DE102010002447A1

DE102010002447A1 - Klebstoff mit anisotroper elektrischer Leitfähigkeit sowie Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung

Info

Publication number: DE102010002447A1
Application number: DE102010002447A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Buschhorn Samuel
Original assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2011-09-01
Also published as: CN102933676A; EP2566926A1; WO2011104370A1; JP2013520544A; US20130076371A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrisch leitfähigen Klebstoff, umfassend einen adhäsiv wirksamen, aushärtbaren und elektrisch nicht leitfähigen Matrixwerkstoff und eine in dem Matrixwerkstoff verteilte Phase aus elektrisch leitfähigen Kohlenstoffnanoröhrchen. Erfindungsgemäß liegen die Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Vielzahl einzelner Makrostrukturen vor und jede Makrostruktur besteht aus einer Vielzahl agglomerierter und einen elektrischen Kontakt untereinander ausbildender Kohlenstoffnanoröhrchen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrisch leitfähigen Klebstoffs und ein Verfahren zum elektrisch leitfähigen Verkleben von zwei Bauteilen sowie zur Überprüfung der Qualität einer solcherart ausgebildeten Klebeverbindung.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrisch leitfähigen Klebstoff, umfassend einen adhäsiv wirksamen, aushärtbaren und elektrisch nicht leitfähigen Matrixwerkstoff und eine in dem Matrixwerkstoff verteilte Phase aus elektrisch leitfähigen Kohlenstoffnanoröhrchen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrisch leitfähigen Klebstoffs und ein Verfahren zum elektrisch leitfähigen Verkleben von zwei Bauteilen sowie zur Überprüfung der Qualität einer solcherart ausgebildeten Klebeverbindung.
Elektrisch leitfähige Klebstoffe werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Eine solche Anwendung ist beispielsweise die Verklebung von zwei Leiterplatten, auf denen mehrere einzelne leitfähige Strukturen jeweils ausgebildet sind und diese leitfähigen Strukturen miteinander über den Klebespalt in einen elektrischen Kontakt gebracht werden sollen. Ein anderer Anwendungsfall ist die Verklebung von elektrischen Bauelementen auf einer Leiterplatte und die hierbei ausgebildete elektrische Verbindung zwischen elektrischen Kontaktpunkten am Bauelement mit elektrischen Kontaktpunkten auf der Leiterplatte.
Grundsätzlich sind für die Ausbildung solcher elektrischer Verbindungen eine Vielzahl von Verfahren und Klebstoffen bekannt. Diesen gemeinsam ist jeweils die Grundanforderung, dass einerseits eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen den beiden zu verbindenden Kontaktpunkten ausgebildet wird, andererseits diese elektrische Verbindung in einer solchen Weise räumlich beschränkt ist, dass eine differenzierte, benachbarte Ausbildung mehrerer solcher elektrischer Verbindungen in einer voneinander elektrisch isolierten Bauweise möglich ist.
Aus JP 2001 31 66 55 A ist ein elektrisch leitfähiger Klebstoff und dessen Herstellungsverfahren bekannt. Dieser Klebstoff enthält Kohlenstoffpulver, ein Bindeharz und Wasser und liegt in der Form einer Paste vor. Nachteilig an diesem Klebstoff ist seine nur gering ausgeprägte Fähigkeit zur Benetzung großer Flächen mit einer dünnen Schicht, zur Umschließung kleiner Strukturen oder zum Eindringen in kleine Strukturen ohne hierbei Lufteinschlüsse zu verursachen und die Notwendigkeit, einen hohen Anteil an Kohlenstoffpulverteilchen als Zuschlagsstoff einzusetzen, um eine elektrische Leitfähigkeit mit einem für den sicheren Betrieb von elektrischen Schaltungen ausreichend niedrigen Widerstand über die Klebstoffschicht bereitzustellen. Ein weiterer Nachteil dieses vorbekannten Klebstoffs liegt darin, dass für eine diskrete Auflösung mehrerer elektrischer Kontaktstellen innerhalb des Klebespalts und deren elektrische Isolation voneinander aufwändige zeitlich aufeinander folgende Verfahrensschritte in der separaten Herstellung der einzelnen Kontaktstellen erforderlich sind, wodurch das Verfahren einerseits einer komplizierten Schrittabfolge folgen muss, andererseits eine hohe Zeitdauer in Anspruch nimmt, um solche mehrere diskret voneinander isolierte Kontaktstellen auszubilden.
Aus EP 0 748 507 B1 ist ein anisotrop leitender Kleber vorbekannt, welcher feinverteilte, leitfähige Teilchen aus Gold, Nickel, vergoldetem Nickel, Silber oder goldbeschichteten Styroporkugeln in einer Folie in feinverteilter Form beinhaltet.
Die elektrische Kontaktierung wird hierbei durch Ausüben von Druck mittels eines Stempels und eine Erwärmung des Systems auf eine Temperatur von ca. 150 bis 230°C erzielt, indem hierdurch ermöglicht wird, dass sich elektrisch leitfähige Strukturen in die Folie eindrücken und in Kontakt mit den Partikeln treten. Nachteilig an dieser Art von Klebstofffolie ist einerseits, dass durch die Partikel ein signifikanter mechanischer Störeffekt in der insgesamt von der Klebstofffolie bereitgestellten Adhäsiv- und Kohäsivkraft induziert wird, der dazu führt, dass einerseits die Klebeverbindung insgesamt keine hohen mechanischen Kräfte aufnehmen kann, darüber hinaus aber insbesondere im Bereich der elektrischen Kontakte eine erhebliche Störstelle durch die Partikel erzeugt wird, die zu Delaminationen und folglich Kontaktunterbrechungen führen kann, wenn mechanische Einflüsse auf die beiden zu verbindenden Bauteile einwirken. Ein weiterer Nachteil dieser vorbekannten Technologie besteht darin, dass sich die Bereitstellung des Klebstoffs in Form einer Folie mit darin feinverteilten Partikeln nur für die Klebeverbindung von im Wesentlichen flächigen Bauteilen eignet und hierdurch der Einsatzbereich beschränkt ist. Schließlich besteht ein weiterer Nachteil darin, dass für eine ausreichende elektrische Verbindung mit einem geringen elektrischen Widerstand die Teilchen in einer Konzentration in der Folie vorliegen müssen, welche eine Koagulation der Teile erzeugen würde und zur Vermeidung dieser Koagulation auf der Oberfläche der Teilchen Abstandsmittel vorgesehen sind. Diese Abstandsmittel verursachen einerseits einen erheblichen fertigungstechnischen Aufwand, da sie als Teilchenbeschichtung in einem zusätzlichen Fertigungsschritt aufgebracht werden müssen, andererseits resultiert aus dieser Beschichtung eine Erhöhung des elektrischen Widerstands, was die elektrischen Eigenschaften des Klebstoffs insgesamt herabsetzt. Schließlich stellt die hohe Verarbeitungstemperatur in vielen Anwendungen eine unzulässige Beanspruchung der zu verklebenden Bauteile dar.
Aus US 2009/0011232 A1 ist ein Trockenklebstoff bekannt, in dem ausgerichtete Kohlenstoffnanoröhrchen (Carbon Nanotubes; CNT) vorhanden sind. Diese Nanotubes liegen in einer parallelen Längsausrichtung in trockener Form vor und werden unter Einwirkung von Druck an Oberflächen angelegt, um diese zu verbinden. Nachteilig an diesem Trockenmaterial ist einerseits seine aufwändige Herstellung zur Erzeugung der Parallelstrukturen aus Carbon Nanotubes, die hohen Kosten, die mit den hierfür erforderlichen Carbon Nanotubes großer Länge verbunden sind und die unzureichende adhäsive Wirkung des Trockenklebstoffs für hochbelastete Klebeverbindungen. Weiterhin nachteilig ist, dass mit dieser Art Trockenklebstoff zwar neben den ausgeprägten gerichteten Eigenschaften in mechanischer Hinsicht auch in gewisser Weise gerichtete Eigenschaften in elektrischer Hinsicht erzielt werden, jedoch keine für elektrische Schaltungen ausreichend zuverlässige Anisotropie erreichbar ist, um diskrete Kontaktstellen in einer voneinander elektrisch isolierten Form über den Klebespalt elektrisch zu verbinden.
Schließlich ist aus DE 10 2005 063 403 A1 ein Klebstoff auf Epoxidharzmatrix mit darin enthaltenen Kohlenstoffnanofasern bekannt, der zur Ausgestaltung als elektrisch leitender Kleber eingesetzt werden kann. Nachteilig an diesem vorbekannten Klebstoff ist einerseits der hohe Prozentanteil an Nanofasermaterial auf Kohlenstoffbasis, der für ausreichende elektrische Verbindungseigenschaften im Matrixwerkstoff eingebracht sein muss, wodurch einerseits eine hohe Viskosität und daraus folgende schlechte Verarbeitbarkeit und Benetzungseigenschaften resultiert, andererseits hohe Kosten für den Klebstoff folgen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass dann, wenn die elektrischen Eigenschaften zur Kontaktierung über den Klebespalt ausreichend sind, eine anisotrope elektrische Verbindung mit voneinander isolierten elektrischen Kontaktstellen in diskreten Abständen mit dem Klebematerial nicht erzielbar ist.
