DE102015015240A1 - Device for cooling - Google Patents
Device for cooling Download PDFInfo
- Publication number
- DE102015015240A1 DE102015015240A1 DE102015015240.8A DE102015015240A DE102015015240A1 DE 102015015240 A1 DE102015015240 A1 DE 102015015240A1 DE 102015015240 A DE102015015240 A DE 102015015240A DE 102015015240 A1 DE102015015240 A1 DE 102015015240A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- elements
- induced
- temperature
- induced elements
- fiber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F1/00—General methods for the manufacture of artificial filaments or the like
- D01F1/02—Addition of substances to the spinning solution or to the melt
- D01F1/09—Addition of substances to the spinning solution or to the melt for making electroconductive or anti-static filaments
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F1/00—General methods for the manufacture of artificial filaments or the like
- D01F1/02—Addition of substances to the spinning solution or to the melt
- D01F1/10—Other agents for modifying properties
- D01F1/106—Radiation shielding agents, e.g. absorbing, reflecting agents
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F6/00—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
- D01F6/58—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolycondensation products
- D01F6/62—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolycondensation products from polyesters
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Hard Magnetic Materials (AREA)
Abstract
Die Vorrichtung weist eine Faser mit einer elektrischen Leitfähigkeit auf. Das Fasermaterial wird durch einen Grundwerkstoff aus mindestens einem Polymer gebildet. In den Grundwerkstoff sind Elemente eingelagert. Die Elemente weisen eine Größenordnung von maximal einem Mikrometer Durchmesser auf und überdecken sich mindestens bereichsweise mit ihren Elektronenwolken. Mindestens ein Teil der Elemente besteht aus mindestens einem keramischen Material.The device has a fiber with an electrical conductivity. The fiber material is formed by a base material of at least one polymer. Elements are embedded in the base material. The elements have an order of magnitude of a maximum of one micrometer in diameter and overlap at least in regions with their electron clouds. At least a part of the elements consists of at least one ceramic material.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung, die eine Faser mit elektrischer Leitfähigkeit aufweist, wobei das Fasermaterial durch einen Grundwerkstoff aus mindestens einem Polymer gebildet ist, welchem Elemente eingelagert sind.The invention relates to a device for cooling, which has a fiber with electrical conductivity, wherein the fiber material is formed by a base material of at least one polymer, which elements are incorporated.
Es ist seit geraumer Zeit bekannter Stand der Technik, Kunststoffe oder Kunststoffkompositwerkstoffe für verschiedene technische Anwendungen, beispielsweise als Basismaterial für Kleidungsstücke, als Isolationsmaterial usw. einzusetzen. Eine dieser in großem Umfang eingesetzten Kunststoffsorte ist das Polyethylenterephthalat (PET). Dieser PET-Kunststoff ist ein durch Polykondensation hergestellter thermoplastischer Kunststoff aus der Familie der Polyester.It has been known for some time prior art to use plastics or plastic composite materials for various technical applications, for example as a base material for garments, as insulation material, etc. One of these widely used types of plastic is polyethylene terephthalate (PET). This PET plastic is a thermoplastic produced by polycondensation of the polyester family.
PET ist von polarer Grundstruktur und weist starke zwischenmolekulare Kräfte auf. PET-Moleküle sind darüber hinaus linear, d. h. ohne Vernetzungen aufgebaut. Aufgrund der polar-linearen Struktur ist PET durch teilkristalline Bereiche und Fasern gekennzeichnet, die eine hohe Bruchfestigkeit und Formbeständigkeit auch in Temperaturbereichen von über 80°C verursachen. Somit ist PET als Werkstoff generell auch für diese Temperaturbereiche geeignet.PET has a polar basic structure and strong intermolecular forces. PET molecules are also linear, d. H. built without networking. Due to the polar-linear structure, PET is characterized by semi-crystalline regions and fibers which cause high resistance to breakage and dimensional stability even in temperature ranges above 80 ° C. Thus, PET is generally suitable as a material for these temperature ranges.
PET-Werkstoffe werden aus Monomeren wie Terephthalsäure beziehungsweise Benzoldicarbonsäure und Ethylenglycol beziehungsweise Dihydroxyethan oder Ethandiol hergestellt. Um für die gewerbliche Anwendbarkeit relevante Mengen produzieren zu können, erfolgt die großtechnische Herstellung durch Umesterung von Dimethylterephthalat mit Ethandiol. Im Rahmen dieser Gleichgewichtsreaktion entsteht eine unerwünschte Mehrmenge von Ethandiol, beziehungsweise es ist für die Reaktion erforderlich, dass dieser Stoff durch die Reaktionsführung wieder abdestilliert wird, um das Gleichgewicht günstig zu beeinflussen.PET materials are made from monomers such as terephthalic acid or benzene dicarboxylic acid and ethylene glycol or dihydroxyethane or ethanediol. In order to produce quantities that are relevant for industrial application, industrial production takes place by transesterification of dimethyl terephthalate with ethanediol. In the context of this equilibrium reaction produces an undesirable increase in amount of ethanediol, or it is necessary for the reaction that this substance is distilled off again by the reaction, in order to influence the equilibrium favorable.
Die alternativ mögliche Schmelzphasenpolykondensation ist für die Produktion großer Mengen ungeeignet, weil diese Herstellungsform zu große Zeiträume beansprucht. Um eine hohe PET-Güte zu erreichen, wird abhängig vom gewünschten Verwendungszweck eine Festphasenpolykondensation nachgeschaltet, um eine weitere Kondensation zu erreichen. Eine weitere bekannte Herstellungsmöglichkeit von PET besteht in der Veresterung von Ethandiol mit Terephthalsäure.The alternative possible melt phase polycondensation is unsuitable for the production of large quantities, because this form of production takes too long periods of time. In order to achieve a high PET quality, a solid state polycondensation is connected downstream, depending on the intended use, in order to achieve a further condensation. Another known production possibility of PET is the esterification of ethanediol with terephthalic acid.
