten Methoden unterworfen wurden. Solche Polymere sind bekannt und als noch unvernetzte Kautschuke (z.B. NR, EPDM, SBR, NBR, HNBR, XNBR, HXNBR, BR, EVA, etc.) einsatzfähig.
    5. 5. Ebenfalls geeignet sind thermoplastische Elastomere (TPEs), die einer nachträglichen Vernetzung zugeführt werden können.
    6. 6. Ferner sind geeignet Polyadditionselastomere wie Polyurethane oder Silikonelastomere nach dem Pt-Additionsverfahren (auch mittels Peroxidvernetzung).
    7. 7. Darüber hinaus sind auch Gemische (Polymerlegierungen) oben genannter Elastomere im Sinne der Erfindung, sowie Elastomermischungen mit hochsiedenden Lösemitteln und „Extendern“ wie Paraffine, Wachse,
  • Kohlensäureester, Weichmacher, usw., soweit sie den generellen Ansprüchen als dielektrische Elastomere entsprechen.
  • Unabhängig davon wurden sehr gute Effekte mit elastischen Dielektrika erreicht, welche auf der Verwendung von Elastomeren mit funktionellen Gruppen, welche die Dielektrizitätskonstante (DEK) entsprechend anheben. Solche sind z.B. Nitrilkautschuk (NBR) und/oder seine Derivate wie HNBR, XNBR, HXNBR. Dabei gilt, dass ein erhöhter Nitril-Anteil die Steifigkeit/Härte erhöhen kann, aber gleichzeitig die DEK steigen lassen kann. Somit kann mit dem beschriebenen Porenanteil diese Steifheitserhöhung kompensiert werden. Zusätzlich bleibt ein homogenes Produkt erhalten, das ohne punktuelle Fremdstoffe, die eine entsprechend ungünstige Feldverzerrung verursachen und durchschlagsfördernd wirken. Die Verwendung von Dielektrika mit funktionellen Gruppen zur Erhöhung der Dielektrizitätskonstante können mit einem erhöhten Vernetzungsgrad einher gehen, wodurch wiederum die Dauerfestigkeit hinsichtlich Alterung, Oxidation und Wärme verbessert wird, auch wenn das Dielektrikum dadurch etwas versteift werden könnte.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das elastische Dielektrikum eine Durchschlagsfestigkeit von 5 kV/mm oder mehr (insbesondere von 12 kV/mm oder mehr, weiter insbesondere von 16 kV/mm oder mehr) auf. Durch die oben beschriebene Wahl bzw. Ausgestaltung der Poren kann die genannte besonders vorteilhafte Durchschlagfestigkeit erreicht werden.
  • Durch die beschriebenen (insbesondere stark vereinsamten (diskreten)) Poren mit einem sehr kleinen Durchmesser kann die Feldinhomogenität im Dielektrikum reduziert werden und es können so sehr hohe Durchschlagsfestigkeiten von über 5 kV/mm, insbesondere über 16 kV/mm erreicht werden. In Folienform können die Durchschlagsfestigkeiten ca. um den Faktor drei höher sein, denn je dünner das Dielektrikum, desto höher kann die Durchschlagsfestigkeit (und die damit verbundene Teilentladung-Problematik) sein.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das elastische Dielektrikum eine Dicke von 100 µm oder weniger (insbesondere 70 µm (50 µm, 40 µm, 20 µm) oder weniger) auf. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das elastische Dielektrikum eine Durchschlagsfestigkeit von 15 V/µm oder mehr (insbesondere 36 V/µm oder mehr, weiter insbesondere 48 V/µm oder mehr) auf. Durch die oben beschriebene Ausgestaltung der Poren kann ebenfalls eine besonders vorteilhafte Durchschlagfestigkeit auch für sehr dünne Dielektrika erreicht werden (welche wiederum besonders vorteilhafte dielektrische Vorrichtungen ermöglichen).
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das elastische Dielektrikum auf: ein Kapazitäts-erhöhendes Additiv (insbesondere ein ferroelektrisches dielektrisches Additiv, welches in Perowskit-Art kristallisiert, weiter insbesondere ein Titanat). Dies hat den Vorteil, dass die Kapazität erhöht werden kann. Die beschriebene Porenausgestaltung kann hierbei einer Verhärtung des Polymers durch das Additiv entgegenwirken.
  • In einem Beispiel kann ein heterogenes Dielektrikum bereitgestellt werden durch Einmischen von Kapazität-vergrössernden Stoffen. Dies können ferroelektrische Dielektrika sein, die in Perowskit (CaTiO3)-Art kristallisieren. Dies sind (Misch-) Oxide von z.B. Ba, Sr, Pb und Titanat (also z.B. BaTiO3). Die Perowskit-Struktur ist ein bekannter Strukturtyp für Verbindungen wie Ferroelektrika. Diese können sehr hart und spezifisch schwer sein, so dass eine Verhärtung des Dielektrikums festgestellt werden kann. Trotz Zumischung von Kapazitäts-erhöhenden Additiven kann aber in einem Beispiel dem Effekt der Härte (und damit einer Erhöhung des Elastizitätsmoduls) mittels der oben beschriebenen Porenausgestaltung des Elastomers entgegengewirkt werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das elastische Dielektrikum auf: ein Fluorpolymer, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE). Dies hat den Vorteil, dass in spezifischen Anwendungen die Gleitfähigkeit und/oder die Rückstellfähigkeit des elastischen Polymers verbessert werden kann.
  • In einem Ausführungsbeispiel wird das Dielektrikum als Isolator in einem elektrischen Kabel (oder z.B. einem Vibrationsdämpfer) verwendet. Für diese Ausführungsvariante(n) wird dem elastischen Polymer bevorzugt ein Fluorpolymer wie PTFE als Additiv beigefügt. Dies kann folgende zusätzliche positive Eigenschaftsveränderungen bewirken: i) verbesserte Gleitfähigkeit zwischen dem Dielektrikum und weiteren Lagen in einem Kabel, ii) eine verbesserte Rückstellfähigkeit im elastischen Polymer bei mechanischer Expansion oder Kompression.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das elastische Dielektrikum (im Wesentlichen) als Integralschaum ausgebildet. Insbesondere weist das elastische Dielektrikum eine (im Wesentlichen) geschlossene äußere Schicht auf. Dies hat den Vorteil, dass das Dielektrikum im Außenbereich (insbesondere bei Einsatz in einer dielektrischen Vorrichtung zwischen zwei Elektroden) gegen Teilentladungen geschützt ist.
  • Als Integralschaum kann z.B. eine Schaumart bezeichnet werden, welche eine geschlossene Aussenhaut (bzw. Außenschicht) aufweist und in der Dichte nach innen abnimmt. Bevorzugt bezieht sich der Begriff „Integralschaum“ in diesem Dokument allerdings auf das Merkmal der Außenschicht und nicht auf die Dichtevariation.