Der Erfindung liegt gegenüber diesem Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Klebstoff bereitzustellen, der einerseits eine kostengünstige Herstellung der Klebstoffverbindung ermöglicht, andererseits auf eine fertigungstechnisch zuverlässige Weise sowohl einen zuverlässigen elektrischen Kontakt zwischen elektrischen Kontaktpunkten zweier Bauteile ausbilden kann, hierbei aber zugleich eine hohe räumliche Auflösung einzelner, voneinander isolierter elektrischer Kontaktpunkte ermöglicht. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Klebstoff bereitzustellen, der neben diesen Anforderungen an die elektrische Kontaktierung an diskreten Punkten bzw. die Isolierung dieser diskreten Punkte voneinander auch eine mechanisch zuverlässige Klebeverbindung erzielt.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst, indem die Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Vielzahl einzelner Makrostrukturen vorliegen, dass jede Makrostruktur aus einer Vielzahl agglomerierter und einen elektrischen Kontakt untereinander ausbildender Kohlenstoffnanoröhrchen besteht und die Makrostrukturen in dem Matrixwerkstoff vorzugsweise in einer Konzentration vorliegen, die unterhalb der Perkolationsschwelle der Makrostrukturen innerhalb des Matrixwerkstoffs liegt.
Erfindungsgemäß wird ein Matrixwerkstoff, insbesondere ein Monomer, Prepolymer oder Polymer, mit darin verteilten elektrisch leitfähigen Kohlenstoffnanoröhrchen als Klebstoffmaterial eingesetzt, welcher sich dadurch auszeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen nicht in einer zufälligen oder beabsichtigt gleichmäßigen Verteilung innerhalb des Matrixwerkstoffs vorliegen, sondern stattdessen in einer zusammengeballten Form als Makrostruktur vorliegen und eine Vielzahl solcher Makrostrukturen im Matrixwerkstoff vorhanden sind. Dabei kann es von Vorteil sein, dass die Makrostrukturen im Matrixwerkstoff in einer solchen Konzentration vorliegen, dass sie unterhalb der Perkolationsschwelle sind. Unter der Perkolationsschwelle soll hierbei derjenige Zustand verstanden werden, bei dem Elemente, die sich in einer flüssigen Phase befinden, sich in einem Maße berühren, das es erlaubt, entlang der Elemente von einem Ende des Materials an das andere Ende zu gelangen, ohne hierbei Strecken im Matrixwerkstoff in den Weg einbinden zu müssen. Ein mit elektrisch leitfähigen Elementen versetzter Matrixwerkstoff ist daher isotrop elektrisch leitend, wenn die Elemente in oder oberhalb der Perkolationsschwelle darin vorliegen. Grundsätzlich ist zu verstehen, dass eine Perkolation sowohl für Einzelelemente, wie beispielsweise Kohlenstoffnanoröhrchen als auch für aus mehreren einzelnen Elementen zusammengesetzte Makroelemente, wie beispielsweise Makrostrukturen aus mehreren Kohlenstoffnanoröhrchen, definiert werden kann.
Erfindungsgemäß liegen die Makrostrukturen für anisotrop leitfähige Klebstoffe unterhalb der Perkolationsschwelle im Matrixwerkstoff vor, d. h. die Makrostrukturen haben ohne äußeren Einfluss keine Neigung und keinen ausreichenden Volumenanteil, sich einander anzulagern und solcherart größere zusammenhängende Strukturen auszubilden, die größere Distanzen überbrücken.
Der erfindungsgemäße elektrisch leitfähige Klebstoff zeichnet sich aufgrund dieser Zusammensetzung durch eine Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhrchenagglomeraten aus, die eine leitfähige Struktur bilden. Dabei können diese Agglomerate sowohl hinsichtlich ihrer Form als auch hinsichtlich ihrer Abmessungen beim Herstellungsprozess des erfindungsgemäßen Klebstoffs oder beim Klebevorgang mit dem erfindungsgemäßen Klebstoff gezielt eingestellt werden. So können beispielsweise durch zwei aufeinanderfolgende Scherungen des Klebstoffs sphärische Formen der Agglomerate eingestellt werden, wenn die Scherrichtungen dieser Scherungen im rechten Winkel zueinander liegen. Je spitzer der Winkel zwischen den zwei Scherrichtungen ist, desto mehr entfernt sich die Form von der Kugelform und nähert sich einer länglichen Form an. Durch eine kreisende Scherrichtung können Agglomerate mit unterschiedlichen Formen erzeugt werden. Die Abmessung der Agglomerate kann beispielsweise durch die Größe des Scherspaltes, in dem der Klebstoff der Scherung ausgesetzt wird, beeinflusst werden. Diese elektrisch leitfähigen Makrostrukturen sind in einem elektrisch nicht leitfähigen Matrixwerkstoff zufällig verteilt und neigen nicht zu einer Agglomeration untereinander. Durch den solcherart bereitgestellten Klebstoff wird es möglich, durch gezielten Einsatz der Makrostrukturen zwischen zwei elektrisch zu verbindenden Kontakten eine lokale elektrische Verbindung zwischen diesen auszubilden. Durch die kompakte Dimensionierung der Makrostrukturen wird hierbei eine hohe räumliche Auflösung der elektrischen Kontakte erzielt, wodurch es möglich wird, mit dem elektrisch leitfähigen Klebstoff sehr geringe diskrete Abstände zwischen zwei voneinander elektrisch zu isolierenden elektrischen Verbindungen durch den Klebstoff auszubilden. Zugleich wird es hierdurch möglich, mithilfe des Matrixwerkstoffs einerseits einen von elektrisch leitfähigen Kohlenstoffnanoröhrchen freien Bereich zwischen den Makrostrukturen bereitzustellen, der für eine zuverlässige elektrische Isolation sorgt und darüber hinaus eine hohe adhäsive und kohäsive Kraftübertragung zwischen den zwei zu verbindenden Bauteilen bereitstellt, wodurch eine mechanisch zuverlässige Klebeverbindung hergestellt werden kann.
Weiter ist die Erfindung vorteilhaft in Hinblick auf die Kontaktgeometrie, da die Kontaktflächen häufig auf mikroskopischer Ebene keine gleichmäßig glatte Fläche bilden, sondern von einer gewissen Rauigkeit gekennzeichnet sind. Gegenüber Füllstoffpartikeln wie Silberflakes oder beschichteten Kugeln, die im Regelfall nur eindimensionale Kontakte mit den Erhebungen ergeben und hierdurch den Kontaktwiderstand erhöhen und den Kontakt besonders in Hinblick auf hohe Stromstärken schwächen, wird mit den erfindungsgemäßen Makrostrukturen aus Kohlenstoffnanoröhrchen eine Verbindungsstruktur bereitgestellt, die hinsichtlich Stromdichte üblichen Materialen um Größenordnungen im Leitwert überlegen ist. Hinsichtlich der Kontaktgeometrie ist die äußerst feine und faserartige Geometrie der Kohlenstoffnanoröhrchen besonders vorteilhaft. Die Kohlenstoffnanoröhrchen können sich durch ihre Flexibilität an die Oberflächenkonturen anschmiegen und sich in die mikroskopischen Spalten legen, was zu mehrdimensionalen Kontakten und zu einer deutlich größeren effektiven Kontaktfläche führt. Aufgrund des Aufbaus der Makrostrukturen kann eine raue Oberfläche in die Makrostruktur hineinragen, so dass sich die mögliche Kontaktfläche wiederum um ein Vielfaches erhöht.
Grundsätzlich ist zu verstehen, dass der Matrixwerkstoff üblicherweise in einer flüssigen Form auf die Klebeflächen aufgebracht wird, in bestimmten Anwendungsfällen ist aber auch die Aufbringung in fester Form, beispielsweise als Folie, vorteilhaft. Die Viskosität und Benetzungsfähigkeit des Klebstoffs, die einerseits durch die Viskosität des Matrixwerkstoffs, andererseits durch die Größe, Struktur und Konzentration der Makrostrukturen darin immanent und weiterhin unmittelbar durch äußere Einflüsse wie Temperatur, Druck beeinflusst wird, kann dabei vorzugsweise solcherart eingestellt werden, dass eine vollständige Benetzung der Klebeflächen erzielt wird und hierbei auch ein Eindringen des Klebstoffs in kleine Strukturen der zu verklebenden Bauteile erzielt wird. Beabsichtigt ist, dass der Klebstoff für den Klebezustand in einen ausgehärteten Zustand überführt werden kann. Die Aushärtung kann grundsätzlich durch eine chemische Reaktion oder ein physikalisches Abbinden erfolgen, darüberhinaus ist ein reaktiver Schmelzklebstoff einsetzbar. Unter aushärtbar ist eine Eigenschaft des Klebstoffs zu verstehen, in einen Zustand überzugehen, in dem mechanische Belastungen durch den Klebstoff übertragen werden können. Der Klebstoff kann in diesem elastisch oder im Wesentlichen steif sein.
