Prakt. Met. Sonderband 38 (2006) 325
ildung in Dieser Faktor hängt bei den PTC Keramiken stark von der Kristallstruktur ab: in der
adungen Hochtemperaturphase ist er etwa 4 mal hoéher (~ 3 MPa/K) als in der Niedertem-
Dadurch peraturphase (~ 0,7 MPa/K). Daher tragen Temperaturunterschiede uber der Curietempe-
1, 2]. In ratur (hier etwa bei 130 °C) viel stärker zu der Entstehung von Wärmespannungen bei, als
is zu 7 Unterschiede unter der Curietemperatur. Im Hochtemperaturbereich können bereits Tem-
peraturunterschiede von etwa 30 °C zur Bildung von Thermoschockrissen [9] und damit
5 20 mm auch zur Zerstörung der Bauteile führen (Festigkeit um 100 MPa).
mit einer
Zlektrode
g kommt Temperaturfeld 1. Hauptnormalspannung
3sonders hohe 04
lu über
. Bauteil.
pplungs-
jene) die
nd damit 01 max
1 Schalt-
ene des rs .
rschiede 160 165 170 175 180 185 190[°C] -10 -3 5 13 20 28 35 (MPa)
armische
Bild 2: Querschnitt durch ein zylindrisches PTC-Bauteil. Gezeigt werden Ergebnisse von (FE) Modell-
rechnungen für ein homogenes Bauteil. Die linke Seite zeigt die Temperaturverteilung beim Schaltprozeß
und die rechte Seite die daraus resultierende Spannungsverteilung. Die Randbedingungen sind: Angelegte
Spannung 550 V, Widerstand des Verbrauchers 40 ©. Dauer des Gleichstrom- Spannungspulses 1 s [15].
Die maximalen Zugspannungen im Bauteil (Bild 2. rechts) treten am Äquator auf.
Sie resultieren aus der starken Aufheizung der Mittelebene des Bauteils und der durch die
Dehnungsbehinderung verursachten Verbiegung der Mantelfläche. Hohe Zugspannungen
gibt es auch in der Mitte der Deckflächen des Zylinders. Diese sind eine Folge der starken
Kühlung der Keramik in diesem Bereich durch den Wärmeabfluß in das Lot und den Draht.
Die kühleren Bereiche werden durch die wärmere Umgebung unter Zug gesetzt.
In der Literatur wurde das Versagen von PTC-Bauteilen erstmals in einer Arbeit von
Dewitte et al. [10] beschrieben und die Bauteilbeanspruchungen ausgehend von den
Maxwellgleichungen und der Wärmeleitungsgleichung, aber unter Vernachlässigung des
Varistoreffektes berechnet. Supancic hat ein 3D FE Modell zur Berechnung des
Temperatur- und Spannungsfeldes in den Bauteilen entwickelt, das auch den Varistor-
0 250 effekt berücksichtigt [11-15]. Damit ist erstmals eine quantitative Beschreibung der
Beanspruchung eines PTC-Bauteiles gelungen.
Die im Bild 2 gezeigten Temperatur- und Spannungsfelder sind für den Schaltpro-
=A1-2) (b) zeß von homogenen Bauteilen typisch (makroskopische Beanspruchung). Der exakte
Verlauf der Felder und die maximalen Werte der Beanspruchung hängen aber sehr
tur sensibel von den Randbedingungen und den Materialeigenschaften des Thermistors ab. In
folgenden wird gezeigt, daß auch Gefügedefekte einen wesentlichen Einfluß auf die lokale
und zu Beanspruchung haben (sowohl mechanisch als auch elektrisch) und damit ein Versagen
en vom auslösen können.
anten, E
linearen
n PTC-
