DE102011109577A1 - Elektrisch leitendes Material sowie Strahler mit elektrisch leitendem Material sowie Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Elektrisch leitendes Material sowie Strahler mit elektrisch leitendem Material sowie Verfahren zu dessen Herstellung Download PDF

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Materials (1), wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet: a. Bereitstellen einer Struktur (2) aus elektrisch leitenden Fasern (3), b. Herstellen einer kohlenstoffbasierten, elektrische Leitfähigkeit aufweisenden Matrix (5), welche die elektrisch leitenden Fasern (3) zumindest teilweise umgibt, wobei vor oder nach dem Herstellen der Matrix (5) zumindest ein Teil der elektrisch leitenden Fasern (3) in einer möglichen Stromflussrichtung (9) gesehen unterbrochen werden. Ferner werden auf entsprechende Weise erhältliche elektrisch leitende Materialien (1) vorgeschlagen. Schließlich ist ein Strahler (23) angegeben, welcher ein transparentes oder transluzentes Gehäuse sowie ein erfindungsgemäßes elektrisch leitendes Material (1) enthält. Mit der Erfindung lassen sich elektrisch leitende Materialien (1) mit vergrößertem elektrischen Widerstand bereitstellen. Damit können nunmehr insbesondere Strahler (23) mit nahezu beliebiger Länge bei üblichen Netzspannungen betrieben werden.

Description

  • Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Materials, ein elektrisch leitendes Material sowie einen Strahler, welcher ein elektrisch leitendes Material beinhaltet.
  • Die hier in Rede stehenden elektrisch leitenden Materialien kommen insbesondere als elektrisch beheizte Elemente für den Einsatz in Glühlampen oder Infrarotstrahlern in Betracht. Demnach eignen sich solche elektrisch leitenden Materialien insbesondere zur zielgerichteten Emission von Strahlen im sichtbaren und insbesondere auch im nicht sichtbaren Wellenlängenbereich.
  • Derartige elektrisch leitende Materialien sind oftmals kohlenstoffbasiert oder bestehen überwiegend aus Kohlenstoff. Elektrisch leitende Materialien der hier in Rede stehenden Art können jedoch als Ausgangsmaterial alternativ oder zusätzlich von Kohlenstoff verschiedene Materialien aufweisen, welche eine elektrische Leitfähigkeit bereitstellen.
  • In gebrauchsfertiger, konfektionierter Form werden in Rede stehende elektrisch leitende Materialien gegebenenfalls auch als Glühfaden, Glühdraht, Glühwendel, Heizstab und insbesondere als Filament bezeichnet. Sofern im Folgenden von Filamenten die Rede ist, ist hierbei stets auch das elektrisch leitende Material umfasst, aus welchem das Filament aufgebaut ist.
  • Die Herstellung elektrisch leitender Materialien, insbesondere von kohlenstoffbasierten Materialien, für den Einsatz als elektrisch beheiztes Element für den Einsatz in Glühlampen oder Infrarotstrahlern ist seit langem bekannt. Solche elektrisch leitenden Materialien unterlaufen eine Vielzahl von Fertigungsschritten, die darauf abgestellt sind, die Materialien für einen dauerhaften Einsatz bei Temperaturen oberhalb von 800°C vorzubereiten.
  • Dabei besteht im Allgemeinen die Schwierigkeit, stets alle Materialien bzw. Filamente eines Fertigungsloses trotz Schwankungen der Eigenschaften des Ausgangsmaterials in einem definierten Toleranzbereich in Bezug auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften zu fertigen und so konstante, gleichbleibende Eigenschaften der Strahlenquelle zu gewährleisten. Die elektrischen Eigenschaften sind dabei im Allgemeinen so einzustellen, dass die erwünschte Leistung (bei Infrarotstrahlung) oder die Farbtemperatur (bei Glühlampen) bei vorgegebener Nennspannung und vorgegebenen Abmessungen der Strahlungsquelle erreicht werden. Des Weiteren soll das elektrisch leitende Material eine ausreichende mechanische Festigkeit und Formbeständigkeit aufweisen. Schließlich sollen sich der Aufwand und die Kosten für die Herstellung des elektrisch leitenden Materials in einem vertretbaren Rahmen bewegen.
  • Je nach gewünschtem Einsatzzweck hier in Rede stehender elektrisch leitender Materialien werden im Allgemeinen die oben aufgezeigten Anforderungen variieren, und verschiedene technische Lösungen zur Einhaltung dieser Anforderungen werden vom zuständigen Fachmann gewählt werden. Ein Überblick über die Herstellung genannter elektrisch leitender Materialien ist dabei John W. Howell, Henry Schroeder: History of the Incandescent Lamp, The Maqua Company, Schenectady, NY 1927, entnehmbar.
  • Beispielsweise lassen sich genannte elektrisch leitende Materialien herstellen, indem Fasern, welche eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, mit einem geeigneten Umgebungsmaterial umgeben werden. Dieses Umgebungsmaterial kann daraufhin eine geeignete Matrix für die elektrisch leitenden Fasern bereitstellen, und zwar insbesondere nach Durchführung einer Hitzebehandlung.
  • Es liegt auf der Hand, dass der Fachmann zur Erzielung konkreter Eigenschaften gemäß oben dargelegtem Anforderungsprofil bestrebt sein wird, die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials zielgerichtet zu variieren. Dazu sind aus dem Stand der Technik eine Reihe von Ansätzen bekannt.
  • Zunächst ist eine Variation der Querschnittsfläche des elektrisch leitenden Materials, insbesondere in konfektionierter Form als Filament, bei gleichbleibender Oberfläche denkbar. Bei elektrisch leitenden Materialien, welche als gestreckte Bänder ausgestaltet sind, lassen sich so bei annähernd konstantem Umfang und abnehmender Dicke die elektrischen Werte über einen weiten Bereich einstellen. Sollen jedoch längere Strahler bei üblichen Spannungen betrieben werden, erweisen sich solche als elektrisch leitendes Material verwendeten gestreckten Bänder als zu dünn, zu brüchig und zu rissanfällig.
  • Aus der EP 0 700 629 B1 sind elektrisch leitende Materialien, insbesondere als Filament konfektioniert, bekannt, welche hohe Leistungen bei großer Strahlerlänge und gleichzeitig vertretbarer Stabilität des elektrisch leitenden Materials, nämlich des Filaments, bereitstellen. Allerdings ist dort der elektrische Widerstand der vorgeschlagenen Filamente zu gering, um sehr lange Strahler bei industriell üblichen elektrischen Spannungen betreiben zu können. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass eine Variation der Sorte der elektrisch leitenden Fasern innerhalb des elektrisch leitenden Materials oder der Harzsorte als Matrixbildner keine entscheidende Veränderung dieser Eigenschaft bereitstellt, wenn das Filament aus elektrisch leitendem Material gleichzeitig sicher verarbeitbar sein soll.
  • Alternativ oder zusätzlich ist bekannt, Ausgangsstoffe des elektrisch leitenden Materials zu dotieren, um bestimmte elektrische Eigenschaften zu erreichen. So kann ein elektrisch leitendes Material beispielsweise aus kristallinem Kohlenstoff, amorphem Kohlenstoff und weiteren Substanzen zum Einstellen der Leitfähigkeit hergestellt werden, wie beispielsweise Stickstoff und/oder Bor. Solche Materialien werden in US 6,845,217 B2 beschrieben. US 6,627,144 schlägt die Verwendung organischer Resine, Kohlenstoff-Pulver, Silicium-Carbid und Bor-Nitrid vor.
  • Auf diese Arten hergestelltes elektrisch leitendes Material besitzt jedoch die Eigenschaft, dass hieraus erhaltene Filamente bzw. Heizstäbe eine gewisse nicht unerhebliche Dicke nicht unterschreiten dürfen. Des Weiteren ist die Länge solcher Filamente bzw. Heizstäbe nach oben eng begrenzt. Der aus diesen mechanischen Anforderungen resultierende Querschnitt der Filamente hat jedoch eine hohe Leitfähigkeit bei geringer Oberfläche zur Folge. Außerdem macht die geringe mechanische Stabilität solcher Filamente eine industrielle Verarbeitung schwierig oder sogar unmöglich.
  • Um eine gute mechanische Stabilität bei geringerer Leitfähigkeit zu erhalten, ist die Verwendung elektrisch leitender Materialien für Lampen oder Strahler auf der Basis von Fasern oder faserhaltigem Material bekannt. Dabei können geringe Dicken des konfektionierten elektrisch leitenden Materials (beispielsweise als Filament oder Heizstab) bei gleichzeitig großen Oberflächen erreicht werden, so dass eine im Vergleich zu amorphem Grafit höhere Leitfähigkeit in den Fasern ausgeglichen werden kann. Solche Filamente werden üblicherweise mittels einer Carbonisierung und gegebenenfalls einer Grafitisierung gefertigt.
  • Das Carbonisieren erfolgt üblicherweise bei Temperaturen zwischen 400°C und 1500°C unter inerter Atmosphäre, wobei Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff und gegebenenfalls weitere vorhandene Elemente insbesondere aus dem die elektrisch leitenden Fasern umgebenden Material (Umgebungsmaterial) eliminiert werden, so dass ein elektrisch leitendes Material mit hohem Kohlenstoffgehalt entsteht. Das Umgebungsmaterial wird dabei zur Matrix, welche die elektrisch leitenden Fasern umgibt.
  • Ein Grafitisieren erfolgt bei Temperaturen zwischen 1500°C und 3000°C unter inerter Atmosphäre bei Atmosphärendruck oder auch im Vakuum, wobei nach dem Carbonisieren gegebenenfalls noch vorhandene kohlenstofffremde Bestandteile aus den elektrisch leitenden Fasern und der sie umgebenden Matrix ausgasen und dadurch die Mikrostruktur des elektrisch leitenden Materials beeinflusst wird. Als Matrix wird in diesem Zusammenhang das carbonisierte, die elektrisch leitenden Fasern umgebende Material (d. h. das carbonisierte Umgebungsmaterial) verstanden.
  • Zur Einstellung gewünschter elektrischer Eigenschaften ist im Zusammenhang mit solchen elektrisch leitenden Materialien bekannt, das elektrisch leitende Material zu dotieren. In US 487,046 wird die Zugabe von Stoffen aus der Gasphase, nämlich insbesondere von Carbiden, zum Einbau in das elektrisch leitende Material beschrieben. Dadurch verändern sich die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials. Dieses Verfahren benötigt jedoch eine. aufwändige dritte Wärmebehandlung, wobei jedes einzelne Filament behandelt werden muss. Des Weiteren wird durch die Dotierung mit Carbiden ein sehr sprödes elektrisch leitendes Material erzeugt, welches sich nicht für den Einsatz in großen Strahlern eignet.
  • Die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials lassen sich bereits auch während eines Grafitisierungsschritts beeinflussen. Die maximale Temperatur der Grafitisierung sowie deren Dauer beeinflussen dabei in einem gewissen Maß die Leitfähigkeit des entstehenden elektrisch leitenden Materials. Dieser Effekt wird in H. O. Pierson: Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerenes, Noyes Publications, Park Ridge, NJ 1993 beschrieben. Da jedoch die bei einer Grafitisierung herrschenden hohen Temperaturen den Widerstand des elektrisch leitenden Materials absenken, ist dieser Effekt bei der Herstellung elektrisch leitenden Materials für lange Strahler gerade kontraproduktiv, da für lange Strahler elektrisch leitende Materialien mit hohen Widerständen bei hohen Filamenttemperaturen benötigt werden.
  • Dasselbe gilt für eine Abscheidung von zusätzlichem Kohlenstoff auf der Oberfläche des elektrisch leitenden Materials durch Pyrolyse, wie beispielsweise in US 248,437 vorgeschlagen wurde. Ein solches Verfahren kann zwar das Auffüllen von Fehlstellen im elektrisch leitenden Material bzw. im Filament bewirken, führt jedoch stets zu einer Reduzierung des Widerstands, so dass auch hier keine Eignung des elektrisch leitenden Materials für den Einsatz in langen Strahlern erzielt wird.