Grundsätzlich zeichnet sich der erfindungsgemäße elektrisch leitfähige Klebstoff dadurch aus, dass Makrostrukturen darin enthalten sind, die ihrerseits aus einer Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhrchen zusammengesetzt und von dem Matrixwerkstoff durchsetzt sind. Hierdurch wird eine Grenzflächenproblematik durch die Makrostrukturen in dem Klebstoff vermieden, da die Makrostrukturen in einer ideal integrierten Weise innerhalb des Matrixwerkstoffes vorliegen und die mechanischen Kraftflüsse nur in geringer Weise beeinflussen, insbesondere als Faserverstärkung wirksam sind. Delaminationen oder mechanisches Versagen aufgrund der Makrostrukturen kann daher beim erfindungsgemäßen Klebstoff nicht oder nur in weitaus geringerem Maße als bei vorbekannten Klebstoffen auftreten. Zugleich stellt der elektrisch leitfähige Klebstoff aufgrund des Vorhandenseins der Makrostrukturen in einer spezifischen Konzentration ein vorteilhaftes anisotropes elektrisches Leitfähigkeitsvermögen bereit und kann hierdurch dazu genutzt werden, diskret voneinander beabstandete elektrische Kontaktpunkte in isolierter Form voneinander mit anderen entsprechend diskret voneinander beabstandeten elektrischen Kontaktpunkten auf einer zweiten Klebefläche elektrisch zu verbinden.
Dabei ist grundsätzlich zu verstehen, dass der erfindungsgemäße Klebstoff vorzugsweise aus dem Matrixwerkstoff und den Makrostrukturen mit darin enthaltenen Kohlenstoffnanoröhrchen besteht und vorzugsweise auf eine Oberflächenbeschichtung der Makrostrukturen oder der Kohlenstoffnanoröhrchen verzichtet wird, um auf diese Weise sowohl in den mechanischen Eigenschaften als auch den elektrischen Eigenschaften das Potenzial der eingesetzten Werkstoffe optimal zu nutzen.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Makrostrukturen in einer im Wesentlichen sphärischen Geometrie vorliegen und dass die Werte von Höhe, Breite und Länge einer Makrostruktur in keinem der Werte um mehr als 50% von einem der anderen Werte abweichen. Hierdurch wird eine anisotrope Leitfähigkeit befördert, bei der keine Leitfähigkeit in der Richtung der Ebene der Klebefläche besteht, eine Leitfähigkeit orthogonal durch diese Ebene hindurch aber bereitgestellt wird. Mittels Makropartikeln, die geometrisch in dieser Weise ausgebildet sind, wird in idealer Weise eine Kugelform oder eine hiervon nur bis zu einem bestimmten Maß abweichende Gestalt der Makrostrukturen im erfindungsgemäßen Klebstoff bereitgestellt. Hierbei ist grundsätzlich zu verstehen, dass vorzugsweise kein oder nur ein sehr geringer Unterschied in der Länge, Höhe und Breite eines Partikels besteht, d. h. der Partikel nähert sich einer Elongation von 0 und weiter vorzugsweise einer Zirkularität von 1 an. Durch diese Fortbildung wird eine Unabhängigkeit der Kontaktierungseigenschaften der Makrostruktur von deren Ausrichtung in dem Matrixwerkstoff erreicht. Weiter ist in diesem Zusammenhang grundsätzlich zu verstehen, dass die Makrostrukturen in einer möglichst geringen Weise in ihren geometrischen Abmessungen voneinander abweichen, d. h. die Standardabweichung der gemessenen Länge, Breite und/oder Höhe oder die Gesamtgröße charakterisierender Werte, wie Durchmesser, Querschnittsfläche oder Gesamtvolumen einer Makrostruktur ist über eine Vielzahl gemessener Makrostrukturen möglichst klein, wodurch eine monomodale Größenverteilung der Makrostrukturen mit einem ausgeprägten Maximum einer bestimmten Makrostruktur-Größe und nur einem geringen Anteil von Makrostrukturen mit geringerer oder höherer Größe vorhanden ist. Durch eine solche Verteilung wird eine zuverlässige Verklebung und elektrische Kontaktierung mit einer geringen Ausschussquote durch den erfindungsgemäßen Klebstoff ermöglicht, indem die elektrische Kontaktierung in reproduzierbarer Weise, mit vorbestimmenden Verfahrensparametern durch die definierten Makrostrukturen hergestellt werden kann. Sollte z. B. eine eingeschränkte Anisotropie in der Klebefläche beabsichtigt sein, z. B. um paarweise angeordnete, kurz beabstandete Kontakte zu verbinden, nicht jedoch diese Paare untereinander zu verbinden, kann eine multimodale Verteilung angestrebt sein.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Makrostrukturen in einer Form vorliegen, die durch Scherung einer Flüssigkeit mit darin verteilten Kohlenstoffnanoröhrchen erzielt wird, insbesondere mindestens durch eine erste Scherung der Flüssigkeit in einer ersten Richtung gefolgt von einer zweiten Scherung in einer zweiten Richtung, die von der ersten Richtung verschieden ist, insbesondere nicht parallel oder antiparallel zur ersten Richtung ist. Grundsätzlich liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die Agglomeration von Kohlenstoffnanoröhrchen zu Makrostrukturen zu einer vorteilhaften Ausgestaltung und besseren Eigenschaften eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs führen können. Dabei wird diese Agglomeration in vorteilhafter Weise durch eine Scherung in zumindest einer Richtung erzeugt. Typischerweise kann durch eine solche Scherung eine Makrostruktur erzeugt werden, die eine ausgeprägte Längsausrichtung quer zur Scherrichtung aufweist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung hierzu ist vorgesehen, dass die Makrostruktur durch eine zusätzliche zweite Scherung erzeugt wird, die in einer unterschiedlichen Richtung als die erste Scherung verläuft. Hierdurch können die in der ersten Scherung erzeugten Makrostrukturen entweder zu Makrostrukturen umgeformt oder weiter agglomeriert werden, welche eine von der länglichen Struktur abweichende, mehr zur idealen Kugelform hin weisende Geometrie aufweisen. Grundsätzlich kann die Scherung durch Anordnen des Matrixwerkstoffes mit darin enthaltenen Kohlenstoffnanoröhrchen zwischen zwei Flächen erfolgen, indem diese Flächen zunächst in einer ersten Richtung relativ zueinander bewegt werden und danach in einer zweiten Richtung relativ zueinander bewegt werden. Dies kann beispielsweise durch Rotation eines Zylinders in einem zu diesem koaxialen Rohr gefolgt von einer axialen Verschiebung des Zylinders in dem Rohr umgesetzt werden, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen im Ringspalt zwischen Rohr und Zylinder angeordnet sind, oder durch andere werkzeugtechnische Ausführungen erzielt werden. Grundsätzlich zeichnet sich der erfindungsgemäße Klebstoff bei einer eindimensionalen Scherung durch länglich sich erstreckende Makrostrukturen aus und bei einer zweidimensionalen Scherung durch kürzere, der Kugelform angenäherte Makrostrukturen.
Noch weiter ist es bevorzugt, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen in dem Matrixwerkstoff in einer Konzentration oberhalb der Perkolationsschwelle der Kohlenstoffnanoröhrchen in dem Matrixwerkstoff vorliegen. Grundsätzlich ist zu verstehen, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen in dem Matrixwerkstoff sowohl unterhalb als auch oberhalb oder genau in der Perkolationsschwelle vorliegen können und die Agglomeration durch eine entsprechende mechanische oder in anderer Weise induzierte Wirkung erreicht werden kann. Um jedoch eine besonders vorteilhafte elektrische Leitfähigkeitswirkung zu erzielen, ist es besonders vorteilhaft, die Kohlenstoffnanoröhrchen in einer solchen Konzentration einzubringen, dass sie für sich genommen bereits eine isotrope Leitfähigkeit des Klebstoffs bereitstellen würden, die dann jedoch durch die Bildung der Makrostrukturen zu einer anisotropen Leitfähigkeit modifiziert wird. Die Kohlenstoffnanoröhrchen können dabei zu einer Agglomeration ohne Fremdeinflüsse neigen und diese Agglomeration kann gegebenenfalls durch zusätzliche Fremdeinflüsse, beispielsweise eine mechanische Scherung in einer oder zwei Richtungen, wie zuvor erläutert, solcherart gesteuert werden, dass vorteilhaft geformte Makrostrukturen durch diese Agglomeration gebildet werden. Auf diesem Weg wird ein elektrisch leitfähiger Klebstoff erzielt, der zwar keine Neigung zur Agglomeration der Makrostrukturen ohne Fremdeinwirkung aufweist, jedoch insgesamt Makrostrukturen in einer solchen Konzentration und innerhalb der Makrostrukturen Kohlenstoffnanoröhrchen in einer solchen Menge und Packungsdichte aufweist, dass einerseits die elektrische Leitfähigkeit durch den Klebstoff und andererseits die adhäsive und kohäsive Wirkung des Klebstoffs in idealer Weise erzielt wird.