  • In einem Ausführungsbeispiel wird das Dielektrikum analog eines Integralschaums (bezüglich der Außenschicht) ausgestaltet. Dadurch, dass es auf der Oberfläche des Dielektrikums (bzw. des elastischen Polymers) (im Wesentlichen) keine Poren gibt, kann verhindert werden, dass Teilentladungs-Effekte (insbesondere Elmsfeuer) an der Elektrode einer dielektrischen Vorrichtung entstehen. Ein beispielhafter Prozess hierfür wäre „reaction injection moulding“ (RIM). Dabei wird die Poren-freie Zone auf einer tieferen Temperatur gehalten als das restliche Dielektrikum. Durch die tiefere Temperatur findet eine deutlich schwächere Porenbildung statt, was für den erwähnten Effekt der Außenschicht erstaunlicherweise bereits ausreichen kann.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das elastische Dielektrikum entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet, welche eine Ebene aufspannen, und das elastische Dielektrikum ist eingerichtet in einem Betriebsmodus eine Längenänderung in einer Höhenrichtung (z) durchzuführen, welche senkrecht zu den Haupterstreckungsrichtungen (x, y) orientiert ist. Dies hat den Vorteil, dass das beschriebene Dielektrikum auf vorteilhafte Weise als Aktor und/oder Sensor in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das elastische Dielektrikum eingerichtet in einem Betriebsmodus in zumindest einer Raumrichtung eine Längenänderung von 1% oder mehr (insbesondere 3% oder mehr, weiter insbesondere 5% oder mehr) durchzuführen. Ferner ist das elastische Dielektrikum eingerichtet eine Mehrzahl von den Längenänderungen durchzuführen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann mittels der beschriebenen Poren Ausgestaltung (insbesondere auch durch die hohe homogene Verteilung der Poren) neben der Verbesserung der elektrischen Eigenschaften auch eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erreicht werden: die bereits beschriebene, für jedes Elastomermolekül grosse Nähe zur nächsten Pore bei Volumenveränderungskompensation hat noch weitere zusätzliche Effekte: durch die somit reduzierte Bindungsbelastung der Molekülketten kann sich eine gute Rückstellfähigkeit des Elastomers (bzw. dem elastischem Polymer) einstellen. Dies insbesondere auch bei Langzeitwechselbelastungen. Zusätzlich wurde festgestellt, dass die Kriechneigung reduziert werden kann.
  • Diese Reduktion eines mechanischen Ermüdungseffektes kann sich vor allem bei grösseren mechanischen Auslenkungen im Dielektrikum zeigen. So wurden Verbesserungen der erwähnten mechanischen Eigenschaften festgestellt, wenn das Elastomer in zumindest einer Richtung eine Längenänderung von mehr als 1%, bevorzugt mehr als 3%, besonders bevorzugt mehr als 5% erlebt. Auch mechanische Wechselbeanspruchungen können durch die beschriebene Ausgestaltung besser toleriert werden. Es wurde festgestellt, dass das Dielektrikum die erwähnte Längenänderung mehrfach, bei adäquater Auslegung sehr häufig zulässt und gegenüber Vergleichsprodukten konstant bessere mechanische Eigenschaften aufweist.
  • In einem Ausführungsbeispiel wird das Dielektrikum zur Herstellung eines dielektrischen Aktors und/oder eines dielektrischen Sensors (DEAS) verwendet. Insbesondere für DEAS mit hoher dynamischer Belastung hat sich gezeigt, dass sowohl das Alterungsverhalten und die Durchschlagsfestigkeit optimiert werden konnten als auch die Poren zur Aufnahme des im Rahmen der DEAS-Kompression entstehenden Überschussvolumens im elastischen Polymer des Dielektrikums geeignet sind.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das elastische Dielektrikum zur Herstellung eines elektrischen Kabels verwendet, insbesondere welches für hohe Spannungsbelastungen ausgelegt ist und gleichzeitig eine hohe Langzeitlastwechselfestigkeit und/oder eine verbesserte Querschnittsstabilität aufweist. Betreffend Querschnittsstabilität kann durch die Poren das bei einer Biegung verdrängtes oder gedehntes Materialvolumen kompensiert werden. Dadurch kann das Bilden einer Ovalverformung unterdrückt werden.
  • Insbesondere können mit dem elastischen Dielektrikum Litzen und/oder Drähte umhüllt und isoliert werden (insbesondere um daraus Kabel bereitzustellen), welche aufgrund der Komprimierbarkeit des elastischen Dielektrikums eine besonders hohe Flexibilität und Geschmeidigkeit aufweisen.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das elastische Dielektrikum zur Herstellung eines Kondensators verwendet (insbesondere einem Kondensator, welcher akusto-elektrische Eigenschaften aufweist). Durch die Poren kann eine grössere Elastizität erreicht werden, wodurch wiederum die akustische Abstrahlleistung beim Anlegen einer Wechselspannung verbessert werden kann.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das elastische Dielektrikum zur Herstellung eines elektrisch isolierenden Vibrationsdämpfers verwendet. Durch die verbesserten Hochspannungseigenschaften kann sowohl die Spannungsfestigkeit als auch die Langzeitstabilität des entsprechenden Bauteils verbessert werden. Durch die inhärenten Poren (Gasblasen) kann eine Querschnittsveränderung bei mechanischer Belastung reduziert werden.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das elastische Dielektrikum als Isolator in einem elektro-mechanischen System verwendet werden. In einem Beispiel kann sich durch die verbesserten Hochspannungseigenschaften die Bauform bei derartigen Systemen verkleinern lassen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der dielektrischen Vorrichtung ist das zumindest eine elastische Dielektrikum an den beiden benachbarten Elektroden (bzw. nur an einer der beiden benachbarten Elektroden) haftend befestigt. Dies hat den Vorteil, dass die dielektrische Vorrichtung besonders robust und zugleich effizient ausgestaltet werden kann, und dass Teilentladungen vermindert (bzw. unterdrückt) werden können.
  • In einem Beispiel wird das Dielektrikum haftend mit beiden Elektroden in Verbindung gebracht. Diese Haftung ist bevorzugt so stark, dass sie grösser ist als die im Betrieb auftretenden expansiven Kräfte (z.B. externe Belastung bei dielektrischem Sensor oder Abstossungskraft bei dielektrischem Aktor). Dies muss, je nach Anwendungsbereich, nicht besonders stark sein. Dadurch können Abstossungseffekte (die allerdings sehr schwach sein können) bei Aktoren durch gleichartig geladene Elektroden möglich sein, sowie ein entsprechend erweiterter Sensorbereich bei der Verwendung. Des Weiteren kann durch diese Haftung sichergestellt werden, dass keine grossflächigen (z.B. grösser als 100 bis 10000 Quadratmikrometer) Lufteinschlüsse zwischen Elektrode und Dielektrikum existieren, welche Teilentladungs-Probleme verursachen können.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der dielektrischen Vorrichtung ist die maximale Längenänderung der dielektrischen Vorrichtung in einem Betriebsmodus in der Höhenrichtung (z) 20% oder weniger (insbesondere 12% oder weniger, weiter insbesondere 8% oder weniger). Dies hat den überraschenden Vorteil, dass der Wirkungsgrad der dielektrischen Vorrichtung verbessert werden kann.