Generell handelt es sich bei den PET-Molekülen um langkettige Strukturen, die überwiegend aus Kohlenstoff, Wasserstoff und einigen weiteren Atomen bestehen. Die Moleküle besitzen eine spiral- bis knäuelartige Anordnung. Dies führt dazu, dass insbesondere im amorphen Zustand eine Vielzahl von Freiräumen im atomaren Bereich zwischen den Molekülen vorhanden ist. Durch eine axiale oder biaxiale Orientierung des Materials können diese Freiräume verkleinert werden, was beispielsweise zu einer höheren Festigkeit des Materials und zu einer verringerten Gasdurchlässigkeit führt.In general, the PET molecules are long-chain structures that consist predominantly of carbon, hydrogen and some other atoms. The molecules have a spiral to tangled arrangement. This leads to a large number of free spaces in the atomic region between the molecules, especially in the amorphous state. By axial or biaxial orientation of the material, these clearances can be reduced, which leads for example to a higher strength of the material and to a reduced gas permeability.
Neben der Anwendung von PET in reiner Form ist aus dem Stand der Technik auch dessen Werkstoffmodifikation bekannt. Als Basismaterial für Kompositwerkstoffe können dem thermoplastischen Kunststoff andere Elemente hinzugefügt werden. Im Reinzustand handelt es sich bei PET im Wesentlichen um einen elektrischen Nichtleiter. Durch eine Einlagerung beispielsweise von metallischen Atomen in die Freiräume zwischen den Molekülen oder durch eine Anlagerung von beispielsweise metallischen Atomen an die PET-Moleküle können dem Material in einem gewissen Umfang elektrisch leitfähige Eigenschaften verliehen werden. Entsprechend metallisch dotierte PET-Fasern leiten somit bei einem Anlegen einer Spannung einen elektrischen Strom.In addition to the use of PET in pure form, the material modification of the prior art is also known. As a base material for composite materials, other elements can be added to the thermoplastic resin. In its pure state, PET is essentially an electrical non-conductor. By incorporating, for example, metallic atoms into the free spaces between the molecules or by attaching, for example, metallic atoms to the PET molecules, the material can be imparted to a certain extent with electrically conductive properties. Correspondingly metallically doped PET fibers thus conduct an electric current when a voltage is applied.
Weiterhin ist bekannt, dass verschiedene, vorwiegend metallische Werkstoffe wie z. B. Legierungen mit Gadolinium oder anderen Seltene-Erden-Metallen, einen magnetokalorischen Effekt aufweisen. Bei dem magnetokalorischen Effekt erwärmt sich das Material, wenn es einem Magnetfeld ausgesetzt wird und es kühlt sich wieder ab, wenn der Magnetfeldeinfluss beendet wird. Ursache dieser Erwärmungsreaktion ist die Ausrichtung der magnetischen Momente des Materials durch das Magnetfeld und deren Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke. Durch die Ausrichtungsgeschwindigkeit der magnetischen Momente entsteht Wärme. Eine mögliche Anwendung könnte die Verwendung als Kühlmittel sein, dadurch periodische Magnetisierung und gleichzeitiges Abführen der entstehenden Wärme eine Kühlwirkung erreicht werden kann.Furthermore, it is known that various, mainly metallic materials such. As alloys with gadolinium or other rare earth metals, have a magnetocaloric effect. The magnetocaloric effect heats the material when it is exposed to a magnetic field, and it cools down when the magnetic field influence stops. The cause of this heating reaction is the alignment of the magnetic moments of the material by the magnetic field and their dependence on the magnetic field strength. The alignment speed of the magnetic moments creates heat. A possible application could be use as a coolant, thereby periodic magnetization and simultaneous removal of the resulting heat, a cooling effect can be achieved.
Der magnetokalorische Effekt ist legierungsabhängig stark hysteresebehaftet. Um den magnetokalorischen Effekt auch im Zusammenhang mit Anwendungen zu realisieren, die eine ggf. additive mechanische Belastung bedeutet, werden Legierungen gesucht, die diese physikalischen Effekte und Eigenschaften kombinieren. Ein weiteres Problem der technischen Anwendung dieses Effektes neben dem unerwünschten Hystereseverhalten ist die Tatsache, dass bisher dieser Effekt bei bekannten Legierungen und Werkstoffzusammensetzungen vergleichsweise schwach ausgeprägt ist.The magnetocaloric effect is heavily hysteresis-dependent depending on the alloy. In order to realize the magnetocaloric effect also in connection with applications, which means a possibly additive mechanical load, alloys are sought, which combine these physical effects and properties. Another problem of the technical application of this effect in addition to the undesirable Hysteresis behavior is the fact that so far this effect is relatively weak in known alloys and material compositions.
