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Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Kontakt nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
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Derartige Kontaktelemente werden benötigt, um beispielsweise in einem Steckverbinder mit entsprechenden Kontaktelementen eines Gegensteckers lösbar in mechanischen und elektrischen Kontakt zu treten und elektrische Energie zu übertragen. Ein wesentliches Qualitätskriterium solcher Kontaktelemente besteht in ihrer Lebensdauer und der Anzahl von Steckzyklen, die sie verkraften, ohne dass ihre elektrischen Übertragungseigenschaften dadurch wesentlich beeinträchtigt sind.
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Stand der Technik
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Kontaktoberflächen eines Steckverbinders sind während des Steckvorgangs und in gestecktem Zustand mechanischen Belastungen durch Bewegung und Vibration ausgesetzt, die zu mechanischem Verschleiß der Oberfläche führen. Die Oberflächen sind aus ökonomischen Gründen auf einen minimalen Einsatz von Edelmetallen, insbesondere Gold, optimiert. Wird durch den mechanischen Verschleiß die Edelmetalloberfläche beschädigt oder entfernt, werden unedlere, darunter liegende Schichten umweltmechanischen Einflüssen ausgesetzt. Dies kann zu Korrosion und der Bildung von isolierenden Schichten führen, welche zum Ausfall des Steckverbinders führen können.
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Demensprechend ist der Einsatz von lebensdaueroptimierten Schichten bekannt, welche dazu dienen, diesen Effekt unter weiterhin sparsamem Einsatz von Edelmetallen zu verhindern oder zumindest verzögern.
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Die Druckschrift
DE 101 25 289 B4 offenbart einen elektrischen Verbinder aus einer Trägerfolie mit aufgedruckten leitenden Bahnen aus Metall- oder Graphit-gefüllten Hochpolymerpasten und einer Schicht aus heisssiegelfähigem hochpolymeren Material, das elektrisch in der Richtung senkrecht zur Ebene des Verbinders leitend ist, wobei die Elektrizitätsleitung durch diskrete elektrisch leitende Teilchen bewirkt wird.
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Die
WO 2005 046 000 A1 zeigt eine Kontaktoberfläche für elektrische Kontakte, wobei auf einem kupferbasierten Substrat eine mittels galvanischer Verfahren abgeschiedene Ag-Schicht angeordnet ist. Die Ag-Schicht enthält feindisperse Graphitteilchen in einer Menge von 1 bis 3 Gew.-% der Ag-Schicht, wobei die Graphitteilchen eine Länge im Bereich von 0,5 bis 20 μm aufweisen.
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Die Druckschrift
DE 101 25 289 B4 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer abriebfesten, galvanischen Schicht auf Teilen, bei dem in einen Edelmetallelektrolyten Nano-Dispersanten eingebracht werden, die Nano-Dispersanten unter Gewinnung einer Suspension in dem Edelmetallelektrolyten dispergiert werden und anschließend galvanisch die abriebfeste Schicht in Form einer Edelmetallschicht mit eingelagerten Nano-Dispersanten hergestellt wird, als Nano-Dispersanten Diamantenpartikel mit einer Korngrösse von 2 bis 8 nm oder Metalloxid-, Siliziumcarbid- oder Titannitrid-Partikel mit einer Korngrösse von 10 bis 1000 nm verwendet werden, die Nano-Dispersanten in Wasser unter Gewinnung einer Nano-Dispersanten-Suspension dispergiert werden, die Nano-Dispersanten-Suspension in den Edelmetallelektrolyten gegeben wird und ein weiteres Dispergieren vorgenommen wird und unter ständigem in Bewegung halten des Edelmetallelektrolyten mit den Nano-Dispersanten galvanisch die abriebfeste Edelmetallschicht hergestellt wird.
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Die Druckschrift
DE 10 2006 030 961 A1 beschreibt ein Verfahren zum Beschichten elektrischer Kontakte zum Schutz vor Umwelteinflüssen, wie Korrosion, Verschleiss oder Schmutzablagerungen. Unter Beibehaltung der elektrischen Leitfähigkeit soll auf den Kontakt dabei eine Multilage oder eine elektrisch leitfähige Schicht mit einer chemisch funktionellen Oberfläche aufgebracht werden.
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Um die Lebensdauer eines Kontakts zu erhöhen, wird im Stand der Technik weiterhin versucht, die oberste edelmetallhaltige Kontaktschicht durch Befettung vor Verschleiß zu schützen.