  • Durch den geringen Gesamtvolumen-Anteil der Poren kann einerseits die Spannungsfestigkeit sichergestellt werden, andererseits aber auch das Volumen begrenzt werden, welches als Verdrängungsraum für die aktivierte (bzw. im Betriebsmodus befindliche) dielektrische Vorrichtung zur Verfügung steht. So hat sich in einem Ausführungsbeispiel gezeigt, dass die dielektrische Vorrichtung maximal 20% Längenänderung in Höhenrichtung vorteilhaft erlebt, dass bei Längenänderungen bis zu 12% der Wirkungsgrad besonders wünschenswert und bei Längenänderungen bis zu 8% der Wirkungsgrad im Wesentlichen optimal sein kann.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Bilden der Mehrzahl von Poren auf: i) Beaufschlagen von (im Wesentlichen) nicht ausgehärtetem (insbesondere nicht vollständig vernetztem) Basismaterial mit einem Fluid (insbesondere CO2) bei vorbestimmtem Druck, und danach ii) Absenken des vorbestimmten Drucks während einem Aushärten (insbesondere Vernetzen) des Basismaterials. Dies hat den Vorteil, dass die beschriebenen Poren besonders effizient mit erprobten und etablierten Verfahren (insbesondere homogen verteilt) bereitgestellt werden können.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Bilden der Mehrzahl von Poren zumindest einen der folgenden Schritte auf: i) Einbringen eines Treibmittels in das Basismaterial, und nachfolgend thermisches Zersetzen des Treibmittels (insbesondere während einer Schwefelvulkanisation oder einer Peroxidvernetzung), ii) Durchführen einer photochemisch aktivierten Peroxidvernetzung derart, dass Sauerstoff abgespalten wird und als porenbildendes Gas wirkt, iii) photochemisches Initiieren einer Azopolymerisation derart, dass Stickstoff abgespalten wird und als porenbildendes Gas wirkt, iv) Generieren von CO2 als porenbildendes Gas (insbesondere unter Verwenden von zumindest einer der folgenden Substanzen: Photoacidgenerator (PAG), Photoacid (PAH), carboxyliertem Nitrilkautschuk, Isocyanat), v) thermisches Zersetzen von Tetrazolen (insbesondere gebildet mittels der Nitrilgruppen von Nitrilkautschuk und Aziden) derart, dass Stickstoff abgespalten wird und als porenbildendes Gas wirkt. Dies hat ebenfalls den Vorteil, dass die beschriebenen Poren besonders effizient mit erprobten und etablierten Verfahren bereitgestellt werden können.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren auf: Initiieren einer gezielten Vernetzung in dem Basismaterial. Insbesondere wobei das Initiieren zumindest eines ist aus der Gruppe, welche besteht aus: i) Strahlungsvernetzen, insbesondere mittels UV-Strahlung, ii) Elektronenvernetzen, insbesondere mittels einer Elektronenstrahlenquelle, iii) thermisch initiiertes Radikalvernetzen, iv) thermisches Schwefelvernetzen, v) Peroxid-initiiertes Radikalvernetzen. Auf diese Weise kann das Vernetzen vorteilhaft beeinflusst bzw. gesteuert werden. Auch können dadurch sehr dünne Schichten (z.B. in dem Bereich ca. 20 bis 150 Mikrometer) effizient aufgebracht werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist das Basismaterial ein Polymergel. Dies kann den Vorteil haben, dass ein elastisches Dielektrikum mit besonders vorteilhaften elastischen Eigenschaften bereitgestellt werden kann.
  • Gele können als viskoelastische Flüssigkeiten definiert werden, die gleichzeitig die Eigenschaften von Festkörpern und Flüssigkeiten haben. Bei den Feststoffen kann es sich um vernetzte Elastomere handeln, die in einem dreidimensionalen Netzwerk eingelagerte Flüssigkeitsanteile haben. Damit ergibt sich für das Elastomernetzwerk die Möglichkeit einer freieren Ausbreitung in die flüssigen Freiräume: Beispielsweise können sich Knäuel auflösen oder entspannen, Verwindungen, Spiralen, Wendel können sich strecken, usw. insgesamt also deutlich leichter bewegen.
  • Damit können Gele der vorliegenden Art besonders geeignet für Aktor und Sensor-Aufgaben sein, da sie die leichte Verformbarkeit von Flüssigkeiten mit der Rückstell-Elastizität der Elastomere verbinden können. Wichtig können hierbei die angeführten hohen Siedepunkte der Flüssigkeiten (z.B. cyclische Carbonate etc.) sein, damit sich das Gleichgewicht, durch Verdampfung, nicht vom Gel zum Elastomer verschiebt.
  • In einer besonderen Ausführungsform können die Gele mit thixotopen Eigenschaften ausgerüstet werden, welche Gele per Scherung (also dielektrischer Belastung) reversibel „flüssiger“, also leichter verformbar, machen.
  • Die nachfolgenden Ausführungsvarianten beziehen sich auf Mechanismen der Porenerzeugung und können sowohl untereinander als auch mit obigen Mechanismen frei kombinierbar sein. Die Aufzählung ist beispielhaft. Wie in nachfolgenden Ausführungsvarianten unten dargestellt, werden die Gase, die die Hohlräume in der Folge füllen, in der Regel durch chemische Reaktionen gebildet.
    1. i) Vollständige, oder in der Regel partielle Drucksättigung, von thermoplastischem (unvernetztem) Elastomer mit Gas (Stickstoff, Kohlendioxid, Edelgase) bei 30 bis 200 bar Druck und nachfolgende rasche Entspannung zur Mikroporenbildung und eine sich unmittelbar anschließende Vernetzung (insbesondere photochemisch).
    2. ii) Thermische Zersetzung von Treibmitteln im Zuge einer bei 150° bis 200° C ablaufenden Schwefelvulkanisation von ungesättigten Elastomeren: NR, NBR, EPDM, SBR etc. Solche Treibmittel (z.B. Azodicarbonamid, Sulfonsäurehydrazide, Nitrosamine, Phenyltetrazol etc.) zersetzen sich, eventuell durch „Kicker“ aktiviert, bei Temperaturen von 120° bis 200° C, also im Bereich der Vulkanisation. Die Gasausbeuten (z.B. N2, CO2) können in der Größenordnung von 120 bis 230 ml/g liegen. Es sind somit zur Erzielung eines Porenvolumens zwischen 8% und 40% Einsatzmengen von 0,5 bis 2 mg Treibmittel/g Elastomer einzubringen, vornehmlich in Form einer Lösung, bevorzugt jenes Lösungsmittel, in dem das unvulkanisierte Elastomer inkl. aller Vernetzungs- und Hilfsstoffen gelöst bzw. dispergiert wurde, um es in entsprechender Schichtstärke auf einen Träger (Förderband, Form, Trägerschicht, aber auch Metallelektrode) aufzubringen (sprühen, rakeln, Siebdruck, gießen...).