In bestimmten Anwendungsfällen ist es jedoch auch vorteilhaft, die Kohlenstoffnanoröhrchen unterhalb der Perkolationsschwelle im Matrixwerkstoff zu konzentrieren. Der Klebstoff weist dann zwar ohne gebildete Makrostrukturen grundsätzlich keine elektrische Leitfähigkeit auf, wird jedoch durch die Ausbildung der Makrostrukturen ansisotrop elektrisch leitfähig.
Noch weiter ist es bevorzugt, dass in einer Makrostruktur zumindest ein Stoff enthalten ist, welcher funktional wirksam zur Verbindung mit einem Fügeflächenbereich ausgebildet ist, insbesondere ein magnetischer Stoff. Mit dem erfindungsgemäßen Klebstoff kann eine anisotrope elektrische Konnektierung alleinig durch die Bereitstellung der Makrostrukturen in ihrer Größe und definierten Konzentration erzielt werden. Hierbei kann der Klebstoff solcherart verarbeitet werden, dass er auf Grundlage einer statistischen Verteilung der Makrostrukturen in dem Klebstoff eine ausreichende elektrische Konnektierung von definiert ausgebildeten elektrischen Leiterstrukturen an zwei Bauteilen erzielt. Insbesondere ist es aber bevorzugt, die Makrostrukturen mit einem funktionellen Element oder mehreren solcher funktioneller Elemente zu dotieren, welche eine gezielte Anlagerung der Makrostruktur an einen elektrisch zu verbindenden Fügeflächenbereich bewirken. Zu diesem Zweck kann darüber hinaus auch der Fügeflächenbereich in einer bestimmten Weise mechanisch, chemisch oder physikalisch aufbereitet sein, um diese gezielte Anlagerung der Makrostrukturen zu bewirken oder zu fördern. Insbesondere kann hierbei eine Magnetfunktion zwischen der Makrostruktur und dem elektrisch zu verbindenden Fügeflächenbereich eingesetzt werden, darüber hinaus sind aber auch andere Wirkungen, wie beispielsweise chemische Affinität, elektrostatische Wirkungen oder dgl. in Form eines funktionellen Elements in den Makrostrukturen zu veranlagen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs, mit den Schritten:

a. Bereitstellen eines Klebstoffs, umfassend eine Klebstoffmatrix aus einem adhäsiv wirksamen Stoff und eine Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhrchen, Einbringen des Klebstoffs auf zumindest eine Fügefläche eines der beiden zu fügenden Bauteile,
b. Zusammenfügen der beiden Bauteile solcherart, dass die Fügefläche des einen Bauteils auf die Fügefläche des anderen Bauteils aufgelegt wird und sich zwischen diesen beiden Fügeflächen ein Klebespalt ausbildet, wobei die Dicke des Klebspalts zumindest in denjenigen Klebespaltabschnitten, die zwischen zwei einander gegenüberliegenden Fügeflächenbereichen liegen, zwischen denen eine elektrisch leitfähige Verbindung von dem Fügeflächenbereich des einen Bauteils über den Klebspaltabschnitt zu dem Fügeflächenbereich des anderen Bauteils erzeugt werden soll, kleiner oder gleich einer Abmessung einer Makrostruktur ist, die aus einer Vielzahl der Kohlenstoffnanoröhrchen gebildet ist und in der Klebestoffmatrix vorliegt.
c. Ausbilden einer elektrischen Verbindung mittels Makrostrukturen aus Kohlenstoffnanoröhrchen in Klebespaltabschnitten, die zwischen Fügeflächenbereichen liegen, die zum Klebspalt und einander zuweisende, elektrisch leitfähige Fügeflächenbereiche aufweisen und hierüber elektrisch miteinander verbunden werden sollen,
d. Aushärten des Matrixwerkstoffes

Gemäß dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein elektrisch leitfähiger Klebstoff hergestellt, der zumindest aus zwei Ausgangsstoffen in zwei Phasen besteht. Eine erste Phase ist eine Klebstoffmatrix, welche aus einem üblicherweise flüssigen Zustand durch Aushärtung in einen ausgehärteten Zustand überführt werden kann und dann in diesem ausgehärteten Zustand adhäsive Kräfte zu den Fügeflächen ausübt und intern kohäsive Kräfte übertragen kann, welche zur Verbindung der beiden zu fügenden Bauteile erforderlich sind. Die zweite Phase besteht in zu Makrostrukturen agglomerierten Kohlenstoffnanoröhrchen, die in dieser Klebstoffmatrix in einer solchen Konzentration in verteilter Form vorliegen, dass eine Perkolation dieser Makrostrukturen ohne Fremdeinwirkung nicht erfolgt. Die Makrostrukturen können grundsätzlich in einer Fertigungshilfsmatrix hergestellt werden, welche von der Klebstoffmatrix chemisch verschieden oder mit dieser chemisch übereinstimmend, beispielsweise aber anders konzentriert oder insgesamt übereinstimmend ist. Die Fertigungshilfsmatrix hat vorzugsweise eine niedrigere Viskosität als die Klebstoffmatrix, um hierdurch die Bildung von Makrostrukturen aus den Kohlenstoffnanoröhrchen zu befördern. Nachdem die Makrostrukturen in der Fertigungshilfsmatrix ausgebildet sind, können sie in die Klebstoffmatrix eingebracht werden und darin fein verteilt werden, um hierdurch den idealen Verarbeitungszustand des herzustellenden Klebstoffs zu erzeugen.
Dabei können die Makrostrukturen bereits vor Einbringen des Klebstoffs in den Klebespalt in der Klebstoffmatrix gebildet werden oder erst nach diesem Einbringen und dann während des Fügevorgangs gebildet werden.
Das Verfahren kann dadurch fortgebildet werden, dass zwischen Schritt c und d folgende Schritte erfolgen:

– Extrahieren der Makrostrukturen aus der Fertigungshilfsmatrix, vorzugsweise durch Destillation, und
– Einbringen der Makrostrukturen in die Klebstoffmatrix, wobei die Klebstoffmatrix insbesondere eine von der Fertigungshilfsmatrix verschiedene chemische Zusammensetzung hat.

Während grundsätzlich die Makrostrukturen mitsamt der Fertigungshilfsmatrix in die Klebstoffmatrix eingebracht werden können und die Fertigungshilfsmatrix hierdurch entweder Bestandteil des Klebstoffs wird oder in einem späteren Prozessschritt aus dem Klebstoff entfernt wird, ist es gemäß dieser Fortbildung in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die Makrostrukturen aus der Fertigungshilfsmatrix isoliert werden, nachdem sie darin hergestellt wurden. Diese Isolierung kann insbesondere durch Destillation erfolgen, bei der die Fertigungshilfsmatrix durch Erhitzen in einen gasförmigen Zustand überführt wird und hierdurch die Makrostrukturen in einer isolierten festen Form zurückbleiben. Diese Extraktion der Makrostrukturen aus der Fertigungshilfsmatrix ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Fertigungshilfsmatrix und Klebstoffmatrix von einer unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung, zumindest aber von unterschiedlicher Konzentration und somit Viskosität sind. Hierdurch wird die Möglichkeit eröffnet, für den Prozessschritt der Herstellung der Makrostrukturen eine hierfür ideal geeignete Fertigungshilfsmatrix auszuwählen und die darin hergestellten Makrostrukturen dann in eine für die gewünschte Klebewirkung ideal geeignete Klebstoffmatrix einzubringen.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Fertigungshilfsmatrix chemisch übereinstimmend mit der Klebstoffmatrix ist und nach Schritt c die Konzentration der Makrostrukturen ggf. durch Destillation erhöht oder durch Hinzufügung von Klebstoffmatrix verringert wird. Bei dieser Verfahrensvariante, die prozesstechnisch einfacher und ökonomischer ist als die vorhergehend beschriebene Variante mit Extraktion der Makrostrukturen aus der Fertigungshilfsmatrix, wird als Fertigungshilfsmatrix bereits eine für die spätere Klebstoffwirkung geeignete Klebstoffmatrix eingesetzt und diese lediglich gegebenenfalls hinsichtlich ihrer Viskosität durch Verdünnung oder Konzentrierung auf einen für die Bildung der Makrostrukturen idealen Wert gebracht. Nach Herstellung der Makrostrukturen kann dann eine für die Verarbeitung des Klebstoffs ideale Viskosität eingestellt werden, indem entweder eine Destillation mit folglicher Entfernung von Klebstoffmatrixanteilen oder einer Verdünnung durch Hinzufügung von Klebstoffmatrixanteilen erfolgt.