Der Skin-Effekt, auch Stromverdrängung, ist ein Effekt in von höherfrequentem Wechselstrom durchflossenen elektrischen Leitern, durch den die Stromdichte im Inneren eines Leiters niedriger ist als in äußeren Bereichen. Er tritt in relativ zur Skin-Tiefe dicken Leitern und auch bei elektrisch leitfähigen Abschirmungen und Leitungsschirmen auf. Der Skin-Effekt begünstigt mit zunehmender Frequenz die Transferimpedanz geschirmter Leitungen und die Schirmdämpfung leitfähiger Abschirmungen, erhöht aber den Widerstandsbelag einer elektrischen Leitung. Das bedeutet praktisch, dass die Skintiefe, d. h. die Leitschichtdicke, werkstoffabhängig mit zunehmender Wechselstromfrequenz abnimmt. Infolge hoher Wechselstromfrequenzen von mehr als 100 kHz ist innerhalb einer Kupferleitung eine Skintiefe von 0,21 mm vorliegend.The skin effect, also known as current displacement, is an effect in electrical conductors through which higher-frequency alternating current flows, which makes the current density inside a conductor lower than in external areas. It occurs in relation to the skin depth thick conductors and also in electrically conductive shields and cable shields. The skin effect favors the transfer impedance of shielded lines and the screen attenuation of conductive shields with increasing frequency, but increases the resistance of an electrical line. This practically means that the skin depth, d. H. the Leitschichtdicke, material-dependent decreases with increasing AC frequency. As a result of high alternating current frequencies of more than 100 kHz, a skin depth of 0.21 mm is present within a copper line.
Es ist auch bereits bekannt, Polymerfasern durch die Einlagerung von metallischen Partikeln mit elektrisch leitenden Eigenschaft zu versehen. Gemäß diesem Stand der Technik wird ausgenutzt, dass das polymere Material durch die räumliche Gestaltung und Anordnung der Moleküle über äußerst kleine Hohlräume verfügt, in die kleine metallische Partikel eingelagert werden können. Im Hinblick auf praktische Anwendungen erweisen sich jedoch die elektrotechnischen Eigenschaften dieser Fasern als nicht mit genügend hoher Reproduktionsgenauigkeit herstellbar und die elektrischen Eigenschaften sind nicht in gewünschter Weise nutzbar.It is also already known to provide polymer fibers by the incorporation of metallic particles with electrically conductive property. According to this prior art, it is exploited that the polymeric material, due to the spatial arrangement and arrangement of the molecules, has extremely small cavities into which small metallic particles can be incorporated. With regard to practical applications, however, the electrical properties of these fibers prove to be not manufacturable with sufficiently high reproduction accuracy and the electrical properties are not usable in the desired manner.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart bereitzustellen, dass eine genau definierte Absorption von Strahlungsenergie und dass eine kostengünstige Produktion möglich ist.The object of the present invention is to provide a device of the aforementioned type such that a precisely defined absorption of radiant energy and that a cost-effective production is possible.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst dadurch, dass die Elemente eine Größe von maximal einem Mikrometer Durchmesser aufweisen und mit einem Abstand derart versehen sind, dass sich Elektronenwolken mindestens bereichsweise überdecken und dass mindestens ein Teil der Elemente aus mindestens einem keramischen Material besteht.According to the invention the object is achieved in that the elements have a size of at most one micrometer in diameter and are provided with a distance such that electron clouds overlap at least partially and that at least a portion of the elements consists of at least one ceramic material.
Die Dotierungselemente können dem polymeren Werkstoff zusätzlich die Fähigkeit zur wenigstens teilweisen Leitung elektrischer Energie verleihen. Die Dotierungselemente, zum einen Eigenschaften als Absorber für Strahlungsenergie generieren, zum anderen können sie Eigenschaften als elektrische Leiter generieren. Durch eine Einlagerung beispielsweise von metallischen Atomen in die Freiräume zwischen den Molekülen oder durch eine Anlagerung von beispielsweise metallischen Atomen an die polymeren Moleküle können dem polymeren Material in einem gewissen Umfang elektrisch leitfähige Eigenschaften verliehen werden.The doping elements may additionally impart the ability to at least partially conduct electrical energy to the polymeric material. The doping elements, on the one hand generate properties as an absorber for radiant energy, on the other hand, they can generate properties as electrical conductors. By incorporating, for example, metallic atoms into the free spaces between the molecules or by attaching metallic atoms, for example, to the polymeric molecules, the polymeric material can be given, to a certain extent, electrically conductive properties.
Entsprechend metallisch dotierte polymere Fasern leiten somit bei einem Anlegen einer Spannung einen elektrischen Strom. Je nach elektrischem Widerstand dieses Kompositwerkstoffes generiert dieser in Abhängigkeit vom angelegten Strom Strahlung oder absorbiert diese. Die Effekte werden in Abhängigkeit vom zuvor beschriebenen Skin-Effekt und durch additive Absorption von Strahlungsenergie unterstützt. Das bedeutet, dass der erfindungsgemäße polymere Kompositwerkstoff eine neue Werkstoffalternative für die Strahlungsabsorption oder Strahlungsgenerierung zu den bekannten Metall-Fasermaterialien darstellt.Correspondingly metallically doped polymeric fibers thus conduct an electric current when a voltage is applied. Depending on the electrical resistance of this composite material, this generates radiation or absorbs it as a function of the applied current. The effects are supported as a function of the previously described skin effect and by additive absorption of radiant energy. This means that the polymeric composite material according to the invention represents a new material alternative for the radiation absorption or radiation generation to the known metal fiber materials.
Zusätzlich werden die mechanischen Eigenschaften des polymeren Material hinsichtlich seiner Bruchfestigkeit und Formbeständigkeit auch in Temperaturbereichen von über 80°C genutzt, um dem Absorbermaterial Anwendungsbereiche mit diesen erhöhten mechanischen Anforderungen zu eröffnen.In addition, the mechanical properties of the polymeric material in terms of breaking strength and dimensional stability are also used in temperature ranges above 80 ° C in order to open up the absorber material application areas with these increased mechanical requirements.