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Nachteilig ist dabei, dass derartige Befettungen organische Schmierstoffe enthalten, die zum einen Verschmutzungen binden können und so zu einer isolierenden Schicht wachsen können. Weiterhin können die organischen Verbindungen durch katalytische Prozesse zersetzt werden (brown powder). Die Befettungen können mechanisch durch Reibund Vibrationsbewegungen entfernt werden. Befettungen neigen zur Verharzung bei höheren Temperaturen, wodurch eine isolierende Schicht erzeugt wird, die durch die Kontaktkräfte nicht durchdrungen werden kann.
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Aufgabenstellung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Lebensdauer von elektrischen Kontaktelementen, insbesondere von elektrischen Kontaktelementen, die zum Einsatz in Steckverbindern vorgesehen sind, zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird mit einer Kontaktbeschichtung der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Dabei weist das Kontaktelement üblicherweise eine elektrisch leitfähige Kontaktbasis auf, auf welche die Kontaktbeschichtung aufgebracht ist. Die Kontaktbeschichtung kann vollständig oder zumindest teilweise und insbesondere überwiegend aus Nickel bestehen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das Wesen der Erfindung besteht in dem Einbringen ausgedehnter zweioder dreidimensionaler Kohlenstoffstrukturen in die Kontaktoberfläche, insbesondere in die Kontaktbeschichtung des Kontaktelementes. Diese Strukturen reduzieren den Reibverschleiß, verbessern die elektrische Leitfähigkeit und erhöhen die Lebensdauer des Kontaktelementes.
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Insbesondere werden elektrisch gut leitende zwei- oder dreidimensionale, mikro- oder nanoskopische Kohlenstoffstrukturen in die Kontaktbeschichtung eingebaut. Diese reinen Kohlenstoffstrukturen haben den Vorteil, dass sie gut elektrisch leitfähig, korrosionsbeständig und mechanisch belastbar sind.
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Die Strukturen können dabei sowohl das Kontaktelement in Form einer sogenannten „Monolage“ oder in einem sogenannten „Mulitlagensystem“ umhüllen, als auch als unzusammenhängende Partikel in die Kontaktbeschichtung eingebracht sein.
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Die Struktur der erstgenannten Monolage besitzt den zusätzlichen Vorteil, dass die entsprechenden Kontaktelemente mit nur geringem Aufwand herstellbar sind.
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Die Struktur der Multilage besitzt dagegen den Vorteil, dass sie eine besonders große Stabilität gegenüber Belastungen oder Beschädigungen durch einen Gegenkontakt aufweist.
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Die letztgenannte Variante, bei welcher der Kohlenstoff in Form einzelner Partikel in die Kontaktbeschichtung eingebracht ist, besitzt den Vorteil, dass die Kohlenstoffkonzentration z.B. entsprechend bestimmter Vorgaben gezielt einstellbar ist. Bei Abrieb werden die Kohlenstoffpartikel an die Kontaktoberfläche transportiert und können dort sowohl für eine gute elektrische Leitfähigkeit als auch für eine gute mechanische Festigkeit sorgen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung liegt der Kohlenstoff dabei in Form von Graphitschichten, Graphenschichten, CNTs und/oder Fullerenen vor.
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Sobald die Kontaktoberfläche einen Abrieb erfährt, wird Kohlenstoff freigelegt. Innerhalb der mechanischen Reibspur erhöht eine Kohlenstoffschicht aus Graphit- oder Graphenschichten die Verschleißfestigkeit, was von besonderem Vorteil ist. Am Kontaktpunkt, kann eine entsprechende Beschichtung die elektrische Leitfähigkeit aufrechterhalten.
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Ein wesentlicher Vorteil besteht somit darin, dass aufgrund der Verteilung der elektrisch gut leitenden Kohlenstoffstrukturen über die gesamte Schichtstärke der Kontaktbeschichtung durch einen auftretenden Reibverschleiß immer wieder Kohlenstoff als gut leitendes Material an die Kontaktoberfläche befördert wird und dort für eine gute elektrische Leitfähigkeit, insbesondere gegenüber einem komplementären Kontaktelement eines Gegensteckers, sorgt. Befinden sich die Kohlenstoffstrukturen an der Oberfläche, reduzieren sie weiterhin den Reibverschleiß des Kontaktelements und erhöhen so weiterhin auch die mögliche Anzahl der Steckzyklen.