Noch weiter ist es bevorzugt, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen in Schritt c. durch Einbringen einer Scherung in die Fertigungshilfsmatrix, insbesondere von zeitlich aufeinanderfolgender Scherung in zwei unterschiedlichen Richtungen, zu den Makrostrukturen agglomeriert werden, vorzugsweise unter gleichzeitigem Einbringen von Druckkräften. Mit dieser Fortbildung wird eine besonders effiziente Herstellung der Makrostrukturen erreicht. Zu der spezifischen Ausgestaltung des Schervorgangs und dessen Umsetzung wird auf die vorhergehende Beschreibung Bezug genommen.
Noch weiter ist es bevorzugt, dass die Agglomeration der Kohlenstoffnanoröhrchen in Schritt c. durch eine Viskositätsverringerung, insbesondere durch Erwärmen, der Fertigungshilfsmatrix unterstützt wird. Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass die gewünschte Agglomeration der Kohlenstoffnanoröhrchen zu Makrostrukturen mit einer Geometrie, die gut für eine elektrische Konnektierung geeignet ist, insbesondere dann mit hoher Reproduzierbarkeit und einem guten Ergebnis gelingt, wenn die Fertigungshilfsmatrix eine niedrige Viskosität aufweist. Um dies zu erreichen, kann insbesondere auch Wärme eingesetzt werden, die bei üblichen Fertigungshilfsmatrizen eine signifikante Viskositätserniedrigung bewirkt, wobei eine für die Verarbeitung des Klebstoffs günstige Viskosität durch entsprechendes Abkühlen wieder erzielt werden kann.
Noch weiter ist es bevorzugt, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen in Schritt b. in einer Konzentration in die Fertigungshilfsmatrix eingebracht wird, die oberhalb der Perkolationsschwelle der Kohlenstoffnanoröhrchen in der Fertigungshilfsmatrix liegt. Grundsätzlich müssen die Kohlenstoffnanoröhrchen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer solchen Konzentration in die Fertigungshilfsmatrix eingebracht werden, dass eine Agglomeration entweder durch äußere Einflüsse herbeigeführt werden kann oder diese ohne solche äußere Einflüsse erfolgt, d. h. die Konzentration oberhalb der Perkolationsschwelle der Kohlenstoffnanoröhrchen in der Fertigungshilfsmatrix liegt. In diesem Fall wird eine ideale, hohe Beladung der Fertigungshilfsmatrix erzielt und somit eine effiziente Herstellung der Makrostrukturen ermöglicht. Dabei ist zu verstehen, dass die Makrostrukturen selbst unterhalb der Perkolationsschwelle in der Fertigungshilfsmatrix vorliegen können, wenn deren Herstellung erfolgt ist, d. h. es erfolgt ohne äußere Einflüsse keine Agglomeration der Makrostrukturen zu wiederum größeren Strukturen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum elektrisch leitfähigen Verkleben von zwei Bauteilen, mit den Schritten:

a. Bereitstellen eines flüssigen Klebstoffs, umfassend eine Klebstoffmatrix aus einem adhäsiv wirksamen Stoff und einer Vielzahl von Makrostrukturen, die jeweils im Wesentlichen aus einer Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhrchen bestehen,
b. Einbringen des Klebstoffs auf zumindest eine Fügefläche eines der beiden zu fügenden Bauteile,
c. Zusammenfügen der beiden Bauteile solcherart, dass die Fügefläche des einen Bauteils auf die Fügefläche des anderen Bauteils aufgelegt wird und sich zwischen diesen beiden Fügeflächen ein Klebespalt ausbildet, wobei die Dicke des Klebspalts zumindest in denjenigen Klebespaltabschnitten, die zwischen zwei einander gegenüberliegenden Fügeflächenbereichen liegen, zwischen denen eine elektrisch leitfähige Verbindung von dem Fügeflächenbereich des einen Bauteils über den Klebspaltabschnitt zu dem Fügeflächenbereich des anderen Bauteils hergestellt werden soll, kleiner oder gleich einer Abmessung der Makrostrukturen ist,
d. selektives Platzieren der Makrostrukturen in Klebespaltabschnitten, die zwischen Fügeflächenbereichen liegen, die elektrisch miteinander verbunden werden sollen,
e. Aushärten des Matrixwerkstoffes

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine mechanische Verbindung aufgrund adhäsiver Wirkungen zwischen einem Klebstoff und Fügeflächen von zwei Bauteilen sowie kohäsiver Kraftübertragung innerhalb des Klebstoffs bewirkt und hierbei zugleich eine anisotrope elektrische Verbindung von elektrisch leitfähigen Fügeflächenbereichen hergestellt. Unter einer anisotropen elektrischen Verbindung ist hierbei eine elektrische Verbindung zwischen zwei typischerweise gegenüberliegenden elektrischen Kontaktpunkten auf einerseits dem einen und andererseits dem anderen Bauteil zu verstehen, die in einer ersten Richtung einen Stromfluss ermöglicht, in einer zweiten Richtung hierzu und vorzugsweise allen hierzu anderen Richtungen jedoch keine elektrischen Ladungsflüsse ermöglicht, sondern gegenüber diesen Strömen isoliert ist. Mit anderen Worten, die anisotrope elektrische Verbindung besteht in einer kanalisierten, nach außen abgeschirmten Verbindung von zwei diskret umrissenen Kontaktstellen.
Erfindungsgemäß wird diese anisotrope elektrische Verbindung durch Bereitstellung eines Klebstoffs mit darin enthaltenen Makrostrukturen aus agglomerierten Kohlenstoffnanoröhrchen erzielt, indem dieser Klebstoff in einem Klebespalt angeordnet wird. Erfindungsgemäß ist dabei die Dicke des Klebespalts in zumindest denjenigen Klebespaltabschnitten, die für eine anisotrope elektrisch leitfähige Verbindung vorgesehen sind, kleiner oder gleich einer Abmessung der Makrostrukturen. In diesem Zusammenhang ist unter Abmessung eine Höhe, Breite oder Länge der Makrostrukturen zu verstehen, insbesondere, sofern sich die Makrostrukturen der für die erfindungsgemäße Ausführung des Verfahrens besonders geeigneten Kugelform annähern, ein Durchmesser der Makrostrukturen zu verstehen. Dabei kann grundsätzlich davon ausgegangen werden, dass bei einer in einem bestimmten Bereich liegenden Verteilung der Abmessungen der Vielzahl von Makrostrukturen das erfindungsgemäße Verfahren auf Grundlage einer insoweit gemittelten Abmessung erfolgt, allerdings ist in alternativen Ausführungsformen auch vorteilhaft, anstelle der gemittelten Abmessung eine untere oder obere Grenzabmessung als Minimal- bzw. Maximalwert der Abmessung zugrunde zu legen und die Dicke des Klebespalts hieran auszurichten.
Durch die spezifischen Zusammenhänge zwischen Klebespaltdicke und Abmessung der Makrostrukturen wird erreicht, dass zwischen den beiden Fügeflächen zumindest in denjenigen Bereichen, die elektrisch konnektiert werden sollen, eine dazwischen angeordnete Makrostruktur beidseits in unmittelbaren Kontakt mit den Fügeflächen tritt und hierdurch eine elektrische Verbindung hergestellt wird. Nachdem diese elektrische Verbindung durch entsprechende Annäherung der beiden zu fügenden Bauteile erzeugt wurde, kann durch Aushärten des Matrixwerkstoffs dann die Klebeverbindung hergestellt werden und der so erzeugte mechanisch und elektrisch verbundene Zustand fixiert werden.
Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die Fügeflächen eben sind und der Abstand zwischen einem ersten Fügeflächenbereich an einem Bauteil und einem zweiten Fügeflächenbereich an demselben Bauteil, die beide mit jeweils gegenüberliegenden Fügeflächenbereichen am anderen Bauteil über jeweils entsprechende Klebespaltabschnitte elektrisch verbunden werden sollen, größer als eine Abmessung der Makrostrukturen ist, insbesondere größer als die größte Abmessung der Makrostrukturen, so dass der Klebespaltabschnitt zwischen dem ersten Fügeflächenbereich und dessen gegenüberliegendem Fügeflächenbereich am anderen Bauteil elektrisch isoliert ist von dem Klebespaltabschnitt zwischen dem zweiten Fügeflächenbereich und dessen gegenüberliegendem Fügeflächenbereich am anderen Bauteil. Gemäß dieser Fortbildungsform werden mehrere Fügeflächenbereiche an einem Bauteil mit entsprechend mehreren Fügeflächenbereichen am anderen Bauteil elektrisch verbunden, wobei jede einzelne dieser elektrischen Verbindungen innerhalb des Klebstoffs gegenüber den anderen elektrischen Verbindungen elektrisch isoliert ist. Diese elektrische Isolation wird durch entsprechende Geometriewahl erzielt, indem der Abstand zwischen zwei benachbarten Fügeflächenbereichen an einem Bauteil größer gewählt wird als eine Abmessung, insbesondere die größte Abmessung der Makrostrukturen, um hierdurch zu verhindern, dass eine Makrostruktur, die an dem einen Fügeflächenbereich in elektrischem Kontakt anliegt, sich seitlich so weit erstreckt, dass sie zugleich einen elektrischen Kontakt zu dem anderen Fügeflächenbereich oder einer darauf angeordneten, in elektrischem Kontakt dazu stehenden Makrostruktur ausbildet. Dabei kann in einer spezifischen Ausführungsform, in welcher die Makrostrukturen der für die Ausführung des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens idealen Kugelform angenähert sind, die Fortbildung so ausgestaltet sein, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten, voneinander zu isolierenden Fügeflächenbereichen eines Bauteils größer ist als der Durchmesser der Makrostrukturen.
Noch weiter ist es bevorzugt, dass zumindest ein Klebespaltabschnitt zwischen zwei einander gegenüberliegenden, elektrisch zu verbindenden Fügeflächenbereichen eine geringere Dicke aufweist als ein Klebespaltabschnitt zwischen einander gegenüberliegenden Fügeflächenbereichen, zwischen denen keine elektrische Verbindung über den Klebespalt ausgebildet werden soll. Diese Ausführungsform stellt eine Alternative oder Fortbildung zu der zuvor erläuterten Fortbildungsform dar und ermöglicht eine insgesamt dichtere Anordnung voneinander benachbarter, zu isolierender Fügeflächenbereiche an einem Bauteil. Dies wird erreicht, indem diejenigen Fügeflächenbereiche, welche einer elektrischen Verbindung ausgesetzt sein sollen, über einen Klebespalt geringerer Dicke miteinander in elektrische Verbindung treten können als Bereiche, in denen eine solche elektrische Verbindung nicht erfolgen soll. Durch diese Fortbildung wird die Gefahr reduziert, dass durch Anlagerung von Makrostrukturen an elektrisch nicht zu verbindende Fügeflächenbereiche eine Verbindung zwischen zwei voneinander zu isolierenden Fügeflächenbereichen erfolgt, indem das Verhältnis der Größe der Makrostrukturen zu dem Verhältnis der Dicke des Klebespalts in diesen nicht elektrisch miteinander zu verbindenden Fügeflächenbereichen verringert wird.
Dabei ist es insbesondere bevorzugt, dass die geringere Dicke des Klebespalts zwischen den zwei einander gegenüberliegenden, elektrisch zu verbindenden Fügeflächenbereichen erzeugt wird, indem zumindest einer der beiden Fügeflächenbereiche erhaben gegenüber den ihn umgebenden Fügeflächenbereichen der selben Fügefläche ausgebildet ist. Gemäß dieser Ausführungsform wird durch entsprechende Techniken eine dreidimensionale Struktur zumindest eines Fügeflächenbereichs, vorzugsweise beider Fügeflächenbereiche erzielt, bei der die elektrisch zu verbindenden Fügeflächenbereiche erhaben gegenüber den Fügeflächenbereichen sind, die nicht elektrisch verbunden werden sollen. Dies ist beispielsweise in solcher Weise realisierbar, dass elektrische Kontaktpunkte oder Kontaktlinien aus dem Fügeflächenbereich hervorstehen und hierdurch in den Klebespalt hineinragen und bei Annäherung der Fügeflächen aneinander auf eine bestimmte Distanz einen dünneren Klebespalt zwischen diesen erhabenen Strukturen ausgebildet wird als zwischen den nicht erhabenen Strukturen.
Noch weiter ist es bevorzugt, dass an zumindest einem Fügeflächenbereich eine Haken-, Dorn- oder Borstenstruktur ausgebildet ist, welche eine formschlüssige Verbindung mit einer Makrostruktur ausbilden kann und die elektrische Verbindung mittels Durchspülen des Klebespaltes mit dem Klebstoff und mechanische Befestigung einer Makrostruktur an der Hakenstruktur erfolgt. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Fügeverfahren ausgeführt werden, indem in den Makrostrukturen ein oder mehrere funktionale Elemente vorhanden sind, welche eine Anlagerung an die elektrisch zu verbindenden Fügeflächenbereiche bewirken oder befördern. Diesbezüglich wird auf die vorherstehende Beschreibung des entsprechend ausgeführten Klebstoffs Bezug genommen. Dabei kann insbesondere eine Dornstruktur vorgesehen sein, die eine Verhakungswirkung in einer Bewegungsrichtung erzielen kann, die parallel zur Fügefläche liegt und hierdurch Makrostrukturen, die im Zuge eines Spülvorgangs von Klebstoff durch den Klebespalt über die elektrisch zu verbindende Fügefläche strömen, daran befestigt. In einer hierzu alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die gezielte Anlagerung der Makrostrukturen an elektrisch zu verbindende Fügeflächenbereiche durch eine mechanische Verklammerung, Verhakung, Verklemmung oder in anderer Weise erzielte Befestigung erfolgt, indem eine entsprechende Struktur an dem elektrisch zu verbindenden Fügeflächenbereich ausgebildet ist, die für eine entsprechende Befestigung der Makrostruktur daran ausgebildet ist.
Schließlich ist nach einer weiteren Fortbildung des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens vorgesehen, dass die Aushärtung des Matrixwerkstoffs durch Einwirkung eines Wirbelstroms auf den im Klebespalt befindlichen Klebstoff erfolgt. Durch die Ausgestaltung zahlreicher anisotroper elektrischer Verbindungen innerhalb des Klebespalts von einem auf das andere Bauteil kann die Aushärtung des Matrixwerkstoffs neben den bekannten Aushärteverfahren einer beispielsweise chemischen Aushärtung durch einen aus zwei Komponenten bestehenden Matrixwerkstoff, eine fotoinduzierte Aushärtung oder eine durch Reaktion einer Komponente mit der Umgebung, insbesondere Umgebungsluft erzeugte Aushärtung auch eine durch Wirbelstrom, insbesondere durch die mittels Wirbelstrom erzeugte Wärme induzierte Aushärtung des Matrixwerkstoffs erzielt werden. Hierbei kann der entsprechende Wirbelstrom insbesondere durch Einwirken eines magnetischen Feldes auf den Klebespalt erzeugt werden.
Schließlich ist ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Überprüfung der Qualität einer Klebeverbindung, die nach dem zuvor beschriebenen Fügeverfahren erzeugt wurde, wobei vorgesehen ist, dass eine Messung des elektrischen Widerstands zwischen verschiedenen Punkten eines Bauteils oder dem einen und dem anderen Bauteil unter Einfluss einer mechanischen Dehnung auf die Fügestelle erfolgt, das Verhältnis des elektrischen Widerstands, der Impedanz, oder der Admittanz zur Dehnung mit vorbestimmten Werten, insbesondere Werten aus vorhergehenden Messungen an dergleichen Klebeverbindungen, Werten welche das Verhältnis oder den Kurvenverlauf charakterisieren und/oder Absolutwerten, die aus geometrischen oder elektrischen Eigenschaften ermittelt werden, verglichen wird und bei einer Abweichung des Verhältnisses über einen bestimmten Toleranzbereich hinaus oder dem Auftreten von Unstetigkeiten in der Widerstands-Dehnungskurve auf ein Teilversagen der Klebeverbindung geschlossen wird.