  • GB 659,992 schlägt ein Verfahren zur Verringerung des Querschnitts von Filamenten aus einem kohlenstoffbasierten elektrisch leitenden Material vor. Dabei wird ein Ätzprozess in der Gasphase verwendet. Diese Ätzbehandlung ist jedoch sehr aufwändig und umfasst neben dem Carbonisierungs- und Grafitisierungsschritt mehrere zusätzliche Schritte. Des Weiteren lassen sich mit dem Ätzprozess nur elektrisch leitende Materialien bzw. Filamente behandeln, welche noch nicht mit elektrischen Kontakten versehen sind, Bei Filamenten, welche hohe elektrische Ströme aufnehmen sollen, werden diese jedoch bereits vor dem ersten Wärmeprozess endgültig angebracht. Daher lässt sich auch dieses Verfahren nicht einsetzen, um elektrisch leitende Materialien für Strahler mit großen Längen herzustellen.
  • Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass es bei bisher bekannten elektrisch leitenden Materialien bzw. bei Verfahren zu deren Herstellung kaum gelingt, die elektrischen Eigenschaften des Materials, insbesondere als Filament, durch die Auswahl von elektrisch leitenden Bestandteilen des Materials, insbesondere von elektrisch leitenden Fasern, zu beeinflussen. Zur Einstellung bestimmter elektrischer Eigenschaften ist es daher bisher üblich, die Länge und/oder die Querschnittsfläche des elektrisch leitenden Materials zu variieren, und/oder das elektrisch leitende Material auf eine der oben beschriebenen Arten während und/oder nach der Herstellung zu verändern, was die Zusammensetzung und/oder den Aufbau betrifft.
  • Allerdings ist die Verfügbarkeit von elektrisch leitenden Materialien bzw. von Verfahren zu deren Herstellung unbefriedigend, was den Einsatz von elektrisch leitenden Materialien in Strahlern mit großer Länge bei üblichen Werten der elektrischen Spannung angeht.
  • Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Beitrag zur Überwindung zumindest einer der sich aus dem Stand der Technik ergebenden und vorstehend beschriebenen Nachteile im Zusammenhang mit der Verfügbarkeit von elektrisch leitenden Materialien zu leisten.
  • Insbesondere lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch leitendes Material sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welches den Betrieb von Strahlern, insbesondere von Infrarotstrahlern, beliebiger Länge bei üblichen Netzspannungen erlaubt.
  • Auch lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch leitendes Material bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welches sich für den Einsatz in Strahlern, insbesondere in Infrarotstrahlern, und insbesondere in Carbon-Infrarotstrahlern, eignet, und welches sich in großen Längen, d. h. größer als 0,25 m, vorzugsweise größer als 0,5 m, bevorzugt größer als 1,0 m und besonders bevorzugt größer als 2,0 m, herstellen lässt.
  • Des Weiteren lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch leitendes Material bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welches bei sonst gleicher Ausgestaltung (Länge, Durchmesser) im Vergleich zu bisher bekannten elektrisch leitenden Materialien einen höheren elektrischen Widerstand aufweist.
  • Einen Beitrag zur Lösung mindestens einer der vorstehend genannten Aufgaben leistet ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Materials, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet:
    • a. Bereitstellen einer Struktur aus elektrisch leitenden Fasern,
    • b. Herstellen einer kohlenstoffbasierten, elektrische Leitfähigkeit aufweisenden Matrix, welche die elektrisch leitenden Fasern zumindest teilweise umgibt,
    wobei vor oder nach dem Herstellen der Matrix zumindest ein Teil der elektrisch leitenden Fasern in einer möglichen Stromflussrichtung gesehen unterbrochen werden.
  • In besonders raffinierter Weise ist erfindungsgemäß erreicht, dass ein in einer möglichen Stromrichtung orientierter Stromfluss durch das elektrisch leitende Material zwangsweise zumindest bereichsweise durch die Matrix verläuft, welche die elektrisch leitenden Fasern zumindest teilweise umgibt. So können die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials in bisher unerreichter Weise zum einen sehr zielgerichtet und exakt und zum anderen in einer überraschend großen Bandbreite variiert werden.
  • Zunächst lässt sich über den Anteil der Fasern, welche unterbrochen werden, bestimmen, welcher Anteil des Stromflusses zwangsweise durch das Matrixmaterial verläuft. Dazu kann ein Teil der elektrisch leitenden Fasern oder können sämtliche Fasern – über ihre Länge gesehen – einfach oder auch mehrfach unterbrochen werden.
  • Zum anderen kann über eine zielgerichtete Auswahl des Matrixmaterials, welches eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, insgesamt eine sehr genaue und reproduzierbare Auslegung der elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials erfolgen. Dazu kann beispielsweise ein Matrixmaterial mit einer eher geringen oder auch mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit ausgewählt werden.
  • Durch die erfindungsgemäß vorgesehene zwangsweise Einbeziehung des Matrixmaterials in den elektrischen Stromfluss ist das aus dem Stand der Technik bekannte Problem, wonach die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials ganz überwiegend durch die elektrisch leitenden Fasern vorgegeben werden, wirksam überwunden worden.
  • Ein elektrisch leitendes Material im Sinne der Erfindung umfasst dabei einerseits ein Grundmaterial, welches sich für eine weitere Verarbeitung und/oder Formgebung eignet. Insbesondere umfasst der Begriff des elektrisch leitenden Materials im Sinne der Erfindung jedoch auch Materialien, welche bereits eine bestimmte Konfektionierung erfahren haben, und umfasst im Speziellen auch ein Filament, einen Glühfaden, einen Glühdraht, eine Glühwendel, einen Heizstab, oder dergleichen. Des Weiteren kann das elektrisch leitende Material bereits über elektrische Anschlüsse verfügen.
  • Insbesondere, jedoch nicht einschränkend, bezieht sich das elektrisch leitende Material der Erfindung auf Materialien oder Filamente für Hellstrahler, insbesondere Lampen oder Infrarot-Strahler, deren Filamenttemperatur die Oxidationsgrenze von Carbon an Luft deutlich übersteigt, und die daher im Vakuum oder unter einer Schutzatmosphäre betrieben werden.
  • Der Begriff einer möglichen Stromflussrichtung durch das elektrisch leitende Material beschreibt zunächst jede beliebige Richtung, in welcher Strom durch das elektrisch leitende Material gemäß der Erfindung leitbar ist. Vorzugsweise betrifft eine bevorzugte Stromflussrichtung dabei jedoch eine Längserstreckungsrichtung des elektrisch leitenden Materials. Eine solche Längserstreckungsrichtung kann insbesondere mit der Längsachse eines Strahlergehäuses zusammenfallen, in welches das elektrisch leitende Material, insbesondere als Filament, einbringbar ist. Dabei ist jedoch stets möglich, dass das elektrisch leitende Material wendel- oder mäanderförmig aufgebaut ist, so dass in dieser Hinsicht eine Längserstreckungsrichtung des elektrisch leitenden Materials von einer Längsachse eines umgebenden Gehäuses abweichen kann.
  • Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das elektrisch leitende Material mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 95 Massen-% (Ma.-%) hergestellt. Ein bevorzugter Kohlenstoffgehalt beträgt insbesondere mehr als 96 Ma.-%, besonders bevorzugt mehr als 97 Ma.-%. Eine bevorzugte Obergrenze für den Kohlenstoffgehalt beträgt hingegen 99,6 Ma.-%.
  • Die elektrisch leitenden Fasern innerhalb des elektrisch leitenden Materials können Carbonfasern, Siliciumcarbidfasern, Fasern mit keramischen Bestandteilen, oder eine Mischung aus mindestens zwei hiervon, beinhalten. Sofern Carbonfasern verwendet werden, werden diese vorzugsweise aus Polyacrylnitril (PAN), Teer, Viskose, oder einer Mischung aus mindestens zwei hiervon, erhalten.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden auf Polyacrylnitril (PAN) basierende Carbonfasern verwendet, welche auf die Faserachse ausgerichtete Kohlenstoffnanoröhren aufweisen. Hierdurch lässt sich die Leitfähigkeit der Carbonfasern in Faserrichtung erhöhen. Daraus ergibt sich meist eine geringe Leitfähigkeit quer zur Faserrichtung, woraus ein höherer Widerstand resultieren kann.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Matrix eine geringere spezifische elektrische Leitfähigkeit als die elektrisch leitenden Fasern auf. Durch einen erfindungsgemäß erzwungenen Stromfluss durch zumindest einen Teilbereich der Matrix kann so eine Erhöhung des elektrischen Widerstands des elektrisch leitenden Materials insgesamt erreicht werden.
  • Vorzugsweise weist die Matrix eine um einen Faktor von mindestens 5, vorzugsweise mindestens 10, geringere spezifische elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu den elektrisch leitenden Fasern auf.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht die Verwendung elektrisch leitender Fasern, insbesondere von Carbonfasern, und insbesondere von PAN-basierten Carbonfasern, vor, welche bei Raumtemperatur einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1,0 × 10–3 bis 1,7 × 10–3 Ωcm, besonders bevorzugt von 1,6 × 10–3 Ωcm, aufweisen. Zusätzlich oder für sich gesehen ist die Verwendung eines Umgebungsmaterials bevorzugt, welches einen spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 107 Ωcm, besonders bevorzugt von mehr als 1016 Ωcm, bei Raumtemperatur aufweist. Das Umgebungsmaterial bezeichnet dabei das die elektrisch leitenden Fasern zumindest teilweise umgebende Material, aus welchem – insbesondere durch Carbonisieren – die elektrische Leitfähigkeit aufweisende Matrix hergestellt wird. Die angegebenen Werte des spezifischen elektrischen Widerstands beziehen sich dabei auf eine Bestimmung durch ein Messverfahren nach DIN IEC 60093:1983; Prüfverfahren für Elektroisolierstoffe; Spezifischer Durchgangswiderstand und spezifischer Oberflächenwiderstand von festen, elektrisch isolierenden Werkstoffen.
  • Die Matrix kann vorzugsweise durch eine Hochtemperaturbehandlung eines die Struktur aus elektrisch leitenden Fasern umgebenden thermoplastischen oder duroplastischen Materials, oder eine Mischung hiervon, in einem Temperaturbereich von 600°C bis 1500°C hergestellt werden. Besonders bevorzugt ist dabei ein Temperaturbereich von 800°C bis 1200°C. Das genannte, die elektrisch leitenden Fasern umgebende Material entspricht dabei dem bereits erwähnten Umgebungsmaterial, aus welchem die elektrische Leitfähigkeit aufweisende Matrix hergestellt wird. Die Hochtemperaturbehandlung kann dabei insbesondere ein Carbonisieren umfassen. Gegebenenfalls kann auf eine Carbonisierung eine Grafitisierung folgen. Beide Prozessschritte sind bereits obenstehend erläutert worden. Das mit hohen Temperaturen zu behandelnde, die elektrisch leitenden Fasern umgebende Material (Umgebungsmaterial) kann die Struktur aus elektrisch leitenden Fasern vorzugsweise beschichten, binden, halten oder imprägnieren.
  • Die Herstellung einer Matrix aus thermoplastischem und/oder duroplastischem Material ist bevorzugt. Zu dem thermoplastischen und/oder duroplastischen Material innerhalb des Umgebungsmaterials können weitere Füllstoffe, wie anorganische Teilchen, vorzugsweise Oxide, Sulfate, Aluminate, oder Mischungen hiervon, zugesetzt werden.
  • Sofern das Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Materials die Verwendung thermoplastischen Materials als Umgebungsmaterial und zur Umwandlung in die Matrix umfasst, ist eine Ausführungsform bevorzugt, in der das thermoplastische Material Polypropylen, Polyamid, Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat, Polycarbonat, Polysulfon, Polyphenylether, Polyphenylensulfid, Polyetheretherketon, Polyphthalamid, Polyetherimid oder Polyethersulfon, oder eine Mischung aus mindestens zwei hiervon, beinhaltet.
  • Bei Ausgestaltungen, welche die Verwendung von duroplastischem Material als Umgebungsmaterial vorsehen, ist die Verwendung eines duroplastischen Materials bevorzugt, welches ein Vinylesterharz, ein Phenolharz oder ein Epoxidharz, oder eine Mischung aus mindestens zwei hiervon, beinhaltet.