Eine weitere Eigenschaft des erfindungsgemäßen Materials besteht in seiner von den jeweiligen Dotierungselementen abhängigen Eigenschaft, wenigstens teilweise elektrisch leitfähig zu sein. Insbesondere wenn der polymere Kompositwerkstoff ein Basismaterial für eine beliebig geartete Wärmequelle darstellt, können die physikalischen Effekte der Absorbtionsfähigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit für die Erhöhung der abzugebenden Wärmemenge kombiniert und somit erhöht werden dadurch, dass zusätzlich zur emittierten Wärmestrahlung aufgrund der Strahlungsabsorbtion mittels eines an das polymere Kompositmaterial angelegten Spannung infolge des elektrischen Widerstandes des Materials zusätzlich auf elektrischem Weg Wärmeenergie erzeugt wird.Another property of the material according to the invention consists in its property, which is dependent on the respective doping elements, of being at least partially electrically conductive. In particular, when the polymeric composite material is a base material for any heat source, the physical effects of absorbability and electrical conductivity for increasing the amount of heat to be delivered can be combined and thus increased by adding, in addition to the emitted heat radiation due to the radiation absorption by means of a polymer Composite material applied voltage due to the electrical resistance of the material in addition to electrical energy heat energy is generated.
Eine weiterhin interessante Anwendung des polymeren Kompositwerkstoffes ist durch seine Eigenschaft eröffnet, den magnetokalorischen Effekt zu realisieren und gleichzeitig die dem Polymer zu eigenen verbesserten mechanischen Werkstoffeigenschaften aufzuweisen. Durch geeignete Dotierungselemente lassen sich dem erfindungsgemäßen Material somit Kühlwirkungseigenschaften einprägen.A further interesting application of the polymeric composite material is opened by its property to realize the magnetocaloric effect and at the same time have the polymer's own improved mechanical material properties. By means of suitable doping elements, the cooling properties of the material according to the invention can thus be impressed.
Die erfindungsgemäße Lehre erkennt, dass die für die Dotierung des Polymers geeigneten Elemente insbesondere MnFe-Phosphorverbindungen, MnFe(As,PwGexSiz)s; FeMn-Phosphor-Verbindungen mit As,Si-Phosphor-Substitution ggf. kombiniert mit La(FeMnP)AlCo; Verbindungen mit Mn-Zn sind. The teaching according to the invention recognizes that the elements which are suitable for doping the polymer are, in particular, MnFe phosphorus compounds, MnFe (As, PwGexSiz) s; FeMn-phosphorus compounds with As, Si-phosphorus substitution possibly combined with La (FeMnP) AlCo; Compounds with Mn-Zn are.
Eine bevorzugte Anwendung liegt in der Verwendung der Dotierungs-Strukturformel MnFe(As,PwGexSiz)s. Diese Verbindung verfügt über hohe Kühlfähigkeiten bei Temperaturen von 200 bis 600 K, insbesondere bei 280 bis 500 K. Diese Verbindung zeigt einen sehr starken magnetokalorischen Effekt. Der Einsatz dieses Kompounds ist umweltfreundlich aufgrund der Tatsache, dass die umweltproblematischen Substanzen, insbesondere die Mn-Moleküle, in der polymeren Grundmatrix gebunden sind. Sehr effiziente Ergebnisse sind erzielbar, wenn x = 0,3–0,7 ist und/oder w kleiner gleich 1 – x und z = 1 – x – w in seiner strukturellen Verbindung. Vorzugsweise ist in dieser spezifischen Einstellung das Material in einer hexagonalen Strukturierung des Fe2P- realisiert.A preferred application is the use of the doping structural formula MnFe (As, PwGexSiz) s. This compound has high cooling capabilities at temperatures of 200 to 600 K, especially at 280 to 500 K. This compound shows a very strong magnetocaloric effect. The use of this compound is environmentally friendly due to the fact that the environmentally problematic substances, in particular the Mn molecules, are bound in the basic polymer matrix. Very efficient results are achievable when x = 0.3-0.7 and / or w less than 1 - x and z = 1 - x - w in its structural connection. Preferably, in this specific setting, the material is realized in a hexagonal structuring of the Fe2P-.
Die Herstellung der verschiedenen Werkstoffzusammensetzungen kann in einer Kugelmühle und unter Schutzgasatmosphäre erfolgen.The preparation of the various material compositions can be carried out in a ball mill and under a protective gas atmosphere.