Dieses Prüfungsverfahren wird durch die spezifische, mit dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren erzielte anisotrope elektrische Verbindung der zwei Bauteile ermöglicht, indem die dabei erzielte, diskrete, an mehreren Punkten erzeugte elektrische Verbindung, die voneinander wiederum elektrisch isoliert sind, dazu genutzt wird, um eine Widerstandsmessung über den Klebespalt durchzuführen. Die Erfindung macht sich dabei zunutze, dass die durch die Makrostrukturen aus Kohlenstoffnanoröhrchen ausgebildete elektrische Verbindung über den Klebespalt ihren elektrischen Widerstand ändert, wenn eine mechanische Dehnung an den Klebespalt angelegt wird oder Risse auftreten und in einer Messung des elektrischen Widerstands über der Dehnung zwischen den Effekten, die bei bestehender und intakter adhäsiver und kohäsiver Verbindung über den Klebespalt durch die Dehnung erzeugte Widerstandsänderung zu einer durch eine lokale, partielle Delamination einer Makrostruktur von einem Fügeflächenbereich oder einem Versagen innerhalb des Klebstoffs durch Überschreitung der zulässigen Kohäsivspannung erzeugte Trennung unterschieden werden kann. Grundsätzlich zeigen die erfindungsgemäßen Makrostrukturen unter Einwirkung einer mechanischen Dehnung eine proportionale Erhöhung ihres elektrischen Widerstandes. Treten jedoch Delaminationen oder Klebstoffbrüche auf, so zeigen sich diese durch einerseits einen plötzlichen, durch eine Unstetigkeit charakterisierten Anstieg des Widerstands, andererseits durch eine über die Summe solcher Delaminationen gebildete Steigungserhöhung des Widerstands über der Dehnung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische, geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
2 eine schematische, geschnittene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
3 eine schematische Darstellung des Ablaufs der Herstellung eines erfindungsgemäßen Klebstoffs.
Wie aus 1 ersichtlich, sind zwei Bauteile, welche miteinander verklebt werden sollen und hierbei über den Klebespalt eine anisotrope elektrische Verbindung ausbilden sollen, solcherart angeordnet, dass der Fügeflächenbereich 11 eines ersten Bauteils 10 gegenüberliegend zum Fügeflächenbereich 21 eines zweiten Bauteils 20 angeordnet ist. Zwischen den beiden Fügeflächen 11, 21 ist ein Klebespalt 30 ausgebildet.
In der ersten Fügefläche 11 sind elektrisch leitfähige Fügeflächenbereiche 11a, b, c ausgebildet. Diesen Fügeflächenbereichen 11a, b, c liegen entsprechende Fügeflächenbereiche 21a, b, c gegenüber, die an der zweiten Fügefläche 21 ausgebildet sind. Die Fügeflächenbereiche 11a–c liegen in einer Ebene mit der Fügefläche 11, in gleicher Weise liegen die Fügeflächenbereiche 21a–c in einer Ebene mit der Fügefläche 21. Der Abstand d zwischen zwei benachbarten Fügeflächenbereichen 11a–c oder 21a–c ist größer als der Durchmesser einer Makrostruktur 40a–c, die im Klebespalt 30 angeordnet ist.
Die Makrostrukturen 40a, b, c bestehen aus einer Vielzahl agglomerierter Kohlenstoffnanoröhrchen und sind zu einer Kugelform mit einem Durchmesser D2 agglomeriert. Die Makrostrukturen 40a–c sind von einer Klebstoffmatrix 41 umgeben, welche sich im Bereich zwischen den Fügeflächenbereichen 11a–c und 21a–c an die Fügeflächen 11, 21 mit einer adhäsiven Kraft angefügt hat und eine Klebeverbindung herstellt. Bei der Klebstoffmatrix kann es sich insbesondere um einen Klebstoff aus der Gruppe der chemisch reagierenden Klebstoffe handeln, also um kalt- oder warmaushärtende Polykondensations-, Polymerisations- oder Polyadditionsklebstoffe. Vorzugsweise kommt ein Epoxidharz als Klebstoffmatrix zum Einsatz.
Die Makrostrukturen 40a–c liegen im Bereich der Fügeflächenbereiche 11a–c und 21a–c an und verbinden auf diese Weise jeweils die Fügeflächenbereiche 11a, 21a und 11b, 21b sowie 11c, 21c. Der Durchmesser D der Makrostrukturen ist größer als die Klebespaltdicke s und kleiner als der Abstand d. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass über die Makrostrukturen 40a–c ein elektrischer Kontakt durch unmittelbare Anlagerung an die Fügeflächenbereiche 11a–c, 21a–c erzielt wird und zugleich keine in Klebespaltlängsrichtung erzeugte elektrische Verbindung besteht, die von einer Makrostruktur 40a auf eine benachbarte Makrostruktur 40b eine elektrische Verbindung herstellen könnte.
Wie aus 2 zu ersehen ist, können bei dieser Ausführungsform Fügeflächenbereiche 111a–c und 121a–c an den Fügeflächen 111, 121 bereitgestellt sein, welche erhaben sind gegenüber zurückliegenden Flächenanteilen 111' und 121'. Hierdurch wird der Klebespalt zwischen zwei elektrisch miteinander zu verbindenden Fügeflächenbereichen bei Annäherung der Bauteile 110, 120 auf ein geringes Maß reduziert und eine elektrische Verbindung durch Makrostrukturen 140a–c erzielt. Die Makrostrukturen 140a–c haben hierbei eine Abmessung, welche die Gefahr einer unerwünschten elektrischen Querverbindung zwischen benachbarten Fügeflächenbereichen 111a–c an einem Bauteil 110 oder 121a–c an einem Bauteil 120 verhindert, selbst wenn Makrostrukturen 140d, e in diesen isolierenden Zwischenbereichen in der Klebstoffmatrix angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine insgesamt feinere Struktur der elektrischen Verbindung erzielt werden.
Bezugnehmend auf 3 ist ein bevorzugtes Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen Klebstoff dargestellt. Hierbei wird zunächst a) eine Anzahl von Kohlenstoffnanoröhrchen 1 in eine Fertigungshilfsmatrix 2 eingeführt und hierbei eine Konzentration der Kohlenstoffnanoröhrchen 1 in der Fertigungshilfsmatrix 2 erreicht, die oberhalb der Perkolationsschwelle liegt. Die daraufhin ohne äußeren Einfluss einsetzende Agglomeration der Kohlenstoffnanoröhrchen zu größeren Agglomeraten wird durch eine Scherung der Fertigungshilfsmatrix mit den darin verteilten Kohlenstoffnanoröhrchen in solcher Weise gesteuert, dass Makrostrukturen einer für die gewünschte Wirkung des Klebstoffs vorteilhaften Geometrie entstehen. Diese Scherung wird eingebracht, indem die Fertigungshilfsmatrix mitsamt den darin verteilten Kohlenstoffnanoröhrchen zwischen zwei Flächen 3, 4 angeordnet wird b), c) und diese Flächen in einem ersten Schritt d) in einer ersten Richtung relativ zueinander bewegt werden und in einem zweiten Schritt e) in einer zweiten Richtung relativ zueinander bewegt werden.
Durch diese beiden aufeinander folgenden Scherungen der Fertigungshilfsmatrix in zwei voneinander unterschiedlichen Richtungen werden Makrostrukturen erzeugt, die sich weitestgehend der idealen Kugelform annähern und folglich eine Zirkularität nahe 1 aufweisen.
Die solcherart erzielten Makrostrukturen 5 liegen nun f) in einer Konzentration in der Fertigungshilfsmatrix 2 vor, die unterhalb der Perkolationsschwelle liegt, d. h. die Makrostrukturen 5 sind in der Fertigungshilfsmatrix 2 dispergiert, elektrisch nicht miteinander verbunden und neigen nicht dazu, sich zu agglomerieren, um größere Makrostrukturen zu bilden.
In einem weiteren Fertigungsschritt g) werden die solcherart gebildeten Makrostrukturen 5 nun durch Destillation der Fertigungshilfsmatrix 2 daraus extrahiert und liegen nun in einer schüttfähigen Form vor. Die Makrostrukturen werden dann h) in eine Klebstoffmatrix 6 in wiederum einer solchen Konzentration eingebracht, dass sie unterhalb der Perkolationsschwelle vorliegen und folglich eine feinverteilte Dispersion innerhalb der Klebstoffmatrix einnehmen können.