  • Generell ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt, in der das verwendete Umgebungsmaterial als Grundlage für die Matrix ein thermoplastisches Material umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann das Umgebungsmaterial jedoch auch ein duroplastisches Material aufweisen.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die nachfolgend aufgeführten Schritte auf:
    • a. Bereitstellen der Struktur aus elektrisch leitenden Fasern mittels eines Precursorflächengebildes, beinhaltend elektrisch leitende Fasern,
    • b. Carbonisieren der von den elektrisch leitenden Fasern verschiedenen Anteile des Precursorflächengebildes, und
    • c. Unterbrechen mindestens eines Teils der elektrisch leitenden Fasern durch Einbringen von Fehlstellen, insbesondere von Bohrungen.
  • Dabei kann das Precursorflächengebilde gemäß a. insbesondere ein so genanntes Carbonfasertape aufweisen, vorzugsweise ein unidirektionales und/oder thermoplastisches Carbonfasertape. Bei einem solchen Precursorflächengebilde bzw. Carbonfasertape können elektrisch leitende Fasern an oder in ein Umgebungsmaterial, insbesondere ein thermoplastisches Umgebungsmaterial, angelagert bzw. eingebettet sein. Dabei kann das Precursorflächengebilde, insbesondere ein Carbonfasertape, eine bandartige Erscheinungsform aufweisen. Ein unidirektionales Precursorflächengebilde, insbesondere ein Carbonfasertape, ist dabei gekennzeichnet durch eine parallele Anlagerung von elektrisch leitenden Fasern, und zwar insbesondere in Längserstreckungsrichtung des Precursorflächengebildes, insbesondere des Carbonfasertapes.
  • Der Verfahrensschritt gemäß b. dieser Ausführungsform ist dabei als Verfahrensschritt zu verstehen, in dem das gesamte Precursorflächengebilde, insbesondere das Carbonfasertape, der Hitzebehandlung gemäß beschriebenem Carbonisierungsverfahren ausgesetzt wird. Jedoch bildet sich im Ergebnis nur aus den von den elektrisch leitenden Fasern verschiedenen Anteilen, insbesondere aus thermoplastischen und/oder duroplastischen Polymeren, die Matrix, welche die elektrisch leitenden Fasern innerhalb des elektrisch leitenden Materials umgibt. So ist eine Ausgestaltung bevorzugt, in der das Precursorflächengebilde Carbonfasern als elektrisch leitende Fasern aufweist, und/oder die von den elektrisch leitenden Fasern verschiedenen Anteile des Precursorflächengebildes, insbesondere ein Umgebungsmaterial, thermoplastisches und/oder duroplastisches Material aufweisen.
  • Das Einbringen von Fehlstellen gemäß c. kann insbesondere durch das Setzen von Bohrungen bewerkstelligt werden. Dabei kann ein Laser, insbesondere mit einer Wellenlänge von 10,2 μm oder mit einer Wellenlänge von 1064 nm, Verwendung finden. Wird zum Setzen von Bohrungen ein Laser verwendet, ist die Verwendung eines CO2-Lasers bevorzugt. Für das Einbringen von Bohrungen in ein Precursorflächengebilde zum zielgerichteten Unterbrechen der elektrisch leitenden Fasern ist ein Bohrmuster bevorzugt, welches Bohrungsdurchmesser von jeweils 0,2 mm aufweist, und/oder worin der Abstand der Bohrungen in Bezug auf die Breite des Precursorflächengebildes 1 mm beträgt, und/oder worin der Abstand der Bohrungen in Bezug auf die Länge des Precursorflächengebildes (d. h. der Abstand der Bohrreihen untereinander) 1 mm beträgt. Ein genanntes Precursorflächengebilde, insbesondere ein Carbonfasertape, kann dabei gegebenenfalls auch als Filament bezeichnet werden, insbesondere wobei sich dieses in einer Längserstreckungsrichtung erstreckt.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung der letztgenannten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Precursorflächengebilde vor dem Carbonisieren zugeschnitten wird. Dabei wird das Precursorflächengebilde, insbesondere das Carbonfasertape, bevorzugt so zugeschnitten, dass die elektrisch leitenden Fasern parallel zur Schnittkante verlaufen. So kann eine genaue und reproduzierbare Einstellung der elektrischen Eigenschaften mittels dem nachfolgenden Einbringen von Bohrungen erfolgen. Eine ebenfalls sehr gut reproduzierbare und exakte Einstellbarkeit des elektrischen Widerstands des elektrisch leitenden Materials wird durch eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens erreicht, wonach vor dem Carbonisieren zumindest zwei Precursorflächengebilde, insbesondere Carbonfasertapes, unter einem von 0° abweichenden Winkel zueinander ausgerichtet aufeinander laminiert werden. Durch die Wahl des Winkels zwischen den zumindest zwei Precursorflächengebilden kann so eine Einstellung der elektrischen Eigenschaften innerhalb eines sehr breiten Bereichs erfolgen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Struktur aus elektrisch leitenden Fasern ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:
    • – einer Mehrzahl von Faserbündeln,
    • – einem Gewebe aus Fasern oder einer Mehrzahl von Faserbündeln oder mindestens zwei hiervon,
    • – einem Geflecht aus Fasern oder einer Mehrzahl von Faserbündeln oder mindestens zwei hiervon,
    • – einem Gestrick aus Fasern oder einer Mehrzahl von Faserbündeln oder mindestens zwei hiervon, oder
    • – einem Gewirk aus Fasern oder einer Mehrzahl von Faserbündeln oder mindestens zwei hiervon,
    oder einer Kombination aus mindestens zwei hiervon.
  • Faserbündel der oben genannten Art können auch als Rovings bezeichnet werden. Diese Begriffe werden hier synonym verwendet. Rovings sind Bündel aus Fasern, insbesondere aus Carbonfasern, welche bevorzugt sehr große Längen aufweisen. Des Weiteren sind Rovings vorzugsweise nicht verdrillte Faserbündel. Handelsübliche Rovings werden beispielsweise mit 12000, 3000 und seltener mit 1000 Fasern pro Roving angeboten. Der Durchmesser einer einzelnen Carbonfaser beträgt dabei im Allgemeinen ca. 5 μm bis ca. 8 μm.
  • Das sehr begrenzte Angebot von Rovings mit einer unterschiedlichen Anzahl von Fasern verdeutlicht erneut die bisher gemäß Stand der Technik festzustellende Begrenzung technisch möglicher Variationen von unterschiedlichen elektrisch leitenden Materialien bzw. Filamenten, da breit variierende Widerstandswerte bisher mit den wenigen kommerziell angebotenen Rovings nicht abdeckbar sind.
  • Eine bevorzugte weitere Ausgestaltung der letztgenannten Ausführungsform des Verfahrens betrifft ein Verfahren, in dem zur Herstellung der Matrix die Struktur aus elektrisch leitenden Fasern mit einem Umgebungsmaterial umgeben wird, wobei der entstandene Verbund vor einem nachfolgenden Grafitisierungschritt so zugeschnitten wird, dass zumindest ein Teil der elektrisch leitenden Fasern in einer Stromflussrichtung durch das elektrisch leitende Material gesehen unterbrochen wird. Es kann nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltung ebenfalls bevorzugt sein, dass der Zuschnitt vor einem Carbonisierungsschritt erfolgt.
  • Der Begriff des Umgebungsmaterials ist bereits erläutert worden und betrifft bevorzugt ein thermoplastisches und/oder ein duroplastisches Material, besonders bevorzugt lediglich ein thermoplastisches Material. Auch in Bezug auf eine Definition der Stromflussrichtung wird auf die bisherigen Ausführungen verwiesen. So betrifft eine Stromflussrichtung insbesondere eine Längserstreckungsrichtung des elektrisch leitenden Materials, kann jedoch allgemein jede mögliche Richtung betreffen, in der Strom durch das elektrisch leitende Material leitbar ist.
  • In bevorzugter Weise wird der Verbund aus der Struktur der elektrisch leitenden Fasern und dem Umgebungsmaterial vor der Weiterverarbeitung konsolidiert, womit eine mechanische Verfestigung bzw. Kompaktierung gemeint ist. Die Konsolidierung kann dabei mit einer Wärmeeinwirkung einhergehen, in einem solchen Fall liegt eine thermische Konsolidierung vor. Eine Konsolidierung kann beispielsweise durch Walzen oder Erhitzen des Verbunds, oder beidem, realisiert werden. Des Weiteren kann die Struktur aus elektrisch leitenden Fasern bereits vor dem Bilden des Verbunds, nämlich vor dem Umgeben der Struktur mit dem Umgebungsmaterial, einer Hitzebehandlung unterzogen werden. Das Umgebungsmaterial kann die Struktur aus elektrisch leitenden Fasern bevorzugt beschichten, binden, halten oder imprägnieren.
  • Des Weiteren ist bevorzugt, dass sämtliche Fasern der Struktur aus elektrisch leitenden Fasern bezogen auf zwei gegenüberliegende Enden des elektrisch leitenden Materials, insbesondere in Längsrichtung gesehen, und insbesondere bezogen auf zwei gegenüberliegende Enden eines sich in einer Längserstreckungsrichtung erstreckenden Filaments, mindestens einmal unterbrochen werden. Gemäß dieser Weiterbildung ist erreicht, dass keine einzige Faser innerhalb des elektrisch leitenden Materials, insbesondere innerhalb eines hieraus konfektionierten Filaments, von einem elektrischen Kontakt bis zu dem gegenüberliegenden elektrischen Kontakt verläuft. So verläuft der gesamte elektrische Stromfluss zwangsweise zumindest bereichsweise durch die Matrix. Die Unterbrechung der elektrisch leitenden Fasern wird vorzugsweise durch ein Zuschneiden des Verbunds aus elektrisch leitenden Fasern und dem Umgebungsmaterial erreicht.
  • Dabei kann eine Schnittkante, welche eine Längserstreckungsrichtung des noch aus dem Verbund zu bildenden elektrisch leitenden Materials vorgibt, bei Vorliegen eines Gewebes unter einem Winkel von 20° bis 70°, besonders bevorzugt von 40° bis 50°, gegen den Schussfaden geneigt sein, oder kann, bei Vorliegen eines Geflechts, insbesondere eines Flachgeflechts, parallel zur Geflechtkante verlaufen.
  • Mit anderen Worten ist nach dieser Ausgestaltung erreicht, dass die elektrisch leitenden Faser eine gewisse Neigung gegenüber der Längserstreckungsrichtung des später gebildeten elektrisch leitenden Materials aufweisen. Demnach verläuft zumindest ein Teil, vorzugsweise jedoch sämtliche Fasern, nicht ohne zumindest eine Unterbrechung von einem bis zu dem gegenüberliegenden Ende des elektrisch leitenden Materials. Vielmehr enden die elektrisch leitenden Fasern an der durch die Schnittkante vorgegebenen Ober- oder Unterkante des elektrisch leitenden Materials, insbesondere eines Filaments, bevor sie das gegenüberliegende Ende erreichen können. Dadurch ist zwangsweise ein Stromfluss durch die Matrix vorgegeben.
  • Gewebe entstehen im Allgemeinen, indem ein oder mehrere Schussfäden durch eine Reihe von Kettfäden geführt werden. In der Regel stehen Kett- und Schussfäden in einem Winkel von etwa 90° zueinander. Im Fall eines Geflechts werden mindestens drei Fäden umeinander gelegt. In der Regel stehen diese mindestens drei Fäden in einem von etwa 90° abweichenden Winkel zueinander. Im Vergleich zum Weben und Flechten erfolgt bei Gelegen keine Führung des Einzelfadens. Vielmehr werden die oft im Vergleich zum Flechten und Weben kürzeren Fäden eher zufällig abgelegt.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, vor dem Zuschneiden, die Struktur aus elektrisch leitenden Fasern und Umgebungsmaterial durch Mischen der elektrisch leitenden Fasern und des Umgebungsmaterials als Precursor Flächengebilde in Form eines Prepregs oder durch Dampfabscheiden des Umgebungsmaterials auf den elektrisch leitenden Fasern als Precursorflächengebilde in Form eines Abscheideaufbaus erhalten. Ein Prepreg kann dabei insbesondere ein Gewebe, Geflecht, Gestrick oder Gewirk aus elektrisch leitenden Fasern, insbesondere aus Carbonfasern, aufweisen, welches mit Umgebungsmaterial, insbesondere thermoplastischem und/oder duroplastischem Umgebungsmaterial, gemischt und gegebenenfalls konsolidiert wird. Der Faservolumenanteil im Prepreg beträgt vorzugsweise 40% bis 80%. Durch eine Variation dieses Verhältnisses kann der elektrische Widerstand des entstehenden elektrisch leitenden Materials zusätzlich wirkungsvoll beeinflusst werden. Das Mischen kann dabei einen Mischvorgang von Feststoffen oder ein Beschichten und/oder Tränken mit einer Flüssigkeit umfassen. Das Mischen kann generell mit einem Rührvorgang realisiert werden. Ein Tränkvorgang kann beispielsweise mittels eines Tränkbads oder eines Pinsels bewerkstelligt werden.