Eine Legierung von 5 g FeMnPO,7GeO,3 mit einer kritischen Temperatur von etwa 350 K kann beispielsweise durch Mischen der reinen Elemente, die eine Qualität von 3N aufweisen, in den folgenden Mengen: FeMnP0,7GeO,3 hergestellt werden. In einer geschlossenen Kugelmühle werden diese Elemente unter einer schützenden Atmosphäre gemahlen, bis ein amorphes oder mikrokristallines Produkt erhalten wird. Je nach den Eigenschaften der Mühle kann ein solches Produkt innerhalb von 20 Minuten bis zu wenigen Stunden gewonnen werden. Das Pulver wird danach in einer geschlossenen Ampulle in geschützter Atmosphäre erhitzt, bis eine Temperatur von etwa 800 bis 1050 Grad C erreicht ist. Danach wird dieses auf eine Temperatur von etwa 650 Grad C getempert. Die Legierung kristallisiert in einer hexagonalen Fe2P-Struktur.For example, an alloy of 5 g of FeMnPO, 7GeO, 3 having a critical temperature of about 350 K can be prepared by mixing the pure elements having a quality of 3N in the following amounts: FeMnP 0.7
Eine Legierung von 5 g FeMnP0,5Ge0,5 mit einer kritischen Temperatur von etwa 600 K wird durch Mischen der reinen Elemente, die eine Qualität von 3N aufweisen, in den folgenden Mengen: Fe = 1,72 g, Mn = 1,69 g, P = 0,476 g und Ge = 1,12 g hergestellt. In einer geschlossenen Kugelmühle werden diese Elemente unter schützender Atmosphäre gemahlen, bis ein amorphes oder mikrokristallines Produkt erhalten wird. Je nach den Eigenschaften der Mühle kann ein solches Produkt innerhalb von 20 Minuten bis zu wenigen Stunden gewonnen werden. Das Pulver wird danach in einer geschlossenen Ampulle in qeschützter Atmosphäre erhitzt, bis eine Temperatur von etwa 800 bis 1050 Grad C erreicht ist. Danach wird dieses auf eine Temperatur von etwa 650 Grad C getempert.An alloy of 5 g FeMnP 0.5 Ge 0.5 having a critical temperature of about 600 K is prepared by mixing the pure elements having a quality of 3N in the following amounts: Fe = 1.72 g, Mn = 1.69 g , P = 0.476 g and Ge = 1.12 g. In a closed ball mill, these elements are milled under a protective atmosphere until an amorphous or microcrystalline product is obtained. Depending on the properties of the mill, such a product can be obtained within 20 minutes to a few hours. The powder is then heated in a closed ampule in a protected atmosphere until a temperature of about 800 to 1050 degrees C is reached. Thereafter, this is tempered to a temperature of about 650 degrees C.
Die Legierung kristallisiert ebenfalls in einer hexagonalen Fe2P-Struktur.The alloy also crystallizes in a hexagonal Fe2P structure.
Eine Legierung von 5 g FeMnP0,5Ge0,1Si0,4 mit einer kritischen Temperatur von etwa 300 K wird durch Mischen der reinen Elemente, die eine Qualität von 3N aufweisen, in den folgenden Mengen: Fe = 1,93 g, Mn = 1,90 g, P = 0,535 g, Ge = 1,251 g und Si = 0,388 g hergestellt. In einer geschlossenen Kugelmühle werden diese Elemente unter schützender Atmosphäre gemahlen, bis ein amorphes oder mikrokristallines Produkt erhalten wird. Je nach den Eigenschaften der Mühle kann ein solches Produkt innerhalb von 20 Minuten bis zu wenigen Stunden gewonnen werden. Das Pulver wird danach in einer geschlossenen Ampulle in geschützter Atmosphäre erhitzt, bis eine Temperatur von etwa 800 bis 1050 Grad C erreicht ist. Danach wird dieses auf eine Temperatur von etwa 650 Grad C getempert. Die Legierung kristallisiert ebenfalls in einer hexagonalen Fe2P-Struktur.An alloy of 5 g FeMnP 0.5 Ge 0.1 Si 0.4 having a critical temperature of about 300 K is prepared by mixing the pure elements having a quality of 3N in the following amounts: Fe = 1.93 g, Mn = 1, 90 g, P = 0.535 g, Ge = 1.251 g and Si = 0.388 g. In a closed ball mill, these elements are milled under a protective atmosphere until an amorphous or microcrystalline product is obtained. Depending on the properties of the mill, such a product can be obtained within 20 minutes to a few hours. The powder is then heated in a closed ampule in a protected atmosphere until a temperature of about 800 to 1050 degrees C is reached. Thereafter, this is tempered to a temperature of about 650 degrees C. The alloy also crystallizes in a hexagonal Fe2P structure.
Eine alternative Ausführung wird erhalten durch Modifikationen von Legierungen der Ausgangsmaterialien anstatt von den reinen Elementen – dies ist besonders vorteilhaft, wenn Si in der Legierung verwendet wird. Dies basiert auf der Tatsache, dass FeSi-Legierungen sehr stabil sind und erhalten werden, wenn reines Fe und Si in der Mühle verfügbar sind.An alternative embodiment is obtained by modifications of alloys of the starting materials rather than the pure elements - this is particularly advantageous when Si is used in the alloy. This is based on the fact that FeSi alloys are very stable and are obtained when pure Fe and Si are available in the mill.
Eine Legierung von 10 g FeO,86MnI,14PO,5Si0,35GeO,15, die eine kritische Temperatur von 390 K aufweist, wird erhalten durch Mischen der reinen Elemente, die eine Qualität von 3N aufweisen, und der Legierung Fe2P, die eine Qualität von 2N aufweist (Alpha Aesar 22951), in den folgenden Mengen: Fe2P = 4,18 g, Mn = 4,26 g, P = 0,148 g, Si = 0,669 g und Ge = 0,742 g.An alloy of 10 g of FeO, 86MnI, 14PO, 5Si0.35GeO, 15 having a critical temperature of 390 K is obtained by mixing the pure elements having a quality of 3N and the alloy Fe2P having a quality of 2N (Alpha Aesar 22951), in the following amounts: Fe2P = 4.18 g, Mn = 4.26 g, P = 0.148 g, Si = 0.669 g and Ge = 0.742 g.
In einer geschlossenen Kugelmühle werden diese Elemente unter einer schützenden Atmosphäre gemahlen, bis ein amorphes oder mikrokristallines Produkt erhalten wird. Je nach den Eigenschaften der Mühle kann ein solches Produkt innerhalb von 20 Minuten bis zu wenigen Stunden gewonnen werden. Das Pulver wird danach in einer geschlossenen Ampulle in geschützter Atmosphäre erhitzt (gesintert), bis eine Temperatur von etwa 800 bis 1050 Grad C erreicht ist. Danach wird dieses auf eine Temperatur von etwa 650 Grad C getempert. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beispielhaft beschriebene Ausführung beschränkt. Die Mengen können auf vielfaltige Weise variieren.In a closed ball mill, these elements are milled under a protective atmosphere until an amorphous or microcrystalline product is obtained. Depending on the properties of the mill, such a product can be obtained within 20 minutes to a few hours. The powder is then heated (sintered) in a closed ampule in a protected atmosphere until a Temperature of about 800 to 1050 degrees C is reached. Thereafter, this is tempered to a temperature of about 650 degrees C. The present invention is not limited to the exemplary embodiment. The quantities can vary in many ways.