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Der Kohlenstoff wirkt dann wie ein Schmierstoff. Er wirkt innerhalb dieser Kontaktbeschichtung somit auch als intrinsischer Schmierstoff. Weiterhin wird die Leitfähigkeit der Kontaktbeschichtung durch den Kohlenstoff erheblich verbessert.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
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1a Eine Kontaktbeschichtung mit einer durchgehenden Kohlenstoffschicht;
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1b Eine Kontaktbeschichtung mit mehreren durchgehenden Kohlenstoffschichten;
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1c eine Kontaktbeschichtung mit Kohlenstoffpartikeln;
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2 eine Kontaktbeschichtung mit Kohlenstoff in einer Netzstruktur;
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3 eine Kontaktbeschichtung mit Kohlenstoff in einer säulenförmigen Struktur.
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Die Figuren enthalten teilweise vereinfachte, schematische Darstellungen. Zum Teil werden für gleiche, aber gegebenenfalls nicht identische Elemente identische Bezugszeichen verwendet. Verschiedene Ansichten gleicher Elemente könnten unterschiedlich skaliert sein.
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Die 1a zeigt eine Kontaktbasis 1 mit einer darauf aufgebrachten Kontaktbeschichtung 2, die eine durchgehende Kohlenstoffbeschichtung 3 in Form einer Monolage beinhaltet. Die Kontaktbeschichtung 2 kann beispielsweise ganz oder teilweise, insbesondere größtenteils, aus Nickel gebildet sein. Auf diese Kontaktbeschichtung 2 kann in einer weiteren Ausführung auch noch eine in dieser Darstellung nicht gezeigte Veredelungsschicht 4 (vergl. z.B. 4), beispielsweise aus einem Edelmetall, insbesondere Gold, aufgebracht sein.
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Die 1b zeigt die Kontaktbasis 1 mit der darauf aufgebrachten Kontaktbeschichtung 2, wobei die Kontaktbeschichtung 2 mehrere parallel zum Basiskontakt 1 und damit auch parallel zur Kontaktoberfläche verlaufende, durchgehende Kohlenstoffbeschichtungen 3 in Form einer Multilage beinhaltet.
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In einer nicht gezeigten Ausführung könnten die Kohlenstoffschichten 3 auch senkrecht zum Basiskontakt 1 und zur Kontaktoberfläche verlaufen und diese insbesondere elektrisch leitend miteinander verbinden.
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Die 1c zeigt eine Kontaktbeschichtung 2 mit einzelnen Kohlenstoffpartikeln 3´ in Form unzusammenhängender 2- oder 3-dimensionaler Strukturen, z.B. Graphenplättchen oder Nanotubes.
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Die 2 zeigt einen Kontakt mit einer Kontaktbeschichtung 2, in welche der Kohlenstoff in Form einer Netzstruktur 3´´ eingebracht ist.
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Die 3 zeigt einen Kontakt mit säulenförmig in die Kontaktbeschichtung 2 eingebrachtem Kohlenstoff, wobei die Säulen 3´´´ senkrecht zur Kontaktbasis 1 und damit auch senkrecht zur Kontaktoberfläche verlaufen. Weiterhin ist auf die Kontaktbeschichtung 2 eine Veredelungsschicht 4 aufgebracht, die beispielsweise aus einem Edelmetall, z.B. Gold, gebildet sein kann. Die Säulen 3´´´ können in einer nicht in der Zeichnung dargestellten Ausführung von der Kontaktbasis ausgehend durch die gesamte Stärke der Kontaktbeschichtung 2 führen. Wird die Dichte dieser Säulen 3´´´ hoch genug gewählt, so dass der durchschnittliche Abstand zweier benachbarter Säulen deutlich geringer ist, als der Durchmesser eines Kontaktbereichs, welcher das Kontaktelement ggf. mit einem Kontaktelement eines Gegensteckers bildet, so existiert auch bei einer möglichen Oxydation des Beschichtungsmaterials über die Kohlenstoffsäulen 3´´´ immer eine elektrisch leitende Verbindung zwischen diesen beiden Kontaktelementen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kontaktbasis
- 2
- Kontaktbeschichtung
- 3
- durchgehende Kohlenstoffbeschichtung
- 3´
- einzelne Kohlenstoffpartikel, z.B. Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs)
- 3´´
- Kohlenstoffgitter
- 3´´´
- Kohlenstoff-Säulen
- 4
- Oberflächenbeschichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10125289 B4 [0005, 0007]
- WO 2005046000 A1 [0006]
- DE 102006030961 A1 [0008]