  • Ein Dampfabscheiden des Umgebungsmaterials kann insbesondere auf einem Gewebe, Geflecht, Gestrick oder Gewirk aus elektrisch leitenden Fasern, insbesondere Carbonfasern, stattfinden. Für das Dampfabscheiden wird ein CVD-Prozess (chemical vapor deposition) oder ein CVI-Prozess (chemical vapor infiltration) bevorzugt. Demnach ist ein Dampfabscheidevorgang nicht auf ein Beschichten der Struktur aus elektrisch leitenden Fasern beschränkt, vielmehr kann auch ein Durchsetzen der elektrisch leitenden Struktur mit dem Umgebungsmaterial stattfinden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die Struktur aus elektrisch leitenden Fasern Faserbündel beinhaltet, die vor dem Einbringen in die Struktur dickenreduziert werden, oder, dass die Dicke der Faserbündel in der Struktur nach der Herstellung der Struktur verringert wird, oder beides. Durch eine Dickenreduzierung der Fasern vor dem Einbringen in die Struktur und/oder der Struktur insgesamt lässt sich zusätzlich eine besonders wirksame Variierung der elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials bewirken. Die Fasern liegen vorzugsweise als Faserbündel bzw. Rovings vor, deren Dicke in genannter Weise reduziert ist. Rovings mit reduzierter Dicke weisen insbesondere einen elliptischen oder rechteckigen Querschnitt auf, es handelt sich vorzugsweise um gequetschte Rovings. Alternativ oder zusätzlich kann die gesamte Struktur aus elektrisch leitenden Fasern gequetscht, insbesondere gewalzt werden. Die Dicke der dickenreduzierten Faserbündel beträgt vorzugsweise weniger als 80% des nicht dickenreduzierten Faserbündels, vorzugsweise weniger als 50%, und besonders bevorzugt weniger als 25%.
  • Zusätzlich oder alternativ kann eine Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften stattfinden, falls innerhalb der Struktur aus elektrisch leitenden Fasern ein Flechtwinkel zwischen sich kreuzenden Fasern oder Faserbündeln oder beiden jeweils von 90° abweicht. Der Flechtwinkel beträgt vorzugsweise zwischen 45° und 160°. Vorzugsweise wird der Flechtwinkel nach der Herstellung der Struktur aus elektrisch leitenden Fasern durch Stauchen der Struktur nachträglich variiert. Durch eine zielgerichtete Veränderung des Flechtwinkels wird der Weg des Stromflusses durch das elektrisch leitende Material wirkungsvoll beeinflusst, nämlich insbesondere verlängert oder verkürzt. Alternativ oder zusätzlich kann so auch der Anteil des Matrixmaterials an der Gesamtstrecke des Stromflusses beeinflusst werden.
  • Hinsichtlich einer weiteren wünschenswerten Erhöhung des Widerstands des elektrisch leitenden Materials wird eine Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, bei der Kohlenstoff von dem elektrisch leitenden Material abgetragen wird. Dieser Abtragvorgang findet vorzugsweise nach der Fertigstellung des elektrisch leitenden Materials statt. Besonders bevorzugt ist hierbei eine Behandlung des elektrisch leitenden Materials mit einem reaktiven Fluid, insbesondere Wasserstoff und/oder Wasserdampf. Zusätzlich kann bei der Behandlung ein Schutzgas eingesetzt werden, vorzugsweise Argon.
  • Einen Beitrag zur Lösung der eingangs genannten Aufgaben leistet auch ein elektrisch leitendes Material, welches nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhältlich ist.
  • Dieses elektrisch leitende Material kann insbesondere zur Erzeugung von Infrarotstrahlung dienen, und eignet sich insbesondere zur Bereitstellung von Filamenten, Glühfäden, Glühdrähten, Glühwendeln oder Heizstäben als Strahlungsquellen, insbesondere für Infrarotstrahler. Es wird auf die Ausführungen das erfindungsgemäße Verfahren betreffend verwiesen.
  • Einen Beitrag zur Lösung der eingangs genannten Aufgaben leistet auch ein elektrisch leitendes Material, welches beinhaltet:
    • a. eine Struktur aus elektrisch leitenden Fasern,
    • b. eine elektrisch leitende Matrix, welche die elektrisch leitenden Fasern zumindest teilweise umgibt,
    wobei die elektrisch leitenden Fasern eine höhere spezifische Leitfähigkeit als die elektrisch leitende Matrix zeigen,
    wobei das elektrisch leitende Material sich in einer Längserstreckungsrichtung erstreckt, und wobei innerhalb des Materials in Längserstreckungsrichtung gesehen zumindest ein Teil der elektrisch leitenden Fasern zumindest einmal unterbrochen sind.
  • Vorzugsweise weist das elektrisch leitende Material elektrisch leitende Fasern auf, deren Faserlänge einer bimodalen Verteilung unterliegt.
  • Dabei ist die Erstreckung des Materials in einer Längserstreckungsrichtung gleichbedeutend mit einer Aussage, wonach das Material langgestreckt ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist ein elektrisch leitendes Material, in dem – bezogen auf eine zweckmäßige oder handelsübliche Länge, insbesondere als Filament – sämtliche elektrisch leitenden Fasern zumindest einmal unterbrochen sind. Dies bedeutet, dass sich in einem bevorzugten elektrisch leitenden Material keine einzige elektrisch leitende Faser ohne zumindest eine Unterbrechung von einem Ende des elektrisch leitenden Materials bis zu dem gegenüberliegenden Ende erstreckt. Auf die entsprechenden Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens wird verwiesen.
  • Innerhalb des elektrisch leitenden Materials können elektrisch leitende Fasern in Längserstreckungsrichtung des elektrisch leitenden Materials gesehen unterbrochen sein, indem elektrisch leitende Fasern sich in eine Richtung (Faserrichtung) erstrecken, welche gegen die Längserstreckungsrichtung geneigt ist, oder indem elektrisch leitende Fasern eine oder mehrere eingebrachte Fehlstellen aufweisen, oder beides.
  • Die genannten Fehlstellen können mechanisch, insbesondere durch das Setzen von Bohrungen, eingebracht werden. Vorzugsweise werden die Fehlstellen mit einem Laser in das Material eingebracht. Auf die diesbezüglichen obigen Erläuterungen wird verwiesen.
  • Für den Fall des Abweichens der Faserrichtung von der Längserstreckungsrichtung des elektrisch leitenden Materials verlaufen die Fasern dabei nicht von einem Ende des elektrisch leitenden Materials bis zu dem anderen Ende, da sie vorher den oberen bzw. den unteren Rand (d. h. die Ober- oder Unterkante) des elektrisch leitenden Materials erreichen und dort zwangsweise enden. Dadurch findet zwangsweise ein Stromfluss durch die Matrix statt. Zusätzlich oder alternativ können die Fasern ein- oder mehrfach durch mechanisch eingebrachte Fehlstellen, insbesondere Bohrungen, unterbrochen werden. Im Übrigen wird auf die entsprechenden Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
  • Innerhalb des elektrisch leitenden Materials können mindestens 50 Massen-% (Ma.-%), bezogen auf das elektrisch leitende Material, der Fasern eine Faserlänge von höchstens 0,5 m, bevorzugt höchstens 0,1 m, und besonders bevorzugt höchstens 0,05 m, aufweisen. Gemäß dieser Ausführung ist erreicht, dass auch bei großen Strahlerlängen zumindest ein wesentlicher Teil der elektrisch leitenden Fasern über die jeweilige Länge gesehen mindestens eine Unterbrechung aufweist, so dass die Matrix stets am Stromfluss beteiligt ist.
  • Im Konkreten, jedoch lediglich beispielhaft und nicht einschränkend, kann bei einem elektrisch leitenden Material (Endprodukt) bestehend aus einem Geflecht, welches mit Umgebungsmaterial versehen, geschnitten und carbonisiert wurde, die Faserlänge bevorzugt zwischen 5,4 mm (bei 5 mm Breite) und 52,3 mm (bei 20 mm Breite) betragen. Für den Fall, dass die Dicke des Endproduktes konstant ist, kann eine Korrelation der durchschnittlichen Faserlänge mit der Länge des elektrisch leitenden Materials (Filamentlänge) hergestellt werden. Je geringer die durchschnittliche Länge der elektrisch leitenden Fasern ausfällt, desto kürzer ist ein Strahler, welcher mit 230 V betrieben eine Farbtemperatur von 1250°C oder ein Wellenlängenmaximum von 1900 nm aufweist. Bevorzugt können die Fasern eine Länge zwischen 13 mm (bei 5 mm Breite) und 53 mm (bei 20 mm Breite) aufweisen, so kann ein Strahler mit einem 1200 mm langen, abstrahlenden Filament bei einem Betrieb mit 230 V ein Wellenlängenmaximum von 1900 nm erreichen. Alternativ können die elektrisch leitenden Fasern eine Länge zwischen 5,4 mm und 22 mm aufweisen, in diesem Fall kann ein Strahler mit einem 600 mm langen Filament beim Betrieb mit 230 V ein Wellenlängenmaximum von 1900 nm erreichen. Die Dicke des elektrisch leitenden Materials (Filament) kann dabei 0,35 mm betragen.
  • Bei einem elektrisch leitenden Material, welches ausgehend von einem Gewebe aus elektrisch leitenden Fasern mit Umgebungsmaterial versehen, geschnitten und carbonisiert worden ist, kann eine gleiche Anzahl von Fasern in Kett- und Schussfäden und/oder eine gleiche Verteilung der Fasern auf die Fläche in beiden Richtungen erreicht werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform mit einer parallel zu den Kettfäden orientierten Schnittkante kann die durchschnittliche Faserlänge zwischen 11 mm und 44 mm betragen. Bei einer alternativen Ausführungsform mit einer im Winkel von 45° zu den Kettfäden orientierten Schnittkante kann eine durchschnittliche Faserlänge zwischen 7 mm und 28 mm eingestellt werden.
  • Einen Beitrag zur Lösung der eingangs genannten Aufgaben leistet auch ein Strahler, welcher beinhaltet:
    • a. ein transparentes oder transluzentes Gehäuse;
    • b. ein in diesem Gehäuse angeordnetes elektrisch leitendes Material gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Das in dem Strahler angeordnete elektrisch leitende Material kann dabei insbesondere als Filament konfektioniert sein, und/oder die Form eines Glühdrahts, eines Glühfadens, einer Glühwendel, eines Heizstabs oder einer Heizplatte aufweisen.
  • Bevorzugt ist ein Strahler, in dem das elektrisch leitende Material eine solche Flexibilität aufweist, dass es kreisförmig und über dessen gesamte Länge um einen Radius von 1,0 m, bevorzugt geringer als 1,0 m, besonders bevorzugt von 0,25 m, gebogen werden kann, ohne dass es zu Brüchen der elektrisch leitenden Fasern und/oder der Matrix und/oder zur Trennung von elektrisch leitenden Fasern und der Matrix kommt. In allen Fällen sollte das elektrisch leitende Material das Bestreben aufweisen, nach dem Biegen wieder in die ihm aufgeprägte gestreckte Form zurückzukehren.