In den Zeichnungen sind die der Erfindung zugrundeliegenden Effekte und Ausführungsbeispiele der inneren Struktur des Materials schematisch dargestellt. Es zeigen:In the drawings, the underlying effects of the invention and embodiments of the internal structure of the material are shown schematically. Show it:
Die strukturellen Ähnlichkeiten von Mn(CO)5J-Anionen und [HMn(CO)5] sind zu beobachteten. Die Synthese und Strukturanalyse der Mn(CO)5J-Anionen bestätigt, dass die Energiebarriere zwischen quadratpyramidalen und trigonal-bipyramidalen Anordnungen der ligands in MLS complexesis sehr gering sind. Diese Art von Komplexen stereochemisch nicht starren Geometrie, wodurch beispielsweise ein anderes Gegenion vorhanden ist, kann eine Änderung in der Anordnung der Liganden begründen. Bemerkenswert ist also, dass trotz der niedrigen Energiebarriere bisher nur die [Mn(CO)5]-Anionen das einzige Beispiel für das Vorliegen von zwei geometrischen Isomeren von [M(CO)5]n-Komplex ist. Auch die Winkel innerhalb der [Mn(CO)5]-Anionenanordnung sind in o. g. Tabelle aufgelistet.The structural similarities of Mn (CO) 5J anions and [HMn (CO) 5] are observed. The synthesis and structural analysis of the Mn (CO) 5J anions confirms that the energy barrier between square-pyramidal and trigonal-bipyramidal arrangements of the ligands in MLS complexesis are very low. This type of complex stereochemically non-rigid geometry, whereby, for example, another counterion is present, may account for a change in the arrangement of the ligands. Remarkably, despite the low energy barrier, only the [Mn (CO) 5] anions are the only example of the presence of two geometric isomers of the [M (CO) 5] n complex. Also, the angles within the [Mn (CO) 5] anion arrangement are in o. G. Table listed.
Die Schweratomstruktur von [Mn3Se2(CO)9] ist eine leicht verzerrte quadratische Pyramide mit einer abwechselnden Anordnung von Mn und Se-Atomen in dem Oberflächenbereich und einem dritten Mn-Atom an der Spitze. Hier ist die Umwelt für jedes der Mn-Atome von den beiden Se-Atomen und drei Kohlenstoff-Ligands zusammengelegt. Eine Besonderheit in der Anordnung der Kohlenstoffgruppen hat das Mn-Atom an der Spitze der Pyramide.The heavy atom structure of [Mn3Se2 (CO) 9] is a slightly distorted square pyramid with an alternating arrangement of Mn and Se atoms in the surface region and a third Mn atom at the tip. Here, the environment for each of the Mn atoms is the two Se atoms and three carbon atoms. Ligands merged. A peculiarity in the arrangement of the carbon groups has the Mn atom at the top of the pyramid.
Einer der Mn ... C-Abstände sind unerwartet lang, während in der entsprechenden Kohlenstoff-Gruppe die Bindungen besonders in Richtung der benachbarten Mn-Atome geneigt sind. In diesem Merkmal ist eine neue Art von asymmetrischen Kohlenstoffbrücken realisiert. Während das Schweratom-Skelett [M3Se2] in der gleichen Verbindung isoelektronisch Eisenkomplex [Fe3Se2(CO)9] aufweist, unterscheiden sich die beiden Verbindungen in der Anordnung der Kohlenstoff-Ligands an das Metallatom M3Se2 in der Spitze der Pyramide.One of the Mn ... C distances are unexpectedly long, while in the corresponding carbon group the bonds are particularly inclined in the direction of the neighboring Mn atoms. In this feature, a new type of asymmetric carbon bridges is realized. While the heavy atom skeleton [M3Se2] in the same compound has isoelectronic iron complex [Fe3Se2 (CO) 9], the two compounds differ in the arrangement of the carbon ligand to the metal atom M3Se2 in the apex of the pyramid.
Offensichtlich führt eine elektronische Antivalenz von Mn(1) und Mn(2) auf die Tatsache, dass eine asymmetrische Kohlenstoffbrücke C(7) zwischen Mn(2) und M(3) gebildet wird. Die elektronische Ungleichheit von Mn-Atomen ist besonders offensichtlich, wenn man die entsprechenden Mn-Se-Bindungslängen (Mn(1) 2.458(2) oder 2439(2), Mn(2): 2407(2) und 2,402(2) Angström) berücksichtigt. Dies kann aufgrund der unterschiedlichen Oxidationsstufen von Mangan-Atomen, deren gemeinsamen Mittelwert 0,67 beträgt, erklärt werden.Obviously, an electronic antivalence of Mn (1) and Mn (2) leads to the fact that an asymmetric carbon bridge C (7) is formed between Mn (2) and M (3). The electronic mismatch of Mn atoms is particularly evident when the corresponding Mn-Se bond lengths (Mn (1) 2.458 (2) or 2439 (2), Mn (2): 2407 (2) and 2.402 (2) angstroms ) considered. This can be explained by the different oxidation states of manganese atoms, the common mean of which is 0.67.