    3. iii) Gesättigte Elastomere (z.B. HNBR, auch solche mit Ölen als Extender) sind nicht mit Schwefel, aber mit Peroxid vernetzbar. Hier kann analog Ausführungsbeispiel ii) vorgegangen werden, wobei bei tieferen Temperaturen (100° bis 130° C) gearbeitet wird, Dies erfordert einerseits Treibmittel mit niedriger Zersetzungstemperatur (Sulfohydrazide), ermöglicht gleichzeitig den Einsatz von Natriumbicarbonat, welches in CO2 und H2O (neben Na2CO3) zerfällt. Bei Arbeitstemperaturen > 100°C sind beide Zersetzungsprodukte gasförmig und als Porenbildner brauchbar, zumindest jedoch CO2 (1 g NaHCO3 stellt bis zu 260 ml CO2 zur Verfügung). Die Einsatzmengen können sehr gering sein (unter 2 mg/g Elastomer).
    4. iv) Eine Peroxidvernetzung (sowohl für gesättigte als auch ungesättigte Elastomere) kann auch photochemisch ausgeführt werden. Dies gelingt mit UV-Lichtquellen (Hg-Hochdrucklampen) bzw. LED-Blaulichtquellen, bei moderaten Temperaturen (≥ 0°C). Durch Abstimmung von Peroxiden und UV-Quellen (Wellenlängen) lässt sich eine gleichzeitige Vernetzung mittels Peroxid A und Zersetzung von Peroxid B unter Abspaltung von Sauerstoff als Gaslieferant ausführen. Benzoylperoxid (als Beispiel für Peroxid B) liefert etwa 90 ml O2/g. Somit sind Zusätze von 1-5 mg/g Elastomer einzusetzen.
    5. v) Analog der photochemischen Peroxidvernetzung kann dies auch mit Azopolymerisations-Initiatoren (wie Azo-bis-(isobutyronitril)- AIBN) möglich sein. Auch diese zerfallen unter UV-Einfluss in vernetzende Radikale und N2, welches in situ zur Porenbildung verwendet werden kann, beispielsweise 1 g AIBN liefert 130 bis 140 ml N2. Durch Kombination unterschiedlicher, kommerziell erhältlicher Azonitrile und verwandter Initiatoren lassen sich Vernetzungs- und Zersetzungstemperatur zur N2-Gewinnung in einem weiten Bereich (50 bis 150°C) einstellen.
    6. vi) Kombination von iv) und v) zur wahlweisen Vernetzung mittels Peroxid und/oder Azonitril bzw. Gasgewinnung mittels Peroxid und/oder Azonitril. Gegebenenfalls auch in einer Mehrphasenbestrahlung mittels unterschiedlicher Wellenlängen bzw. unterschiedlicher Temperaturen.
    7. vii) Variation der Ausführungsbeispiele iv), v) und vi) derart, dass Peroxide und/oder Azonitrile lediglich zur Gasgewinnung verwendet werden, während die Vernetzung mit anderen, nicht gasbildenden, Photoinitiatoren erfolgt. Solche (z.B. Alkylhydroxybenzophenone, Polythiole etc.) erlauben eine weitgehende Anpassung an Elastomertyp und Vernetzungsbedingungen.
    8. viii) Photoacidgeneratoren (PAGs) und Photoacide (PAHs) bilden unter UV-Einfluss sogenannte Brönsted- oder Lewis-Säuren. Diese Reaktionsprodukte werden üblicherweise zur kationischen Polymerisation/Härtung von Epoxiden und Vinylethern eingesetzt, sind jedoch zur Vernetzung von Elastomeren, in der Regel nicht geeignet. Erfindungsgemäß lassen sich aber diese Säuren in Kombination mit feinteiligen Carbonaten der Alkali- und Erdalkalimetalle sowie Ammoniumbasen zur Generierung von CO2 verwenden. Die UV-Strahlung, die zu dieser Reaktion benötigt wird, kann aber auch gleichzeitig zu einer Vernetzung und/oder zusätzlichen Porenbildung gemäß Ausführungsbeispielen iv), v), vi), und vii) verwendet werden.
    9. ix) Eine weitere Ausführungsvariante generiert CO2 aus der Kombination von Elastomeren mit (z.B. carboxyliertem Nitrilkautschuk wie XNBR bzw. HXNBR in seiner hydrierten Form) als saure Komponente: Unter Nutzung der Carboxylfunktion wird aus feinteiligen Carbonaten CO2 generiert. Vernetzung mittels Photoreaktionen iv) - viii).
    10. x) In einer weiteren Ausführungsform kann CO2 durch Reaktion von Isocyanaten (R-NCO) mit Wasser unter Bildung von Harnstoffderivaten (2 RNCO + H2O - RNH-CO·NH·R+CO2) generiert werden. Um die unvorteilhafte Einbringung von Wasser in ein Elastomer-Isocyanatgemisch zu vermeiden, wird vorgeschlagen, das benötigte Wasser in situ durch Reaktion von Säure mit Base zu generieren. Dabei wird der Säureteil gemäß Ausführungsbeispiel viii) durch eine Photoreaktion aus PAG generiert. Der Basenanteil wird bevorzugt durch quartäre Ammoniumbasen, vorzugsweise Tetrabutylammoniumhydroxid, beigestellt. Der besondere Vorteil kann in der Löslichkeit dieser Base in organischen Lösungsmitteln liegen, sowie in einer, die Reaktion von Isocyanat mit Wasser katalysierenden, Funktion dieser Verbindung.
    11. xi) Ein weiteres Ausführungsbeispiel geht vom thermischen Zersetzungspotential von Tetrazolen (Bildung von N2) aus. Diese können durch (partiale) Reaktion von Nitrilgruppen aus NBR-Kautschuken (des Dielektrikums) mit Aziden gebildet werden. Die Vernetzung geschieht z.B. thermisch oder photokatalytisch.
    12. xii) Ein weiteres Ausführungsbeispiel benützt nicht vernetzte Elastomere als Dielektrikum, sondern Polymergele, vorzugsweise aus PVDF, HFP etc., in organischen Karbonaten wie Propylencarbonat und benützt Photo-Reaktionen laut Beispielen iv) bis viii) oder Isocyanatreaktion zur Gas- bzw. Porenbildung im Zuge des Gelierungsprozesses.
  • Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Figuren detailliert beschrieben.
    • 1a, 1b, und 1c zeigen jeweils eine dielektrische Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 1d zeigt eine dielektrische Vorrichtung als Stapelaktor/sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 2 zeigt ein elastisches Dielektrikum, welches eine Mehrzahl von Poren aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Bevor die Figuren detailliert beschrieben werden, werden im Folgenden nochmals einige exemplarische Ausführungsbeispiele zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens diskutiert.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel soll einerseits für das gestauchte oder expandierte elastische Dielektrikum ein entsprechender Raum geschaffen werden, so dass diese Bewegungen ohne wesentliche seitliche Volumenänderungen in x- oder y-Richtung möglich sind. Andererseits soll die elektrische Feldproblematik von Gasblasen minimiert werden. Für kleine Poren kann die Feldstörung (bzw- Feldverzerrung) kleiner (mehr als nur linear kleiner) als bei grösseren Poren sein. Basierend auf den vorhandenen Rechnungsmodellen lässt sich sagen, dass die Kapazitätsveränderungen durch die Poren mit dem Quadrat des Radius einer Pore einhergehen. Dies erlaubt es für jeden Einsatzbereich durch Wahl der mittleren (oder maximalen) Porendurchmesser eine für diesen Einsatzbereich passende Teilentladung festzulegen. Eine Teilentladung ist zwar nicht wünschenswert, aber es hat sich erstaunlicherweise gezeigt, dass es für das Gestalten eines Teilentladung-Verhaltens keine nano-skalinen Poren benötigt, sondern dass bereits mikroskaline Poren die Problematik der Teilentladungen derart entschärfen, dass ein Einsatz als dielektrische Vorrichtung (z.B. DEA) effizient ermöglicht ist.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel steigt bei einem Porendurchmesser von unter 100 Mikrometern der Teilentladung-Einsatz auf über 15 kV/mm. Dies bedeutet, dass sich in der weiteren Verkleinerung der Poren (z.B. 20 statt 100 Mikrometer, also 1/5 des Radius, somit 1/25 der Problematik, so dass der Teilentladung-Startbereich sich theoretisch über den Durschlagwert des eigentlichen Basismaterials des Dielektrikums verschiebt) die Teilentladung-Problematik von selbst „herausrechnen“ kann. Damit ist eventuell keine Erhöhung der Durchschlagsspannung gegenüber dem Wert ohne Poren zu erreichen, denn jedes Einfügen von Mikro- oder Nanoporen kann eine Störung des Feldes darstellen (und reduziert damit die Durchschlagsspannung, sowie erhöht die Teilentladung-Neigung), aber der störende Einfluss der Poren bezüglich des Feldes kann vernachlässigbar werden.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann durch Einfügen von Poren in ein elastisches Polymer Basismaterial der Elastizitätsmodul des Polymers verringert werden. Dadurch wird das Basismaterial elastischer. Hierbei können die beschriebenen Poren als „Verdünner“ wirken, was sich in einer Vergrösserung der Auslenkung (bzw. des Aktorweges (unter Reduktion der Aktorkraft)) einer dielektrischen Vorrichtung zeigt.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein spezielles Merkmal ein geringer Expansionsgrad in der Porenbildung. In der Regel zielen bekannte Verfahren auf die Generierung von Schaumstoffen zu Isolier-und dämpfungszwecken ab, also auf ein besonders niedriges Schaumgewicht. Im vorliegenden Fall handelt es sich aber nicht um „Schaumstoff“ (Poren untereinander, in der Regel nur durch Zellmembranen getrennt, zumeist sogar untereinander verbunden), sondern um ein elastisches Material mit diskreten (nicht koagulierten) Poren und damit völlig anderen relevanten mechanischen und elektrischen Eigenschaften.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel werden unter dem Begriff „Poren“ diskrete, gasgefüllte Hohlräume innerhalb einer Elastomermatrix verstanden. Diskret deshalb, weil nach Möglichkeit der Kontakt einzelner Poren zueinander vermieden werden muss/soll, da ansonsten die Tendenz zum Kollaps und somit zu einer zumindest Verdoppelung des Hohlraumvolumens besteht. Diese würde im völligen Gegensatz zur gewünschten Teilentladung-Einsatzfeldstärke stehen und diese limitieren. Im Sinne einer angestrebten Minimalschichtstärke des elastischen Dielektrikums von < 50 µm, insbesondere 20 µm, sollen die Hohlräume, um diskret zu bleiben, nicht mehr als 40% des Dielektrikum-Gesamtvolumens, bevorzugt < 25%, noch mehr bevorzugt < 12% ausmachen. Daraus ergibt sich ein bevorzugter Hohlraumdurchmesser von < 5 µm.
  • Im Folgenden ist eine Beispielsrechnung, idealisiert zur Grössenabschätzung, gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel gezeigt:
    Ein Dielektrikum mit 50 µm Dicke (h) enthält näherungsweise (bei der Annahme, dass der Porendurchmesser in etwa dem Porenabstand entspricht) folgende Porenanzahl, um eine diskrete Porenverteilung sicher zu stellen:
    Poren Ø µm Anzahl pro Schichtstärke (h) Anzahl per Dimension (I+b) Anzahl per cm2 Elastomerbahn
    20 1 250 63.000
    8 3 625 1.172.000
    6 4 833 2.276.000
    3 8 1667 22.731.000
    1 (1000nm) 24 5000 600.000.000
  • Die Gase, welche die Hohlräume füllen, werden in der Regel durch chemische Reaktionen gebildet. Demgemäß gilt die Avogadro Regel, der zufolge 1 mol eines Gases 22,4 I Volumen entspricht bzw. 1 mmol 22,4 ml und 1 µmol 22,4 µl.
  • Modellhaft wird die CO2-Bildung durch Ansäuern von CaCO3, zur Abschätzung relevanter Fertigungsparameter herangezogen:
    • CaCO3: Molgewicht 100,1; s = 2,71; ergibt 22,4 I CO2/mol,
      • 1 Würfel von 1 cm Seitenlänge wiegt 2,71 g,
      • 1 Kugel von 1 cm Ø wiegt 1,41 g,
      • 100,1 g CaCO3 ergeben 22,4 I Gas (CO2),
      • 100,1 mg CaCO3 ergeben 22,4 ml Gas,
      • 2,71 mg (Kubus 1 mm s) ergibt 0,61 ml Gas = 610 mm2 = Pore mit 8,5 mm Ø,
      • 1,41 mg (Kugel 1 mm Ø) ergibt 0,32 ml Gas = 320 mm3 = Pore mit 6,9 mm Ø.
  • Es entsteht somit aus sphärischem CaCO3 eine etwa 7 x so große Pore (bzw. Gasblase). Ferner entsteht aus kubischem CaCO3 eine etwa 8,5 x so große Pore.