  • Der Strahler kann ein elektrisch leitendes Material aufweisen, welches eine elektrische Leitfähigkeit, gemessen als elektrische Betriebsspannung je Länge des elektrisch leitenden Materials, insbesondere des Filaments, in einem Bereich größer 1,5, bevorzugt größer 3,0, aufweist. Der Strahler kann ein elektrisch leitendes Material aufweisen, welches eine elektrische Leitfähigkeit, gemessen als elektrische Betriebsspannung je Länge des elektrisch leitenden Materials, insbesondere des Filaments, in einem Bereich größer 150 V/m, bevorzugt größer 300 V/m, aufweist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand nicht limitierender Figuren und konkreter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Im Folgenden werden die angefügten Figuren und die darin gezeigten Ausführungsbeispiele zunächst generell erläutert. Nachfolgend werden eine Anzahl von teilweise zusätzlichen Ausführungsbeispielen konkret dargelegt, wobei teils erneut auf die Figuren Bezug genommen wird.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Materials 1, welches nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erhältlich ist. Das elektrisch leitende Material 1 weist eine Struktur 2 aus elektrisch leitenden Fasern 3 auf. Diese Fasern 3 weisen gemäß vorliegendem Beispiel Carbonfasern 4 auf. Die elektrisch leitenden Fasern 3 sind des Weiteren von einer kohlenstoffbasierten, elektrische Leitfähigkeit aufweisenden Matrix 5 umgeben.
  • Das in 1 dargestellte elektrisch leitende Material 1 stellt den Ausschnitt eines Filaments 6 dar, welches als Strahlenquelle in einem Strahler verwendbar ist. Das elektrisch leitende Material 1, nämlich das Filament 6, wird aus einem Precursorflächengebilde 7 erhalten, welches hier ein unidirektionales Carbonfasertape 8 aufweist. Innerhalb des Carbonfasertapes 8 sind die elektrisch leitenden Fasern 3 in der Längserstreckungsrichtung und parallel zueinander angeordnet. Die Matrix 5 wurde durch Carbonisieren des Umgebungsmaterials der elektrisch leitenden Fasern 3 gebildet. Dieses Umgebungsmaterial ist beim vorliegenden Carbonfasertape 8 ein thermoplastisches Material. Beim vorliegenden Filament 6 ist eine mögliche Stromflussrichtung 9 durch die Längserstreckungsrichtung 10 des Filaments vorgegeben. Des Weiteren ist das Filament 6 so konfektioniert, dass die Schnittkanten 11 parallel zur Längserstreckungsrichtung 10 und parallel zu den elektrisch leitenden Fasern 3 orientiert sind.
  • Bei dem gezeigten elektrisch leitenden Material 1 sind sämtliche elektrisch leitenden Fasern 3 in einer möglichen Stromflussrichtung 9, nämlich in Längserstreckungsrichtung 10 gesehen, mehrfach unterbrochen. Dazu sind in dem Filament 6 eine Vielzahl von Fehlstellen 12, nämlich Bohrungen 13, eingebracht worden. Dadurch verläuft ein in der Stromflussrichtung 9 orientierter Stromfluss zwangsweise zumindest durch Teilbereiche der Matrix 5.
  • 2 zeigt ein Filament 6, welches ein Gewebe 14 als Ausgangsmaterial umfasst. Das Gewebe 14 besteht aus elektrisch leitenden Fasern 3, nämlich Carbonfasern 4, welche jeweils zu Faserbündeln 15 bzw. Rovings zusammengefasst sind. Bei dem gezeigten Filament 6 ist die Struktur 2 aus elektrisch leitenden Fasern 3, nämlich das Gewebe 14, noch von dem Umgebungsmaterial 16 umgeben, welches aus einem thermoplastischen Material besteht. Dementsprechend hat hier noch keine Carbonisierung und demnach keine Herstellung des eigentlichen elektrisch leitenden Materials stattgefunden. Der gezeigte Verbund aus der Struktur 2 aus elektrisch leitenden Fasern 3 und dem Umgebungsmaterial 16 ist jedoch bereits zugeschnitten worden, um die Form des Filaments 6 vorzugeben. Dabei verlaufen gemäß diesem Beispiel die Schnittkanten 11 parallel zu dem Kettfaden 17 des Gewebes 14. So wird im Ergebnis die elektrische Leitfähigkeit des fertigen Filaments 6, nämlich des noch zu bildenden elektrisch leitenden Materials, im Wesentlichen durch die gute elektrische Leitfähigkeit der Fasern 3 bestimmt. Des Weiteren sind die Schnittkanten 11 parallel zur Längserstreckungsrichtung 10 des Filaments 6 sowie zur Stromflussrichtung 9 ausgerichtet. Alternativ könnten die Schnittkanten 11 auch parallel zu dem Schussfaden 18 verlaufen.
  • 3 hingegen zeigt eine Abwandlung der Technik gemäß 2, die eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Materials verdeutlicht. Hier sind beide Schnittkanten 11 derart gegen den Schussfaden 18 und auch gegen den Kettfaden 17 geneigt, dass innerhalb des später erhältlichen elektrisch leitenden Materials keine elektrisch leitende Faser 3 ohne Unterbrechung zwischen den beiden elektrischen Kontakten (nicht dargestellt) des Filaments 6 verläuft. Die Form des Filaments 6 bzw. des späteren elektrisch leitenden Materials ist dabei durch den Zwischenraum zwischen den Schnittkanten 11 vorgegeben.
  • 4 verdeutlicht in schematischer Weise eine weitere vorteilhafte Ausprägung des erfindungsgemäßen Verfahrens und somit auch des erfindungsgemäßen Materials. Demnach wird vorgeschlagen, die elektrisch leitenden Fasern 3, hier Carbonfasern 4, welche zu Faserbündeln oder Rovings 15 zusammengefasst sind, in ihrem Querschnitt zu verändern. Die Faserbündel 15 können vor oder nach dem Einarbeiten in die Struktur aus elektrisch leitenden Fasern in Faserbündel mit elliptischem Querschnitt 19 oder in Faserbündel mit rechteckigem Querschnitt 20 umgearbeitet werden. Aufgrund einer entsprechenden Verringerung des Zwischenraums zwischen den elektrisch leitenden Fasern 3 in der Struktur aus elektrisch leitenden Fasern werden so die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials zielgerichtet veränderbar.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Struktur 2 aus elektrisch leitenden Fasern 3, welche hier als Geflecht 21 ausgebildet ist Diese Struktur 2 kann bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und zur Herstellung des erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Materials verwendet werden. Es ist erkannt worden, dass die elektrische Leitfähigkeit des später herzustellenden elektrisch leitenden Materials maßgeblich durch den Flechtwinkel 22 bestimmt wird. Folglich wird vorgeschlagen, die elektrische Leitfähigkeit der Struktur 2 durch Variieren des Flechtwinkels 22 zu beeinflussen. Dazu kann das Geflecht 21 vor einer Konsolidierung gestaucht werden. Dabei kann der Flechtwinkel 22 Werte bis zu 160° annehmen. Je größer der Flechtwinkel 22 ausfällt, desto höher ist der elektrische Widerstand des späteren elektrisch leitenden Materials. So ist gefunden worden, dass eine Vergrößerung des Flechtwinkels 22 von 45° auf 135° eine Erhöhung des Widerstands um 300% zur Folge hat.
  • 6 zeigt eine Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strahlers 23, welcher hier als Infrarotstrahler ausgebildet ist. Der Strahler 23 umfasst ein elektrisch leitendes Material 1, welches als langgestrecktes Filament 6 ausgebildet ist. Das Filament 6 ist dabei aus einem elektrisch leitenden Material 1 gemäß der vorliegenden Erfindung gefertigt. Das Filament 6 wird von einem transparenten Gehäuse 24 umgeben, welches auch als Hüllrohr bezeichnet werden kann. In dem Gehäuse 24 befindet sich ein Schutzgas, nämlich Argon. Alternativ kann das Filament 6 in dem Gehäuse 24 unter Vakuum betrieben werden.
  • Das Filament 6 ist mittels Kontaktelementen 25 mit elektrischen Zuleitungen 26 verbunden. Zwischen den Kontaktelementen 25 und den elektrischen Zuleitungen 26 ist jeweils ein spiralförmiges Ausgleichselement 27 angeordnet, um die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Gehäuses 24 und des Filaments 6 kompensieren zu können. Die elektrischen Zuleitungen 26 sind vakuumdicht aus dem Gehäuse 24 herausgeführt, Dazu können Quetschverbindungen oder beliebige andere zweckmäßige Techniken zur vakuumdichten Durchführung Verwendung finden.
  • MESSMETHODEN
  • Spezifischer elektrischer Widerstand
  • Die angegebenen Werte des spezifischen elektrischen Widerstands beziehen sich auf eine Bestimmung durch ein Messverfahren nach DIN IEC 60093:1983; Prüfverfahren für Elektroisolierstoffe; Spezifischer Durchgangswiderstand und spezifischer Oberflächenwiderstand von festen, elektrisch isolierenden Werkstoffen.
  • Elektrische Leitfähigkeit, spezifische elektrische Leitfähigkeit und elektrischer Widerstand Die Leitfähigkeit des elektrisch leitenden Materials kann im kalten Zustand und/oder vor dem Einbau in einen Strahler o. ä. mittels eines Widerstandsmessgeräts oder eines Leitfähigkeitsmessgerätes erfolgen, wobei aus den mittels Maßband oder Messschieber bestimmten geometrischen Abmessungen (Länge, Breite, Dicke) des elektrisch leitenden Materials, insbesondere als Filament, und dem gemessenen elektrischen Widerstand auch der spezifische elektrische Widerstand (s. o.) errechnet werden kann.
  • Der elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Materials, eingebaut in einen Strahler und/oder während des bestimmungsgemäßen Betriebs, kann aus einer Messung des Spannungsabfalls über den Strahler und der Messung des Stroms, der durch den Strahler fließt, mittels des Ohmschen Gesetzes berechnet werden. Sind zudem vor dem Einbau des elektrisch leitenden Materials in den Strahler die geometrischen Abmessungen des elektrisch leitenden Materials bestimmt worden, so lässt sich auf diese Weise zudem der temperaturabhängige Wert des spezifischen elektrischen Widerstands des elektrisch leitenden Materials berechnen. Diese Methode zur Berechnung des spezifischen elektrischen Widerstands ist bevorzugt, da hierbei die Messung nicht durch Kontaktwiderstände verfälscht werden kann.
  • Spezifische Leitfähigkeit der Fasern und des Matrixmaterials
  • Eine Bestimmung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit kann dadurch erfolgen, dass die elektrisch leitenden Fasern vor deren Einsatz zur Herstellung des elektrisch leitenden Materials und das Matrixmaterial gesondert vermessen werden. Das Matrixmaterial ohne elektrisch leitende Fasern kann erhalten werden, indem z. B. 50 g des Umgebungsmaterials (z. B. ein thermoplastisches Polymer) unter Luftausschluss für ca. 60 min bei ca. 980°C wärmebehandelt wird.
  • Faserlängenverteilung
  • Die Faserlängen sind geometrisch bestimmbar. Aus diesen Werten können die durchschnittliche Faserlänge sowie die Faserlängenverteilung abgeleitet werden.
  • Flexibilität des elektrisch leitenden Materials
  • Die Flexibilität ist bestimmbar, indem das elektrisch leitende Material kreisförmig und über dessen gesamte Länge. um einen Radius, welcher vorzugsweise einen Wert von ca. 0,25 m–1,0 m aufweisen kann, gebogen wird. Das Nichtauftreten von Brüchen der elektrisch leitenden Fasern und/oder der Matrix und/oder das Nichtauftreten einer Trennung von elektrisch leitenden Fasern und der Matrix ist dabei ein Maß für die Flexibilität des elektrisch leitenden Materials. Als besonders flexibel gelten beispielsweise elektrisch leitende Materialien, falls sie um ein Kreisprofil mit einem Radius von 0,25 m gebogen werden können. Um den Flexibilitätstest bei einem konkreten Radius zu bestehen, sollte das elektrisch leitende Material stets das Bestreben aufweisen, wieder in die ihm aufgeprägte gestreckte Form zurückzukehren.
  • Im Folgenden werden nicht limitierende Ausführungsbeispiele der Erfindung, insbesondere des erfindungsgemäßen Verfahrens und somit auch des erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Materials, näher erläutert. Sofern diese Ausführungsbeispiele auf die bereits erläuterten Figuren Bezug nehmen, sind entsprechende Passagen auch mit entsprechenden Bezugszeichen versehen.