Dabei kann, je nachdem wie die Aushärtung der flüssigen Klebstoffmatrix erzielt werden soll, vorgesehen sein, dass die Makrostrukturen nur in eine von zwei Komponenten der Klebstoffmatrix eingebracht werden oder in beide Komponenten der Klebstoffmatrix eingebracht werden und die beiden Komponenten dann zu einem Zeitpunkt, der kurz vor der beabsichtigten Verarbeitung liegt, miteinander vermischt werden, um hierdurch eine zeitlich verzögerte chemische Reaktion, die zur Aushärtung der Klebstoffmatrix führt, auszulösen. In anderen Ausgestaltungen, in denen eine fotoinduzierte, wärmeinduzierte oder durch Reaktion mit Umgebungsluft oder dgl. induzierte Aushärtung der Klebstoffmatrix vorgesehen ist, wird mit einer einkomponentigen Klebstoffmatrix gearbeitet und die Aushärtung durch entsprechende Einwirkung auf die Klebstoffmatrix herbeigeführt, sobald sich diese in dem Klebespalt in der gewünschten Weise verteilt hat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2001316655 A [0004]
EP 0748507 B1 [0005]
US 2009/0011232 A1 [0007]
DE 102005063403 A1 [0008]

Claims

Elektrisch leitfähiger Klebstoff, umfassend: einen adhäsiv wirksamen und elektrisch nicht oder nur schwach leitfähigen Matrixwerkstoff (6; 41), vorzugsweise aus einem Polymermaterial oder einem polymerisierbaren Material, und eine in dem Matrixwerkstoff verteilte Phase aus elektrisch leitfähigen Kohlenstoffnanoröhrchen (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Vielzahl einzelner Makrostrukturen (40a–c; 140a–c; 5) vorliegen, dass jede Makrostruktur aus einer Vielzahl agglomerierter und einen elektrischen Kontakt untereinander ausbildender Kohlenstoffnanoröhrchen besteht und die Makrostrukturen in dem Matrixwerkstoff in einer Konzentration vorliegen, die unterhalb der Perkolationsschwelle der Makrostrukturen innerhalb des Matrixwerkstoffs liegt.
Klebstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Makrostrukturen in einer im Wesentlichen sphärischen Geometrie vorliegen und dass die Werte von Höhe, Breite und Länge einer Makrostruktur in keinem der Werte um mehr als 50% von einem der anderen Werte abweicht.
Klebstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Makrostrukturen in einer Form vorliegen, die durch Scherung einer Flüssigkeit mit darin verteilten Kohlenstoffnanoröhrchen erzielt wird, insbesondere durch eine erste Scherung der Flüssigkeit in einer ersten Richtung gefolgt von einer zweiten Scherung in einer zweiten Richtung, die von der ersten Richtung verschieden ist.
Klebstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen in dem Matrixwerkstoff in einer Konzentration oberhalb der Perkolationsschwelle der Kohlenstoffnanoröhrchen in dem Matrixwerkstoff vorliegen.
Klebstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Makrostruktur zumindest ein Element enthalten ist, welches funktional wirksam zur Verbindung mit einem Fügeflächenbereich ausgebildet ist, insbesondere ein magnetisches Element.
Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs, mit den Schritten: a. Bereitstellen einer Fertigungshilfsmatrix (2), b. Einbringen von Kohlenstoffnanoröhrchen (1) in die Fertigungshilfsmatrix, c. Agglomerieren der Kohlenstoffnanoröhrchen zu Makrostrukturen (5) innerhalb der Fertigungshilfsmatrix, und d. Verteilen der Makrostrukturen in einer polymeren Klebstoffmatrix (6) in einer Konzentration, die unterhalb der Perkolationsschwelle der Makrostrukturen in der Klebstoffmatrix liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schritt c und d folgende Schritte erfolgen: – Extrahieren der Makrostrukturen (5) aus der Fertigungshilfsmatrix (2), vorzugsweise durch Destillation, und – Einbringen der der Makrostrukturen (5) in die Klebstoffmatrix (6),
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fertigungshilfsmatrix (2) chemisch übereinstimmend mit der Klebstoffmatrix (6) ist und nach Schritt c die Konzentration der Makrostrukturen ggfs. durch Destillation erhöht oder durch Hinzufügen von Klebstoffmatrix verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen in Schritt c. durch Einbringen einer Scherung in die Fertigungshilfsmatrix, insbesondere von zeitlich aufeinanderfolgendem Einwirken von Scherkräften in zwei unterschiedlichen Richtungen, zu den Makrostrukturen agglomeriert werden, vorzugsweise unter gleichzeitigem Einbringen von Druckkräften.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Agglomeration der Kohlenstoffnanoröhrchen in Schritt c. durch eine Viskositätsverringerung, insbesondere durch Erwärmen, der Fertigungshilfsmatrix unterstützt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen in Schritt b. in einer Konzentration in die Fertigungshilfsmatrix eingebracht werden, die oberhalb der Perkolationsschwelle der Kohlenstoffnanoröhrchen in der Fertigungshilfsmatrix liegt.
Verfahren zum elektrisch leitfähigen Verkleben von zwei Bauteilen (10, 20), mit den Schritten: a. Bereitstellen eines Klebstoffs (41, 40a, b, c), umfassend eine Klebstoffmatrix (41) aus einem adhäsiv wirksamen Stoff und eine Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhrchen, b. Einbringen des Klebstoffs auf zumindest eine Fügefläche (21) eines der beiden zu fügenden Bauteile, c. Zusammenfügender beiden Bauteile solcherart, dass die Fügefläche (11) des einen Bauteils auf die Fügefläche (21) des anderen Bauteils aufgelegt wird und sich zwischen diesen beiden Fügeflächen ein Klebespalt (30) ausbildet, wobei die Dicke (s) des Klebspalts zumindest in denjenigen Klebespaltabschnitten, die zwischen zwei einander gegenüberliegenden Fügeflächenbereichen liegen, zwischen denen eine elektrisch leitfähige Verbindung von dem Fügeflächenbereich des einen Bauteils über den Klebspaltabschnitt zu dem Fügeflächenbereich des anderen Bauteils erzeugt werden soll, kleiner oder gleich einer Abmessung (D) einer Makrostruktur (40a, b, c) ist, die aus einer Vielzahl der Kohlenstoffnanoröhrchen gebildet ist und in der Klebstoffmatrix (41) vorliegt, d. Ausbilden einer elektrischen Verbindung mittels Makrostrukturen aus Kohlenstoffnanoröhrchen in Klebespaltabschnitten, die zwischen Fügeflächenbereichen liegen, die zum Klebspalt hin- und aufeinander zuweisende elektrisch leitfähige Fügeflächenbereiche (11a–c, 21a–c) aufweisen und hierüber elektrisch miteinander verbunden werden sollen, e. Aushärten des Matrixwerkstoffes
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeflächen (11, 21) eben sind und der Abstand (d) zwischen einem ersten Fügeflächenbereich (11a) an einem Bauteil (10) und einem zweiten Fügeflächenbereich (11b) an demselben Bauteil, die beide mit jeweils gegenüberliegenden Fügeflächenbereichen am anderen Bauteil über jeweils entsprechende Klebespaltabschnitte elektrisch verbunden werden sollen, größer als eine Abmessung (D) der Makrostrukturen (40a–c) ist, insbesondere größer als die größte Abmessung der Makrostrukturen, so dass der Klebespaltabschnitt zwischen dem ersten Fügeflächenbereich und dessen gegenüberliegendem Fügeflächenbereich am anderen Bauteil elektrisch isoliert ist von dem Klebespaltabschnitt zwischen dem zweiten Fügeflächenbereich und dessen gegenüberliegendem Fügeflächenbereich am anderen Bauteil.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Klebespaltabschnitt zwischen zwei einander gegenüberliegenden, elektrisch zu verbindenden Fügeflächenbereichen (111a, 121a) eine geringere Dicke aufweist als ein Klebespaltabschnitt zwischen einander gegenüberliegenden Fügeflächenbereichen (111', 121'), zwischen denen keine elektrische Verbindung über den Klebspalt ausgebildet werden sollen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die geringere Dicke des Klebespalts zwischen den zwei einander gegenüberliegenden, elektrisch zu verbindenden Fügeflächenbereichen erzeugt wird, indem zumindest einer der beiden Fügeflächenbereiche (111a–c, 121a.c) erhaben gegenüber den ihn umgebenden Fügeflächenbereichen (111', 121') der selben Fügefläche ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12–15, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem Fügeflächenbereich eine Oberflächenstruktur ausgebildet ist, welche eine formschlüssige Verbindung mit einer Makrostruktur ausbilden kann und die elektrische Verbindung mittels Durchspülen des Klebespaltes mit dem Klebstoff und mechanische Befestigung einer Makrostruktur an der Oberflächenstruktur erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12–16, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtung des Matrixwerkstoffs durch Einwirkung eines Gleichstroms oder Wirbelstroms auf den im Klebespalt befindlichen Klebstoff erfolgt.
Verfahren zur Überprüfung der Qualität einer Klebeverbindung, die nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 12–16 hergestellt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messung des elektrischen Widerstands, der Impedanz oder der Admittanz zwischen verschiedenen Punkten eines Bauteils, oder dem einen (10) und dem anderen Bauteil (20) unter Einfluss einer mechanischen Dehnung auf die Fügestelle erfolgt, das Verhältnis des elektrischen Widerstands zur Dehnung mit vorbestimmten Werten verglichen wird und bei einer Abweichung des Verhältnisses über einen bestimmten Toleranzbereich hinaus, oder dem Auftreten von Unstetigkeiten in der Widerstands-Dehnungskurve, auf ein Teilversagen der Klebeverbindung geschlossen wird.