  • Feststoffe (wie z.B. CaCO3) lassen sich durch mechanische Zerkleinerung (Prallmühle) oder Fällung mit einer minimalen Feinheit von 30 nm bis 80 nm Partikelgröße herstellen, d.h. es lassen sich daraus, laut obiger Näherung, Porendurchmesser von etwa > 250 bis 700 nm realisieren. Von Bedeutung ist allerdings die Notwendigkeit einer entsprechenden Verteilung innerhalb der Gesamtrezeptur, insbesondere deshalb, weil nanofeine Partikel sich in der Regel zu größeren Agglomeraten zusammenschließen. Dies kann gelingen durch Anwendung entsprechender Scherkräfte, z.B. unter Mitwirkung von Ultraschall.
  • Weitere Möglichkeiten zur Porenbildung beruhen auf Reaktionen, die von gelösten Reagenzien ausgehen, somit eine noch wesentlich feinere Porenstruktur ermöglichen. Um einen Porengesamtvolumen-Anteil von 8 bis 40% zu realisieren, wären (beispielsgerecht) also etwa folgende Mengen kubischem CaCO3-Feinstpulver nötig:
    • 8% 0,08 ml Gas entspricht 0,3 - 0,4 mg/g Elastomer,
    • 40% 0,40 ml Gas entspricht 1,5 - 2,0 mg/g Elastomer.
  • Bei diesen Mengen ist mit keinen Änderungen der weiteren chemischen, physikalischen oder mechanischen Eigenschaften des Elastomers zu rechnen, ausser der durch die Poren erzeugte Veränderung der Elastizität.
  • Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
  • 1a zeigt eine dielektrische Vorrichtung 100, welche als ein dielektrischer Aktor (DEA), ein dielektrischer Sensor (DES) oder eine Mischform (DEAS) verwendet werden kann. Die Vorrichtung 100 weist eine erste Elektrode 110 und eine zweite Elektrode 120 auf, wobei die zweite Elektrode 120 gegenüber der ersten Elektrode 110 angeordnet ist. Weiterhin weist die Vorrichtung 100 ein elastisches Dielektrikum 130 auf, welches zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 angeordnet ist. Die Elektroden 110, 120 weisen jeweils einen Kontaktbereich 114 auf, welcher aus elektrisch leitfähigem Material besteht und über welchen die Elektroden 110, 120 kontaktiert werden kann, bzw. über welchen eine Spannung U angelegt werden kann. Die zweite Elektrode 120 stellt hierbei die Gegenelektrode zur ersten Elektrode 110 dar. Jede der beiden Elektroden 110, 120 wird separat elektrisch kontaktiert, so dass ein elektrisches Feld mittels der Elektroden 110, 120 erzeugt werden kann. In dem gezeigten Beispiel ist keine Spannung angelegt (0 Volt), so dass sich die dielektrische Vorrichtung 100 nicht in einem Betriebsmodus befindet.
  • Jede der beiden Elektroden 110, 120 weist einen funktionellen Bereich 112 auf, welcher ein elektrisch leitfähiges Metall aufweist. Der funktionelle Bereich 112 ist Platten-förmig ausgebildet und erstreckt sich somit entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen x, y, wobei der funktionelle Bereich 112 eine Bereichsebene E aufspannt. In dem gezeigten Beispiel macht der funktionelle Bereich 112 die ganze Elektrodenplatte 110 aus. In anderen Ausführungsbeispielen weist die Elektrode 110 ein (isolierendes) Trägermaterial auf, auf welchem dann der funktionelle Bereich 112 angeordnet ist (z.B. aufgedampft).
  • 1b zeigt die dielektrische Vorrichtung 100 gemäß 1a, wobei die Elektroden 110, 120 elektrisch an den jeweiligen Kontaktbereichen 114 kontaktiert wurden. In dem gezeigten Beispiel ist eine Spannung von 1 kV an den Elektroden 110, 120 angelegt, so dass sich die dielektrische Vorrichtung 100 in einem Betriebsmodus befindet. Die erste Elektrode 110 bildet nun einen Pluspol und die zweite Elektrode 120 (Gegenelektrode) bildet den Minuspol. Diese elektrische Kontaktierung führt dazu, dass sich die positiv geladene erste Elektrode 110 und die negativ geladene zweite Elektrode 120 gegenseitig anziehen und sich räumlich aufeinander zubewegen. Wenn das Dielektrikum 130, welches zwischen erster Elektrode 110 und zweiter Elektrode 120 angeordnet ist, als ein elastisches Dielektrikum (z.B. als Elastomer) ausgebildet ist, so wird es aufgrund seiner Inkompressibilität zu den Seiten der dielektrischen Vorrichtung 100 teilweise herausgepresst.
  • 1c zeigt das prinzipielle Funktionsprinzip der dielektrische Vorrichtung 100 (wie schon für die 1a und 1b oben beschrieben) als dielektrischer Aktor oder Sensor. Wird eine Spannung U an die Elektroden 110, 120 angelegt, so bewegen sich die Elektrodenplatten aufeinander zu. Dies erzeugt wiederum einen Druck P auf das Dielektrikum 130, welches zwischen den Elektroden 110, 120 angeordnet ist. Wenn das Dielektrikum 130 als Elastomer ausgebildet ist, so ist es im Wesentlichen inkompressibel und wird durch den Druck von oben (z+) und von unten (z-) zu einer Flächenausdehnung gezwungen. Die Flächenausdehnung (siehe die nach außen weisenden Bewegungspfeile) findet entlang der beiden Haupterstreckungsrichtungen x, y der Elektroden 110, 120 statt.
  • 1d zeigt eine Mehrzahl von dielektrischen Vorrichtungen 100 gemäß den 1a bis 1c, welche in Form eines Stapelaktors (oder Stapelsensors) bzw. eines Stapelsystems angeordnet sind. Hierbei werden die einzelnen dielektrischen Vorrichtungen 100 in Höhenrichtung (z) übereinander zu einer dielektrischen Vorrichtung 100 aus multiplen Einheiten gestapelt. Unter der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 (zwischen welchen das erste Dielektrikum 130 angeordnet ist) ist nun eine dritte Elektrode 121 angeordnet, welche der zweiten Elektrode 120 gegenüberliegend angeordnet ist.
  • Entsprechend ist ein zweites elastisches Dielektrikum 131 zwischen der dritten Elektrode 121 und der zweiten Elektrode 120 angeordnet. Diese Anordnung lässt sich weiter fortsetzen mittels einer vierten Elektrode und einem dritten Dielektrikum etc. Die erste Elektrode 110 und die dritte Elektrode 121 sind an ihren Kontaktbereichen 114 über einen Bonddraht elektrisch leitfähig verbunden.