  • BEISPIELE
  • Ausführungsbeispiel 1
  • Ausführungsbeispiel 1 bezieht sich auf die Herstellung eines Filaments gemäß 1. Dazu wird ein unidirektionales, thermoplastisches Carbonfasertape 8 eingesetzt, aus dem die bandförmigen Filamente 6 in den benötigten Abmessungen (Länge und Breite) zugeschnitten werden, wobei die Länge des Filaments 6 weit größer ist als die Breite. Dabei verlaufen die Carbonfasern 4 in der Längserstreckungsrichtung 10 des Filaments 6, parallel zur Schnittkante 11. Im Anschluss werden an den Filamenten 6 elektrische Kontakte (nicht dargestellt) angebracht, die Filamente 6 werden carbonisiert und bei Bedarf anschließend grafitisiert.
  • Die Filamente 6 werden sodann mit Bohrungen 13 mit einem Durchmesser von 0,1 mm bis 1,5 mm versehen, die mittels Laser in das Material eingebracht werden. Die Bohrungen 13 werden dabei so angeordnet, dass jede einzelne Carbonfaser 4 zwischen den beiden elektrischen Kontakten (hier nicht dargestellt) mindestens einmal durchtrennt ist. Damit ist sichergestellt, dass der Strom nicht den einzelnen Fasern 3, die in Faserrichtung, nämlich in der Stromflussrichtung 9, eine sehr hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit haben, direkt folgen kann. Der Strom muss in der Nähe der durchbohrten Fasern 3 von den durchtrennten Fasern 3 zu anderen nahegelegenen, an dieser Stelle nicht durchbohrten Fasern 3 übergehen.
  • Je nach Zahl, Anordnung und Durchmesser der Bohrungen 13 kann eine Erhöhung des elektrischen Widerstands des Filaments 6 um einen Faktor von bis zu vier erreicht werden. Um eine homogene Verteilung der Umsetzung der elektrischen Leistung in Wärme zu erreichen, ohne gleichzeitig die mechanische Integrität des Filaments 6 über Gebühr zu beeinträchtigen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Bohrungen 13 mit einem Durchmesser von 0,2 mm bis 0,5 mm und einer Anzahl von Bohrungen 13 von 1 je cm2 bis 100 je cm2 einzubringen. 1 illustriert beispielhaft ein solches Filament 6. Schematisch dargestellt sind die Bohrungen 13 sowie einzelne Carbonfasern 4 des unidirektionalen, thermoplastischen Carbonfasertapes 8.
  • Anschließend können diese Filamente 6 mit elektrischen Zuleitungen (hier nicht dargestellt) versehen werden, in Quarzrohre eingebracht werden und diese Quarzrohre geeignet verschlossen werden, so dass sich im Inneren des gebildeten Strahlerrohrs (nicht dargestellt) eine Schutzgasatmosphäre, bevorzugt aus Argon, befinden kann. Abschließend werden außen je nach Bedarf Keramiken und elektrische Zuleitungen (nicht dargestellt) angebracht. Diesbezüglich wird lediglich beispielhaft auf die Darstellung und Beschreibung gemäß 6 verwiesen.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • Dieses Ausführungsbeispiel nimmt näher Bezug auf 2 und 3.
  • Zur Herstellung des Filaments 6 wird als Ausgangsmaterial ein Gewebe 14 als Struktur 2 verwendet, das mit einem thermoplastischen Material als Umgebungsmaterial 16 beschichtet und anschließend konsolidiert wird. Aus diesem Verbund werden dann die bandförmigen Filamente 6 in den benötigten Abmessungen zugeschnitten.
  • Das Gewebe 14 besteht aus Carbonfasern 4, die als Faserbündel 15 bzw. Rovings (diese Begriffe werden hier synonym verwendet) aus möglichst wenigen Fasern 3 bestehen. Besonders geeignet sind Rovings 15 bzw. Bündel mit 25 tex bis 100 tex (1 tex ist definiert als 1 g pro 1000 Meter Faserlänge) sowohl als Kettfaden 17 als auch als Schussfaden 18. Der Einsatz von Rovings 15 aus Carbonfasern 4 mit 0,5 k, 1 k oder 3 k ist möglich, wobei 0,5 k und 1 k zu bevorzugen sind.
  • Das Gewebe 14 wird in Leinwandbindung, Köperbindung oder einer anderen Bindungsart hergestellt und erreicht ein Flächengewicht von 30 g/m2 bis zu maximal 500 g/m2. Auf das Gewebe 14 wird ein Thermoplast in Form von Pulver oder in Form dünner, das Gewebe überdeckender Folien als Umgebungsmaterial 16 aufgetragen. Zwar können hier unterschiedliche Thermoplaste, wie z. B. Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat (PET), Polycarbonat (PC), Polysulfon, Polyphenylenether (PPE), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon und/oder Mischungen hieraus verwendet werden, der Einsatz von PEEK ist jedoch zu bevorzugen.
  • Die aufgetragene Pulvermenge ist idealerweise so bemessen, dass ein Faservolumenanteil von etwa 60% im Faser-Umgebungsmaterial-Verbund erreicht wird. Das Umgebungsmaterial 16 wird homogen auf die zu beschichtende Fläche des Gewebes 14 aufgebracht. Die gleichmäßige Verteilung erfolgt bevorzugt über einen Rüttler, der das thermoplastische Pulver auf das ablaufende Gewebe 14 aufbringt. Das so beschichtete Gewebe 14 wird im folgenden Verarbeitungsschritt, bevorzugt in einem Autoklaven oder einer Heißpresse bei einer Temperatur zwischen 350°C und 425°C und einem Druck von 6 bis 9 bar konsolidiert. Mit diesen Verarbeitungsschritten werden die späteren elektrischen Eigenschaften des Filaments 6 vordefiniert. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit kann dabei über die Wahl der Carbonfaser 4, die Auswahl des Umgebungsmaterials 16 und über den Volumenanteil des Umgebungsmaterials 16 im konsolidierten Verbund eingestellt werden. Der elektrische Widerstand wird zudem durch des Flächengewicht (also der Masse je Fläche des konsolidierten Verbunds) beeinflusst.
  • Aus dem konsolidierten Verbund werden dann die Filamente 6 in der benötigten Breite und Länge zurechtgeschnitten. Wie 2 zeigt, können dabei die Schnittkanten 11 parallel zum Kettfaden 17 verlaufen, so dass die elektrische Leitfähigkeit des Filaments 6 im Wesentlichen durch die sehr gute elektrische Leitfähigkeit der Carbonfasern 4 in der Faserrichtung bestimmt wird. Alternativ könnten die Schnittkanten 11 auch parallel zum Schussfaden 18 verlaufen (nicht dargestellte Alternative).
  • Wenn die Schnittkanten 11 des Filaments 6 aber so verlaufen, dass jede Carbonfaser 4 des konsolidierten Verbunds beim Zurechtschneiden der einzelnen Filamente 6 aus dem Gewebe 14 durchtrennt wird, so dass keine Faser 3 ohne Durchtrennung direkt zwischen den beiden elektrischen Kontakten (nicht dargestellt) des Filaments 6 verläuft, wird die elektrische Leitfähigkeit des Filaments 6 erheblich verringert, da die Leitfähigkeit quer zur Faserrichtung um ein Vielfaches geringer ist. Ein solcher Zuschnitt ist in 3 dargestellt. Dementsprechend lässt sich die elektrische Leitfähigkeit der Filamente 6 über die Wahl des Winkels zwischen der Schnittkante 11 und der Faserrichtung (d. h. Kettfaden 17 oder Schussfaden 18) im konsolidierten Verbund maßgeblich einstellen.
  • Im Anschluss an das Zuschneiden werden an den Filamenten 6 elektrische Kontakte (nicht dargestellt) angebracht, die Filamente 6 werden carbonisiert und bei Bedarf anschließend grafitisiert.
  • Anschließend können diese Filamente 6 mit den üblichen elektrischen Zuleitungen versehen werden, in Quarzrohre eingebracht werden und diese Quarzrohre geeignet verschlossen werden, so dass sich im Inneren des Strahlerrohrs eine Schutzgasatmosphäre, bevorzugt aus Argon befindet. Abschließend werden außen je nach Bedarf Keramiken und elektrische Zuleitungen angebracht. Diesbezüglich wird lediglich beispielhaft auf die Darstellung und Beschreibung gemäß 6 verwiesen.
  • Insbesondere kann so für unterschiedliche technische Anforderungen an Filamente 6 – diese sind definiert durch die Nennspannung, die benötigte Nennleistung bei Anlegen der Nennspannung und der Länge des Filaments 6 – jeweils einfach und schnell ein passendes Filament 6 hergestellt werden.
  • Ausführungsbeispiel 3
  • In einer Weiterbildung des Ausführungsbeispiels 2 wird dem beschriebenen Prozess der Beschichtung und Konsolidierung des Gewebes 14 mit dem Umgebungsmaterial ein Verfahrensschritt vorangestellt: Die für die Herstellung des Gewebes 14 eingesetzten Faserbündel 15 werden, wie in 4 illustriert, zunächst in ihrer Form von einem weitestgehend runden Bündelquerschnitt zu einem Faserbündel mit elliptischem Querschnitt 19 bzw. zu einem Faserbündel mit rechteckigem Querschnitt 20 umgearbeitet.
  • Dieses wird bevorzugt erreicht, indem das Gewebe 14 gemäß 3 locker über ein Gebläse läuft oder das Gewebe durch Walzen geführt wird. Dabei verteilen sich die Fasern 3 homogen über die vorgegebene Fläche. Die anfangs im Gewebe 14 vorhandenen Leerräume schließen sich nahezu vollständig und das Gewebe 14 wird flacher.
  • Ausführungsbeispiel 4
  • In einer Weiterbildung des Ausführungsbeispiels 3 werden die einzelnen Faserbündel zunächst auf die maximale Breite und minimale Dicke gespreizt, bei der eine homogene Verteilung der Fasern sichergestellt ist. Dies entspricht bei den verwendeten Verfahren einer Anzahl von 1000 Fasern auf einer Breite von maximal 2 mm. Diese aufgespreizten Rovings werden anschließend zu einem Gewebe verarbeitet, ohne dass sich dabei die zunächst hergestellte Form verändert. Es können dabei Carbonfaserrovings als Kette oder Schuss mit bis zu 24000 Fasern je Roving eingesetzt werden. Damit lassen sich sehr dünne Gewebe herstellen.
  • Ausführungsbeispiel 5
  • In einer Weiterentwicklung der Ausführungsbeispiele 1 bis 4 wird das Filament einem weiteren Prozess unterzogen, in dem gezielt Kohlenstoff abgetragen wird. Dafür wird das Strahlerfilament auf eine Temperatur von mehr als 400°C gebracht und von einem Wasserstoff-Argon Gemisch überströmt. Über die eingestellten Prozessparameter – diese sind die Zusammensetzung des Gasgemisches, die Überströmgeschwindigkeit, der Druck, die Temperatur des Strahlerfilaments und die Prozessdauer – lässt sich die Abtragrate des Kohlenstoffes variieren. Damit wird Einfluss auf die Dicke des Filaments genommen und so der elektrische Widerstand eingestellt. Es kann so eine Erhöhung des elektrischen Widerstands des Strahlerfilaments um einen Faktor von bis zu 2,7 erreicht werden, ohne die mechanische Integrität des Filaments zu zerstören.
  • Ausführungsbeispiel 6
  • Zur Herstellung des Filaments wird ein Geflecht 21 aus elektrisch leitenden Fasern 3 verwendet, wie es schematisch in 5 dargestellt ist. Das Geflecht 21 wird mit einem thermoplastischen Material beschichtet und anschließend konsolidiert. Aus dem entstandenen Verbund werden dann Filamente in den benötigten Abmessungen zugeschnitten.
  • Das Geflecht 21 besteht aus Carbonfasern 4, die als Faserbündel 15 aus möglichst wenigen Fasern 3 bestehen. Besonders geeignet sind Rovings 15 bzw. Bündel mit 25 tex bis 100 tex (1 tex ist definiert als 1 g pro 1000 Meter Faserlänge). Der Einsatz von Rovings 15 aus Carbonfasern 4 mit 0,5 k, 1 k oder 3 k ist entsprechend möglich (1 k entspricht 1000 Fasern 3 je Bündel 15).