Wenn man nun auf die beobachteten Bindungslängen und Koordinationszahlen abstellt, hat man die Atome Mn(2) und Mn(3) die Oxidationsstufe 1 und sie werden zugeordnet, während Ergebnisse für Mn(1), einen Wert von ±O ergibt. Das Molekül weist eine Punktsymmetrie auf, wobei die Manganzentren in der Spiegelebene liegen. Wenn die schwache Wechselwirkung der asymmetrischen Brücke (Mn(2)-C(7) 2726(7)) vernachlässigt wird, ergibt sich das alle drei Mn-Atome eine quadratisch-pyramidale Geometrie von drei Kohlenstoff- und Selen zwei Liganden umgibt. In dieser Betrachtung hat Mn(2) eine verzerrt-oktaedrischen Ligandenumgebung.Turning now to the observed bond lengths and coordination numbers, the atoms Mn (2) and Mn (3) have the
Im Gegensatz zu der quadratisch-pyramidalen Koordinationen der Manganzentren sind die Koordinationen von Fe(3) in 6-trigonal bipyramidaler Gestalt.In contrast to the square-pyramidal coordination of the manganese centers, the coordination of Fe (3) in 6-trigonal bipyramidal form.
Die Anordnung der Kohlenstoff-Liganden zu Fe(3) ist in der Weise, dass Fe(1) und Fe(2) umgeben ist. Sie sind chemisch äquivalent und haben in etwa die gleiche Länge von Eisen-Selen-Bindungen (Fe(1): 2.351(1) 2.359(1), Fe(2): 2.354(1) 2.358(1) Angström). Die molekulare Symmetrie Cs mit der Spiegelebene verläuft nun durch die beiden Selenatome und Fe(3). In der gemischtvalenten Verbindung 6 hat Fe(3) die Oxidationsstufe +2, während Fe(1) und Fe(2) formal +1.The arrangement of the carbon ligands to Fe (3) is such that Fe (1) and Fe (2) are surrounded. They are chemically equivalent and have approximately the same length of iron-selenium bonds (Fe (1): 2.351 (1) 2.359 (1), Fe (2): 2.354 (1) 2.358 (1) angstroms). The molecular symmetry Cs with the mirror plane now passes through the two selenium atoms and Fe (3). In mixed-
Das hier vorgestellte Material geht nun von der Annahme aus, dass in Komplexen des Typs [M3X2(CO)9]z (X = S, Se, Te, z = –2, –1, 0, +1)/5a – e/ eine asymmetrische Kohlenstoff-Brücke gebildet ist, wenn die beiden Metallatome an der Basis des pyramidenförmigen M3X2 nicht äquivalent elektronisch sind. Hier wird das höhere oxidierte Metallzentrum durch die Brücke gegebenenfalls durch eine Wechselwirkung stabilisiert. Der Übergang ist nicht-Äquivalent. Hier wird die höhere oxidierten Metallzentrum durch die Brücke gegebenenfalls durch eine Wechselwirkung stabilisiert.The material presented here starts from the assumption that in complexes of the type [M3X2 (CO) 9] z (X = S, Se, Te, z = -2, -1, 0, +1) / 5a - e / an asymmetric carbon bridge is formed when the two metal atoms at the base of the pyramidal M3X2 are not equivalent electronically. Here, the higher oxidized metal center is stabilized by the bridge, optionally through an interaction. The transition is non-equivalent. Here, the higher oxidized metal center is stabilized by the bridge, possibly through an interaction.
Der Übergang von der nicht-verbrückten zur verbrückten Form wird mit einer 30 Grad-Rotation der apikalen M(CO)3 ihrer Symmetrieachse und einer anschließenden Kippen um 15 Grad in Richtung M(2) zugeordnet. Zur gleichen Zeit tritt ein Wechsel von trigonal-pyramidal zur quadratisch-pyramidalen Koordination auf.The transition from the non-bridged to the bridged form is associated with a 30 degree rotation of the apical M (CO) 3 of its symmetry axis followed by a tilt of 15 degrees towards M (2). At the same time, a change from trigonal pyramidal to quadratic pyramidal coordination occurs.
[MnFe25e2(CO)9] – verglichen mit [Mn35e2(CO)9]2[MnFe25e2 (CO) 9] - compared to [Mn35e2 (CO) 9] 2
Eine verwandte Verbindung mit gemischtem Metall-Komplex [MnFe25e2(CO)9]-/3e/ wurde synthetisiert und als isostrukturell mit [Fe35e2(CO)9]/Sb/ beschrieben, verwendet. Die Strukturanalyse wurde auf der Basis eines ungeordneten Modells, bei dem zwei der drei Metallzentren statistisch durch Mn und Fe besetzt werden, geführt. Das Problem der Fe/Mn-Verteilung in dem komplexen Anion [MnFe25e2(CO)9]- ist die Aufgabe, um die oben beschriebenen Ergebnisse zu erreichen. Diese Verbindung sollte isostrukturell mit 6 sein.A related compound with mixed metal complex [MnFe25e2 (CO) 9] - / 3e / was synthesized and used as isostructural with [Fe35e2 (CO) 9] / Sb /. Structural analysis was conducted on the basis of a disordered model in which two of the three metal centers are statistically occupied by Mn and Fe. The problem of Fe / Mn distribution in the complex anion [MnFe25e2 (CO) 9] - is the task to achieve the results described above. This compound should be isostructural with 6.