  • Die zweite Elektrode 120 (und dann die vierte Elektrode etc.) stellen in diesem Fall die Gegenelektroden 160 dar, wobei wiederum die Gegenelektroden 160 untereinander (z.B. mittels Bonddrähten) an ihren Kontaktbereichen 114 elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. In weiteren Ausführungsformen können auch mehrere solcher Stapel nebeneinander angeordnet und gemeinsam genutzt werden.
  • 2 zeigt ein elastisches Dielektrikum 130 (bzw. einen elektrischen Isolator), welches ein elastisches Polymer 190 aufweist. In dem Polymer 190 ist eine Mehrzahl von Poren 180 gebildet. Die Poren 180 sind hierbei mit Luft gefüllt, wobei die Luft aus den Poren 180 im Wesentlichen nicht entweichen kann. Das elastische Dielektrikum 130 ist im Wesentlichen als Integralschaum ausgebildet und weist somit eine geschlossene (Luft-undurchlässige) äußere Schicht 191 auf.
  • Jede Pore 180 weist einen Porendurchmesser d auf. Die Poren sind sehr klein und die Porendurchmesser d befinden sich im mikro-skalinen Bereich. Aus der Mehrzahl von Porendurchmessern d kann ein mittlerer Porendurchmesser der Mehrzahl von Poren 180 berechnet werden. Dieser mittlere Porendurchmesser beträgt 50 µm oder weniger.
  • Weiterhin nehmen die Poren 180 nur einen (geringen) Teil des Dielektrikums 130 (bzw. des elastischen Polymers 190) in Anspruch. Jede Pore 180 weist ein Porenvolumen auf und aus der Mehrzahl der Porenvolumina der Poren 180 kann ein Porengesamtvolumen errechnet werden (z.B. durch Addition). Dieses Porengesamtvolumen beträgt 60% oder weniger (insbesondere 8% oder weniger) des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums 130 (bzw. des Gesamtvolumens des elastischen Polymers 190).
  • In dem elastischen Dielektrikum 130 sind die Poren 180 im Wesentlichen homogen verteilt, so dass weniger als 10% (insbesondere weniger als 0,1%) der Poren 180 koagulieren. Die Poren 180 sind untereinander durch einen jeweiligen Porenabstand r voneinander getrennt. Über die Mehrzahl von Poren 180 kann ein mittlerer Porenabstand aus den einzelnen Porenabständen r errechnet werden. Dieser mittlere Porenabstand ist für zumindest 50% (insbesondere zumindest 97%) der Poren größer als die Hälfte des mittleren Durchmessers der Mehrzahl von Poren (oder größer als der mittlere Durchmesser der Mehrzahl von Poren).
  • Das elastische Dielektrikum 130 weist eine besonders hohe Durchschlagsfestigkeit von 5 kV/mm oder mehr (insbesondere von 16 kV/mm oder mehr) auf. Bevorzugt ist das elastische Dielektrikum 130 sehr dünn ausgestaltet mit einer Dicke von 100 µm oder weniger. Bei dieser besonders geringen Dicke weist das elastische Dielektrikum 130 eine Durchschlagsfestigkeit von 15 V/µm oder mehr (insbesondere 48 V/µm oder mehr) auf.
    Ferner ist das elastische Dielektrikum 130 entlang der zwei Haupterstreckungsrichtungen x und y ausgebildet, welche eine Ebene aufspannen. Das elastische Dielektrikum 130 ist eingerichtet in einem Betriebsmodus eine Längenänderung (bzw. Auslenkung) in einer Höhenrichtung z durchzuführen, welche senkrecht zu den Haupterstreckungsrichtungen x, y orientiert ist.
  • Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Dielektrische Vorrichtung
    110
    Erste Elektrode, Metallfolie
    112
    Funktioneller (elektrisch leitfähiger) Bereich
    114
    Kontaktbereich
    120
    Zweite Elektrode
    121
    Dritte Elektrode
    130
    (Erstes) Dielektrikum
    131
    Zweites Dielektrikum
    150
    Strukturierung
    160
    Gegenelektrode
    180
    Pore
    190
    Elastisches Polymer/Basismaterial
    191
    Äussere Schicht
    d
    Porendurchmesser
    E
    Bereichsebene
    P
    Druck
    r
    Porenabstand
    U
    Spannung
    X, Y
    Haupterstreckungsrichtungen
    Z
    Höhenrichtung

Claims (23)

  1. Ein elastisches Dielektrikum (130), welches ein elastisches Polymer (190) und eine Mehrzahl von Poren (180) aufweist, wobei die Mehrzahl von Poren (180) einen mittleren Porendurchmesser (d) von 50 µm oder weniger aufweist, und wobei die Mehrzahl von Poren (180) ein Porengesamtvolumen aufweist, welches 60% oder weniger des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums (130) ausmacht.
  2. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß Anspruch 1, wobei die Poren (180) Fluid-gefüllt, insbesondere Luft-gefüllt, sind.
  3. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Mehrzahl von Poren (180) einen mittleren Porendurchmesser (d) von 20 µm oder weniger, insbesondere 10 µm oder weniger, weiter insbesondere 1 µm oder weniger, aufweist.
  4. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Porengesamtvolumen 40% oder weniger, insbesondere 25% oder weniger, weiter insbesondere 12% oder weniger, weiter insbesondere 8% oder weniger, des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums (130) ausmacht.
  5. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Poren (180) im Wesentlichen homogen in dem elastischen Dielektrikum (130) verteilt sind.
  6. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß Anspruch 5, wobei der mittlere Abstand (r) zwischen zumindest 50%, insbesondere zumindest 90%, weiter insbesondere 97%, der Poren (180) der Mehrzahl von Poren (180) größer ist als die Hälfte des mittleren Durchmessers (d) der Mehrzahl von Poren (180) oder größer ist als der mittlere Durchmesser (d) der Mehrzahl von Poren (180); und/oder wobei die Poren (180) derart in dem elastischen Dielektrikum (130) verteilt sind, dass 10% oder weniger, insbesondere 1% oder weniger, weiter insbesondere 0,1% oder weniger, der Poren (180) koagulieren.
  7. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Polymer (190) zumindest eines aufweist aus der Gruppe, welche besteht aus: einem Dien-Polymer, insbesondere zumindest einem von Butadien, Isopren, Dimethylbutadien, Halogenbutadien, Cyclopentadien, Cyclooctadien; einem Elastomer mit einer 1,2 und/oder 1,4 Verknüpfung in eis- und/oder trans-Form; einem Copolymer mit einfach ungesättigten Monomeren, insbesondere einem von Styrol, Ethen, Propen, Buten, Acrylnitril, Acrylsäure, Acrylsäureester, Vinylethern, Vinylestern, Vinylhalogeniden; einem thermoplastischen Elastomer, insbesondere einem vernetzten thermoplastischen Elastomer, einem Polyadditionselastomer, insbesondere Polyurethan oder einem Silikonelastomer; einem Elastomer, welches nachträglich vernetzt wurde, insbesondere mittels einem aus der Gruppe, welche besteht aus Schwefel, Peroxid, UV-Strahlung, Photoinitiatoren; einem Polymergemisch aus zumindest zwei der oben genannten Elastomere.