  • Das Geflecht 21 kann, als ein- oder zweiflechtiges Geflecht 21 hergestellt, ein Flächengewicht von 30 g/m2 bis zu maximal 500 g/m2 erreichen. Auf das Geflecht 21 wird ein thermoplastisches Material in Form von Pulver oder in Form von das Geflecht überdeckender Folien als Umgebungsmaterial aufgetragen. Zwar können hier unterschiedliche Thermoplaste, wie z. B. Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat (PET), Polycarbonat (PC), Polysulfon, Polyphenylenether (PPE), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon und/oder Mischungen hieraus verwendet werden, der Einsatz von PEEK ist jedoch zu bevorzugen.
  • Die aufgetragene Pulvermenge ist idealerweise so bemessen, dass ein Faservolumenanteil von etwa 60% im Faser-Umgebungsmaterial-Verbund erreicht wird. Das thermoplastische Umgebungsmaterial wird homogen auf die zu beschichtende Fläche des Geflechts 21 aufgebracht. Die gleichmäßige Verteilung erfolgt bevorzugt über einen Rüttler, der das thermoplastische Pulver auf das ablaufende bandartige Geflecht 21 aufbringt. Das so beschichtete Geflecht 21 wird im folgenden Verarbeitungsschritt, bevorzugt in einem Autoklaven oder einer Heißpresse bei einer Temperatur zwischen 350 und 425°C und einem Druck von 6 bis 9 bar konsolidiert. Mit diesen Verarbeitungsschritten werden die späteren elektrischen Eigenschaften des Filaments vordefiniert. Die elektrische Leitfähigkeit kann dabei über die Wahl der Carbonfaser 4, die Auswahl des Umgebungsmaterials, nämlich insbesondere eines thermoplastischen Materials, über das Flächengewicht (d. h. der Masse je Fläche des konsolidierten Verbunds) und über den Volumenanteil des Umgebungsmaterials im konsolidierten Material eingestellt werden.
  • Aus dem konsolidierten Verbund zwischen Geflecht 21 und Umgebungsmaterial werden dann die Filamente in der benötigten Breite und Länge zurechtgeschnitten. Dabei verläuft die Schnittkante des Filaments so, dass jede Carbonfaser 4 des Geflechts 21 durchtrennt wird. Dieser Vorgang ist in Bezug auf ein Gewebe in 4 dargestellt und anhand dieser Figur eingehend erläutert worden.
  • Die elektrische Leitfähigkeit wird dabei maßgeblich durch den Flechtwinkel 22 definiert, siehe 5.
  • Bei einem Flechtwinkel 22 von 45° verringert sich die elektrische Leitfähigkeit des Filaments, bzw. erhöht sich der elektrische Widerstand des Filaments um einen Faktor von bis zu drei im Vergleich zu einem gleich dicken Filament aus einem unidirektionalen Carbonfasertape.
  • Im Anschluss werden an den Filamenten (hier nicht dargestellt, 5 zeigt lediglich das Geflecht 21) elektrische Kontakte angebracht, die Filamente werden carbonisiert und bei Bedarf anschließend grafitisiert.
  • Anschließend können die Filamente mit den üblichen elektrischen Zuleitungen versehen werden, in Quarzrohre eingebracht werden und diese Quarzrohre geeignet verschlossen werden, so dass sich im Inneren des Strahlerrohrs eine Schutzgasatmosphäre, bevorzugt aus Argon, befinden kann. Abschließend können außen je nach Bedarf Keramiken und elektrische Zuleitungen angebracht werden. Diesbezüglich wird lediglich beispielhaft auf die Darstellung und Beschreibung gemäß 6 verwiesen.
  • Ausführungsbeispiel 7
  • In einer Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels 6 kann das Geflecht 21 gemäß 5 vor dem Konsolidieren gestaucht werden. Durch den Grad der Stauchung kann der Flechtwinkel 22 beeinflusst werden und Werte von bis zu 160° annehmen. Je größer der Flechtwinkel 22 ist, desto höher wird der elektrische Widerstand eines aus dem Geflecht 21 hergestellten Filaments.
  • Mit der Variation des Flechtwinkels 22 kann der Widerstand solcher Filamente maßgeblich eingestellt werden. Die Vergrößerung des Flechtwinkels 22 von 45° auf 135° hat eine Erhöhung des Widerstands um 300% zur Folge.
  • Ausführungsbeispiel 8
  • Zur Herstellung des Filaments wird ein unidirektionales, thermoplastisches Carbonfasertape eingesetzt.
  • Unidirektionale, thermoplastische Carbonfasertapes werden bevorzugt in einem Autoklaven bei einer Temperatur zwischen 350 und 425°C und einem Druck von 6 bis 9 bar in zwei Schichten aufeinander laminiert. Dabei ist der Winkel der unidirektionalen Faserausrichtung der beiden Tapes zueinander frei wählbar. Dieser beeinflusst maßgeblich den Widerstand der Strahlerfilamente. Zusätzlich wird der Widerstand der fertigen Strahlerfilamente über die Wahl der Schnittrichtung beim Zuschneiden der Filamente mit definiert.
  • Im Anschluss werden an den Filamenten elektrische Kontakte angebracht, die Filamente werden carbonisiert und bei Bedarf anschließend grafitisiert.
  • Anschließend können diese Filamente mit den üblichen elektrischen Zuleitungen versehen werden, in Quarzrohre eingebracht werden und diese Quarzrohre geeignet verschlossen werden, so dass sich im Inneren des Strahlerrohrs eine Schutzgasatmosphäre, bevorzugt aus Argon befindet. Abschließend werden außen je nach Bedarf Keramiken und elektrische Zuleitungen angebracht. Diesbezüglich wird lediglich beispielhaft auf die Darstellung und Beschreibung gemäß 6 verwiesen.
  • Ausführungsbeispiel 9
  • Zur Herstellung des Filaments wird ein geflochtenes Ausgangsmaterial in Form eines Bandes bzw. einer Litze verwendet. Das Band bzw. die Litze sind breiter als das fertige Strahlerfilament. Das geflochtene Ausgangsmaterial besteht aus Carbonfasern, die als Faserbündel aus möglichst wenigen Fasern bestehend. Besonders geeignet sind Rovings oder Bündel mit 25 tex bis 100 tex (1 tex ist definiert als 1 g pro 1000 Meter Faserlänge). Der Einsatz Rovings aus Carbonfasern mit 0,5 k, 1 k oder 3 k (1 k = 1000) Fasern je Faserbündel ist entsprechend möglich.
  • Im Anschluss werden an den geflochtenen Bändern elektrische Kontakte angebracht, die Bänder werden carbonisiert und anschließend grafitisiert.
  • Anschließend wird das geflochtene Band einem CVD/CVI Prozess unterzogen, bei dem sich eine amorphe Kohlenstoffstruktur, die aus einer Mischung aus sp2- und sp3-hybridisiertem Kohlenstoff besteht, auf dem geflochtenen Band sowie zwischen den Fasern anlagert. Diese amorphe Kohlenstoffstruktur führt zur Formstabilisierung des geflochtenen Bandes sowie zum Zusammenhalt der einzelnen Fasern untereinander. Weiter hat diese Struktur eine geringe elektrische Leitfähigkeit, die sich widerstandserhöhend auf das fertige Strahlerfilament auswirkt. Im Anschluss wird aus dem so beschichteten und infiltrierten geflochtenen Band das Strahlerfilament geschnitten, indem jede Carbonfaser des Geflechts mindestens einmal durchgeschnitten wird.
  • Anschließend können diese Filamente mit den üblichen elektrischen Zuleitungen versehen werden, in Quarzrohre eingebracht werden und diese Quarzrohre geeignet verschlossen werden, so dass sich im Inneren des Strahlerrohrs eine Schutzgasatmosphäre, bevorzugt aus Argon befindet. Abschließend werden außen je nach Bedarf Keramiken und elektrische Zuleitungen angebracht. Diesbezüglich wird lediglich beispielhaft auf die Darstellung und Beschreibung gemäß 6 verwiesen.
  • Abschließend sei darauf hingewiesen, dass in den beschriebenen Ausführungsbeispielen thermoplastische Materialien bevorzugte Umgebungsmaterialien darstellen. Wählbare Umgebungsmaterialien sind jedoch nicht auf thermoplastische Materialien eingeschränkt, vielmehr lassen sich auch duroplastische Materialien, gegebenenfalls in einer Mischung mit thermoplastischen Materialien, als Umgebungsmaterialien verwenden. Allgemein kann als Umgebungsmaterial jedes Material Verwendung finden, welches sich in zweckmäßiger Weise in eine Matrix umwandeln lässt, nämlich insbesondere durch Hitzeeinwirkung, bevorzugt durch Carbonisieren.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    elektrisch leitendes Material
    2
    Struktur (aus elektrisch leitenden Fasern)
    3
    elektrisch leitende Faser
    4
    Carbonfaser
    5
    Matrix
    6
    Filament
    7
    Precursorflächengebilde
    8
    Carbonfasertape
    9
    Stromflussrichtung
    10
    Längserstreckungsrichtung
    11
    Schnittkante
    12
    Fehlstelle
    13
    Bohrung
    14
    Gewebe
    15
    Faserbündel/Roving
    16
    Umgebungsmaterial
    17
    Kettfaden (Gewebe)
    18
    Schussfaden (Gewebe)
    19
    Faserbündel mit elliptischem Querschnitt
    20
    Faserbündel mit rechteckigem Querschnitt
    21
    Geflecht
    22
    Flechtwinkel
    23
    Strahler
    24
    Gehäuse (Strahler)
    25
    Kontaktelement
    26
    elektrische Zuleitung
    27
    Ausgleichselement
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0700629 B1 [0011]
    • US 6845217 B2 [0012]
    • US 6627144 [0012]
    • US 487046 [0017]
    • US 248437 [0019]
    • GB 659992 [0020]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • John W. Howell, Henry Schroeder: History of the Incandescent Lamp, The Maqua Company, Schenectady, NY 1927 [0007]
    • H. O. Pierson: Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerenes, Noyes Publications, Park Ridge, NJ 1993 [0018]
    • DIN IEC 60093:1983 [0040]
    • DIN IEC 60093:1983 [0092]

Claims (23)

  1. Ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Materials (1), wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet: a. Bereitstellen einer Struktur (2) aus elektrisch leitenden Fasern (3), b. Herstellen einer kohlenstoffbasierten, elektrische Leitfähigkeit aufweisenden Matrix (5), welche die elektrisch leitenden Fasern (3) zumindest teilweise umgibt, wobei vor oder nach dem Herstellen der Matrix (5) zumindest ein Teil der elektrisch leitenden Fasern (3) in einer möglichen Stromflussrichtung (9) gesehen unterbrochen werden.
  2. Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das elektrisch leitende Material (1) mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 95 Massen-% hergestellt wird.
  3. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch leitenden Fasern (3) Carbonfasern, Siliziumcarbidfasern, Fasern mit keramischen Bestandteilen, oder eine Mischung aus mindestens zwei hiervon, beinhalten.
  4. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matrix (5) eine geringere spezifische elektrische Leitfähigkeit als die elektrisch leitenden Fasern (3) aufweist.
  5. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matrix (5) durch eine Hochtemperaturbehandlung eines die Struktur (2) aus elektrisch leitenden Fasern (3) umgebenden thermoplastischen oder duroplastischen Materials, oder einer Mischung hiervon, in einem Temperaturbereich von 600°C bis 1500°C hergestellt wird.
  6. Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei das thermoplastische Material Polypropylen, Polyamid, Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat, Polycarbonat, Polysulfon, Polyphenylether, Polyphenylensulfid, Polyetheretherketon, Polyphthalamid, Polyetherimid oder Polyethersulfon, oder eine Mischung aus mindestens zwei hiervon, beinhaltet.
  7. Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei das duroplastische Material ein Vinylesterharz, ein Phenolharz oder ein Epoxidharz, oder eine Mischung aus mindestens zwei hiervon, beinhaltet.
  8. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner beinhaltend die Schritte: a. Bereitstellen der Struktur (2) aus elektrisch leitenden Fasern (3) mittels eines Precursorflächengebildes (7), beinhaltend elektrisch leitende Fasern (3), und b. Carbonisieren der von den elektrisch leitenden Fasern (3) verschiedenen Anteile des Precursorflächengebildes (7), und c. Unterbrechen mindestens eines Teils der elektrisch leitenden Fasern (3) durch Einbringen von Fehlstellen (12), insbesondere von Rohrungen (13).
  9. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Precursorflächengebilde (7) vor dem Carbonisieren zugeschnitten wird.
  10. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Struktur (2) aus elektrisch leitenden Fasern (3) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: – einer Mehrzahl von Faserbündeln (15), – einem Gewebe (14) aus Fasern (3) oder einer Mehrzahl von Faserbündeln (15) oder mindestens zwei hiervon, – einem Geflecht (21) aus Fasern (3) oder einer Mehrzahl von Faserbündeln (15) oder mindestens zwei hiervon, – einem Gestrick aus Fasern (3) oder einer Mehrzahl von Faserbündeln (15) oder mindestens zwei hiervon, oder – einem Gewirk aus Fasern (3) oder einer Mehrzahl von Faserbündeln (15) oder mindestens zwei hiervon, oder einer Kombination aus mindestens zwei hiervon.
  11. Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei zur Herstellung der Matrix (5) die Struktur (2) aus elektrisch leitenden Fasern (3) mit einem Umgebungsmaterial (16) umgeben wird, und wobei der entstandene Verbund vor einem nachfolgenden Grafitisierungschritt so zugeschnitten wird, dass zumindest ein Teil der elektrisch leitenden Fasern (3) in einer Stromflussrichtung (9) durch das elektrisch leitende Material (1) gesehen unterbrochen wird.
  12. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine Schnittkante (11), welche eine Längserstreckungsrichtung (10) des elektrisch leitenden Materials (1) vorgibt, – bei Vorliegen eines Gewebes (14) unter einem Winkel von 20° bis 70° gegen den Schussfaden (18) geneigt ist, oder – bei Vorliegen eines Geflechts (21) parallel zur Geflechtkante verläuft.
  13. Das Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei vor dem Zuschneiden der Verbund aus elektrisch leitenden Fasern (3) und Umgebungsmaterial (16) durch Mischen der elektrisch leitenden Fasern (3) und des Umgebungsmaterials (16) als Precursorflächengebilde (7) in Form eines Prepregs, oder durch Dampfabscheiden des Umgebungsmaterials (16) auf den elektrisch leitenden Fasern (3) als Precursorflächengebilde (7) in Form eines Abscheidaufbaus, erhalten wird.
  14. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Struktur (2) Faserbündel (15) beinhaltet, die vor dem Einbringen in die Struktur (2) dickenreduziert werden, oder wobei die Dicke der Faserbündel (15) in der Struktur (2) nach der Herstellung der Struktur (2) verringert wird, oder beides.
  15. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei innerhalb der Struktur (2) aus elektrisch leitenden Fasern (3) ein Flechtwinkel (22) zwischen sich kreuzenden Fasern (3) oder Faserbündeln (15) oder beiden jeweils von 90° abweicht.
  16. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Kohlenstoff von dem elektrisch leitenden Material (1) abgetragen wird.
  17. Ein elektrisch leitendes Material (1), erhältlich nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  18. Ein elektrisch leitendes Material (1), beinhaltend: a. eine Struktur (2) aus elektrisch leitenden Fasern (3), b. eine elektrisch leitende Matrix (5), welche die elektrisch leitenden Fasern (3) zumindest teilweise umgibt, wobei die elektrisch leitenden Fasern (3) eine höhere spezifische Leitfähigkeit als die elektrisch leitende Matrix (5) zeigen, wobei das elektrisch leitende Material (1) sich in einer Längserstreckungsrichtung (10) erstreckt, und wobei innerhalb des Materials (1) in Längserstreckungsrichtung (10) gesehen zumindest ein Teil der elektrisch leitenden Fasern (3) zumindest einmal unterbrochen sind.
  19. Das elektrisch leitende Material (1) nach Anspruch 17 oder 18, wobei elektrisch leitende Fasern (3) in Längserstreckungsrichtung (10) des elektrisch leitenden Materials (1) gesehen unterbrochen sind, indem elektrisch leitende Fasern (3) sich in eine Richtung erstrecken, welche gegen die Längserstreckungsrichtung (10) geneigt ist, oder indem elektrisch leitende Fasern (3) eine oder mehrere eingebrachte Fehlstellen (12) aufweisen, oder beides,
  20. Das elektrisch leitende Material (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei in dem elektrisch leitenden Material (1) mindestens 50 Massen-%, bezogen auf das elektrisch leitende Material (1), der Fasern (3) eine Faserlänge von höchstens 0,5 m aufweisen.
  21. Ein Strahler (23), beinhaltend a. ein transparentes oder transluzentes Gehäuse (24); b. ein in diesem Gehäuse (24) angeordnetes elektrisch leitendes Material (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 20.
  22. Der Strahler (23) nach Anspruch 21, wobei das elektrisch leitende Material (1) eine solche Flexibilität aufweist, dass das elektrisch leitende Material (1) über dessen gesamte Länge kreisförmig um einen Radius von 1,0 m, bevorzugt von 0,25 m, biegbar ist, ohne dass es zu Brüchen der elektrisch leitenden Fasern (3) und/oder der Matrix (5) und/oder zur Trennung von elektrisch leitenden Fasern (3) und der Matrix (5) kommt.
  23. Der Strahler (23) nach Anspruch 21 oder 22, wobei das elektrisch leitende Material (1) eine elektrische Leitfähigkelt, gemessen als elektrische Betriebsspannung je Länge des elektrisch leitenden Materials (5), von größer als 150 V/m aufweist.
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US14/236,954 US20140209375A1 (en) 2011-08-05 2012-07-04 Electrically conductive material, emitter containing electrically conductive material, and method for its manufacture
KR1020147005920A KR101585352B1 (ko) 2011-08-05 2012-07-04 도전성 재료 및 도전성 재료를 포함하는 라디에이터 및 또한 그들의 제조 방법
EP12738394.1A EP2740321A2 (de) 2011-08-05 2012-07-04 Elektrisch leitendes material sowie strahler mit elektrisch leitendem material sowie verfahren zu dessen herstellung
PCT/EP2012/002802 WO2013020621A2 (de) 2011-08-05 2012-07-04 Elektrisch leitendes material sowie strahler mit elektrisch leitendem material sowie verfahren zu dessen herstellung
CN201280049038.7A CN103959899B (zh) 2011-08-05 2012-07-04 导电材料以及具有导电材料的辐射器及其制造方法
HK14112397.8A HK1199161A1 (en) 2011-08-05 2014-12-10 Electrically conductive material and radiator comprising electrically conductive material and also process for the production thereof

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015104373A1 (de) 2015-03-24 2016-09-29 Heraeus Noblelight Gmbh Bandförmiges Carbon-Heizfilament und Verfahren für dessen Herstellung
DE102018111893A1 (de) * 2018-05-17 2019-11-21 Mario Browa Heiztextil, dessen Herstellungsverfahren sowie dessen Verwendung
EP3794905B1 (de) 2018-05-17 2023-05-24 Jahn, Thorsten Heiztextil, dessen herstellungsverfahren sowie dessen verwendung

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013210130A1 (de) * 2013-03-05 2014-09-25 Continental Automotive Gmbh Stromsensorvorrichtung mit integrierter Klemmeinrichtung und Massenelement
US10174444B1 (en) 2014-11-21 2019-01-08 Apple Inc. Weaving equipment with strand modifying unit
CN105062000A (zh) * 2015-08-06 2015-11-18 殷姝媛 一种高导热性能高分子复合材料的制备方法
US10264627B2 (en) * 2016-12-08 2019-04-16 Goodrich Corporation Adjusting CNT resistance using perforated CNT sheets
CN106612569A (zh) * 2017-02-17 2017-05-03 北京创新爱尚家科技股份有限公司 基于石墨烯纤维碳纤维复合的发热材料
JP6744001B2 (ja) * 2018-06-22 2020-08-19 Ａｇｃ株式会社 ヒータ、ガラス物品の製造装置、およびガラス物品の製造方法
CN112334066A (zh) * 2018-07-02 2021-02-05 波士顿科学医学有限公司 磁跟踪发射器
US11370213B2 (en) 2020-10-23 2022-06-28 Darcy Wallace Apparatus and method for removing paint from a surface

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US248437A (en) 1881-10-18 Thomas a
US487046A (en) 1892-11-29 James clegg
GB659992A (en) 1944-11-04 1951-10-31 Philips Nv Improvements in the manufacture of thin wires, filaments or strips of electrically-conductive material
EP0700629B1 (de) 1993-05-21 1999-03-17 Ea Technology Limited Verbesserte infrarot-strahlungsquelle
US6627144B1 (en) 1997-06-25 2003-09-30 Mitsubishi Pencil Co., Ltd. Carbonaceous heating element and process for producing the same
US6845217B2 (en) 1999-11-30 2005-01-18 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Infrared ray lamp, heating apparatus and method of producing the infrared ray lamp

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1444461A (en) * 1973-02-02 1976-07-28 Sigri Elektrographit Gmbh Porous heating devices
DE2355089A1 (de) * 1973-11-03 1975-05-15 Sigri Elektrographit Gmbh Poroeses heizelement
DE2305105B2 (de) * 1973-02-02 1978-05-03 Sigri Elektrographit Gmbh, 8901 Meitingen Poröses Heizelement
JPH03138886A (ja) * 1989-10-24 1991-06-13 Hanawa Netsuden Kinzoku Kk 炭素繊維／炭素コンポジット製発熱体の製造方法
JPH07296955A (ja) * 1994-04-22 1995-11-10 Nippon Steel Corp カーボンヒーター
JP4463930B2 (ja) * 2000-03-14 2010-05-19 東洋炭素株式会社 可撓性ヒーター
JP4614267B2 (ja) * 2004-08-04 2011-01-19 メトロ電気工業株式会社 赤外線ヒータ
JP4741923B2 (ja) * 2005-10-07 2011-08-10 パナソニック株式会社 赤外線電球及び加熱装置
JP2007122893A (ja) * 2005-10-25 2007-05-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd 赤外線電球及び加熱装置
JP2009272223A (ja) * 2008-05-09 2009-11-19 Panasonic Corp 発熱体ユニット及び加熱装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US248437A (en) 1881-10-18 Thomas a
US487046A (en) 1892-11-29 James clegg
GB659992A (en) 1944-11-04 1951-10-31 Philips Nv Improvements in the manufacture of thin wires, filaments or strips of electrically-conductive material
EP0700629B1 (de) 1993-05-21 1999-03-17 Ea Technology Limited Verbesserte infrarot-strahlungsquelle
US6627144B1 (en) 1997-06-25 2003-09-30 Mitsubishi Pencil Co., Ltd. Carbonaceous heating element and process for producing the same
US6845217B2 (en) 1999-11-30 2005-01-18 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Infrared ray lamp, heating apparatus and method of producing the infrared ray lamp

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DIN IEC 60093:1983
H. O. Pierson: Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerenes, Noyes Publications, Park Ridge, NJ 1993
John W. Howell, Henry Schroeder: History of the Incandescent Lamp, The Maqua Company, Schenectady, NY 1927

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015104373A1 (de) 2015-03-24 2016-09-29 Heraeus Noblelight Gmbh Bandförmiges Carbon-Heizfilament und Verfahren für dessen Herstellung
WO2016150701A1 (de) 2015-03-24 2016-09-29 Heraeus Nobelight Gmbh Bandförmiges carbon-heizfilament und verfahren für dessen herstellung
DE102018111893A1 (de) * 2018-05-17 2019-11-21 Mario Browa Heiztextil, dessen Herstellungsverfahren sowie dessen Verwendung
DE102018111893B4 (de) * 2018-05-17 2019-12-24 Mario Browa Heiztextil, dessen Herstellungsverfahren sowie dessen Verwendung
EP3794905B1 (de) 2018-05-17 2023-05-24 Jahn, Thorsten Heiztextil, dessen herstellungsverfahren sowie dessen verwendung

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