  8. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Dielektrikum (130) eine Durchschlagsfestigkeit von 5 kV/mm oder mehr, insbesondere von 12 kV/mm oder mehr, weiter insbesondere von 16 kV/mm oder mehr, aufweist.
  9. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Dielektrikum (130) eine Dicke von 100 µm oder weniger aufweist; und wobei das elastische Dielektrikum eine Durchschlagsfestigkeit von 15 V/µm oder mehr, insbesondere 36 V/µm oder mehr, weiter insbesondere 48 V/µm oder mehr, aufweist.
  10. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Dielektrikum (130) zumindest eines der folgenden Additive aufweist: ein Kapazitäts-erhöhendes Additiv, insbesondere ein ferroelektrisches dielektrisches Additiv, welches in Perowskit-Art kristallisiert, weiter insbesondere ein Titanat; ein Fluorpolymer, insbesondere Polytetrafluorethylen, PTFE.
  11. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Dielektrikum (130) im Wesentlichen als Integralschaum ausgebildet ist, insbesondere wobei das elastische Dielektrikum (130) eine im Wesentlichen geschlossene äußere Schicht (191) aufweist.
  12. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Dielektrikum (130) entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist, welche eine Ebene aufspannen, und wobei das elastische Dielektrikum (130) eingerichtet ist in einem Betriebsmodus eine Längenänderung in einer Höhenrichtung (z) durchzuführen, welche senkrecht zu den Haupterstreckungsrichtungen (x, y) orientiert ist.
  13. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Dielektrikum (130) eingerichtet ist in einem Betriebsmodus in zumindest einer Raumrichtung eine Längenänderung von 1% oder mehr, insbesondere 3% oder mehr, weiter insbesondere 5% oder mehr, durchzuführen, insbesondere wobei das elastische Dielektrikum (130) eingerichtet ist eine Mehrzahl von den Längenänderungen durchzuführen.
  14. Verwenden eines elastischen Dielektrikums (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13 in zumindest einem aus der Gruppe, welche besteht aus: einer dielektrischen Vorrichtung, insbesondere einem dielektrischen Sensor und/oder einem dielektrischen Aktor, einem Kabel, einem Kondensator, einem Vibrationsdämpfer, einem elektromechanischen System.
  15. Eine dielektrische Vorrichtung (100), insbesondere ein dielektrischer Aktor und/oder ein dielektrischer Sensor, welche aufweist: eine Mehrzahl von Elektroden (110, 120, 121), welche jeweils haben: einen funktionellen Bereich (112), welcher entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine erste Ebene aufspannt; und eine Mehrzahl von elastischen Dielektrika (130, 131), wobei jedes Dielektrikum (130, 131) entlang der zwei Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine zweite Ebene aufspannt; wobei die Elektroden (110, 120, 121) und die elastischen Dielektrika (130, 131) alternierend angeordnet sind; und wobei zumindest ein Dielektrikum der Mehrzahl von elastischen Dielektrika (130, 131) ein elastisches Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 13 ist.
  16. Die dielektrische Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 15, wobei das zumindest eine elastische Dielektrikum (130) an den beiden benachbarten Elektroden (110, 120) haftend befestigt ist.
  17. Die dielektrische Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei die maximale Längenänderung der dielektrischen Vorrichtung (100) in einem Betriebsmodus in der Höhenrichtung (z) 20% oder weniger, insbesondere 12% oder weniger, weiter insbesondere 8% oder weniger, ist.
  18. Ein Verfahren zum Herstellen eines elastischen Dielektrikums (130), insbesondere für eine dielektrische Vorrichtung, weiter insbesondere einem dielektrischen Aktor und/oder Sensor, das Verfahren aufweisend: Bereitstellen eines, insbesondere elastischen, Polymers als Basismaterial (190); Bilden einer Mehrzahl von Poren (180) in dem Basismaterial (190) derart, dass die Mehrzahl von Poren (180) einen mittleren Porendurchmesser (d) von 50 µm oder weniger aufweist, und das Gesamtporenvolumen der Mehrzahl von Poren (180) 60% oder weniger des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums (130) ausmacht.
  19. Das Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Bilden der Mehrzahl von Poren (180) aufweist: Beaufschlagen von im Wesentlichen nicht ausgehärtetem, insbesondere nicht vollständig vernetztem, Basismaterial (190) mit einem Fluid, insbesondere CO2, bei vorbestimmtem Druck; und danach Absenken des vorbestimmten Drucks während einem Aushärten, insbesondere Vernetzen, des Basismaterials (190).
  20. Das Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei das Bilden der Mehrzahl von Poren (180) zumindest einen der folgenden Schritte aufweist: Einbringen eines Treibmittels in das Basismaterial (190), und nachfolgend thermisches Zersetzen des Treibmittels, insbesondere während einer Schwefelvulkanisation oder einer Peroxidvernetzung; Durchführen einer photochemisch aktivierten Peroxidvernetzung derart, dass Sauerstoff abgespalten wird und als porenbildendes Gas wirkt; photochemisches Initiieren einer Azopolymerisation derart, dass Stickstoff abgespalten wird und als porenbildendes Gas wirkt; Generieren von CO2 als porenbildendes Gas, insbesondere unter Verwenden von zumindest einer der folgenden Substanzen: Photoacidgenerator, PAG, Photoacid, PAH, carboxyliertem Nitrilkautschuk, Isocyanat. thermisches Zersetzen von Tetrazolen, insbesondere gebildet mittels der Nitrilgruppen von Nitrilkautschuk und Aziden, derart, dass Stickstoff abgespalten wird und als porenbildendes Gas wirkt.
  21. Das Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 18 bis 20, wobei das Verfahren aufweist: Initiieren einer gezielten Vernetzung in dem Basismaterial (190), insbesondere wobei das Initiieren zumindest eines ist aus der Gruppe, welche besteht aus: Strahlungsvernetzen, insbesondere mittels UV-Strahlung; Elektronenvernetzen, insbesondere mittels einer Elektronenstrahlenquelle; thermisch initiiertes Radikalvernetzen; thermisches Schwefelvernetzen; Peroxid-initiiertes Radikalvernetzen.
  22. Das Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 18 bis 21, wobei das Basismaterial (190) ein Polymergel ist.
  23. Verwenden eines elektrischen Isolators, welcher ein elastisches Polymer (190) hat, welches eine Mehrzahl von Gasblasen (180) aufweist, deren mittlerer Porendurchmesser (d) 20 µm oder weniger beträgt und deren Gesamtporenvolumen 40% oder weniger des Gesamtvolumens des elektrischen Isolators ausmacht, als Dielektrikum (130) in einem dielektrischen Aktor und/oder dielektrischen Sensor (100).
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