Die Struktur kann besser beschrieben werden, wenn man das Vorliegen einer asymmetrischen Kohlenstoffbrücke annimmt. Die [MnFe25e2(CO)9]-Anion Kohlenstoffbrücke wird daher nicht als 6 gefunden, aber gebaut eher wie [Mn3Se2(CO)9].The structure can be better described by assuming the presence of an asymmetric carbon bridge. The [MnFe25e2 (CO) 9] anion carbon bridge is therefore not found as 6, but rather built like [Mn3Se2 (CO) 9].
Unter Berücksichtigung des individuellen Metalls Selen dessen Abstände zeigen, dass die Positionen der Metallatome in der Basis des M35e2 Pyramide in aller Wahrscheinlichkeit nicht statistisch, sondern in geordneter Weise von Mangan (Position M(1)) und Eisen (Position M(2)) belegt. Hier ist das formal höher oxidierte Metallatom (hier Mn) durch die asymmetrische Kohlenstoffbrücke in Übereinstimmung mit der oben formulierten Hypothese stabilisiert.Taking into account the individual metal selenium whose distances show that the positions of the metal atoms in the base of the M35e2 pyramid in all probability not statistically, but in an orderly manner of manganese (position M (1)) and iron (position M (2)) , Here, the formally higher oxidized metal atom (here Mn) is stabilized by the asymmetric carbon bridge in accordance with the hypothesis formulated above.
[Fe352(CO)9][Fe2(52)(CO)6], verglichen mit [Mn35e2(CO)9]2[Fe352 (CO) 9] [Fe2 (52) (CO) 6] compared with [Mn35e2 (CO) 9] 2
Obwohl asymmetrische Kohlenstoffbrücken in der Chemie sehr weit verbreitet sind, gibt es nur sehr wenige Beispiele für die [MnFe25e2(CO)9]2-Anion eine unerwartet lange mit Mn identifiziert Form. Eine wesentliche, bisher unentdeckt asymmetrische Brücke dieser Art findet sich im [Fe352(CO)9]-Einheit Komplex. Die Eigenschaft kann auch bei [Fe352(CO)9][Fe2(52)(CO)6] gefunden werden. Die ist überraschend typisch für einen langen M ... C-Kontakt, obwohl die beiden Fe-Atome in der Basis des pyramiden Fe352 chemisch äquivalent sind. Die mit der Anordnung ungewöhnliche Lage des apikalen Fe(CO)3 ist als alternative Konformation bekannt. Nach bisherigen Erkenntnissen muss aber auch von der Anwesenheit einer asymmetrischen Kohlenstoffbrücke ausgegangen werden. Die Erklärung für das unerwartete Verhalten von [Fe352(CO)9] in der komplexen Addukt wird in der Anordnung der beiden Komponenten im Kristall hoch gefunden. Diese werden so verpackt, dass die Komplexe vorhanden sind, in der Tat, wie Charge-Transfer-Addukte.Although asymmetric carbon bridges are very common in chemistry, very few examples of the [MnFe25e2 (CO) 9] 2 anion have an unexpectedly long-term Mn-identified form. An essential, as yet undiscovered, asymmetric bridge of this type can be found in the [Fe352 (CO) 9] unit complex. The property can also be found in [Fe352 (CO) 9] [Fe2 (52) (CO) 6]. This is surprisingly typical for a long M ... C contact, although the two Fe atoms in the base of the pyridine Fe352 are chemically equivalent. The unusual location of the apical Fe (CO) 3 is known as an alternative conformation. According to previous findings, however, the presence of an asymmetric carbon bridge must also be assumed. The explanation for the unexpected behavior of [Fe352 (CO) 9] in the complex adduct is found high in the arrangement of the two components in the crystal. These are packaged so that the complexes are present, in fact, like charge-transfer adducts.
[Mn3Se2(CO)9]2 im Vergleich zu [Mn3Se2(SeMe3)(CO)9]2[Mn3Se2 (CO) 9] 2 compared to [Mn3Se2 (SeMe3) (CO) 9] 2
Beobachtet wird – im System [Mn2(CO)10]/Na25e/[Ph4P]Cl die Förderung der Reaktion [Mn35e2(CO)9]2-( )[Mn35e2(5eMe3)(CO)9]2. Dieser Komplex wird unter Solvothermalbedingungen in Methanol formal durch die Zugabe einer Methanselenolat ligands und der Entfernung eines Elektrons von der Mangan-Struktur gebildet. Hier ist der my-2-5eMe3-Brücke zwischen Mn(1) und Mn(3) angebracht ist. (3) Für die asymmetrische Kohlenstoffbrücke zwischen Mn(2) und Mn.It is observed - in the system [Mn2 (CO) 10] / Na25e / [Ph4P] Cl, the promotion of the reaction [Mn35e2 (CO) 9] 2- () [Mn35e2 (5eMe3) (CO) 9] 2. This complex is formed under solvothermal conditions in methanol formally by the addition of a Methanselenolat ligands and the removal of an electron from the manganese structure educated. Here's the my-2-5eMe3 bridge between Mn (1) and Mn (3) is attached. (3) For the asymmetric carbon bridge between Mn (2) and Mn.
Die Einführung der 2-my-SeMe3-Brücken und die damit verbundene Änderung in der Geometrie, d. h. die Bildung könnte durch Magnethaltekräfte befestigt werden. Der Komplex ist diamagnetisch 9a mit seiner geraden Zahl von 50 Valenzelektronen. Während das Komplex-Ion 9a mit einer ungeraden Anzahl von Valenzelektronen zeigt die erwarteten Paramagnetismus (= 1,8 myB für myeff [Mn3Se2(CO)9)2]2 – bei 100 K). Dies ist auch in der erheblichen Streuung der Phenylresonanzen im IH-NMR-Spektrum reflektiert.The introduction of 2-my-SeMe3 bridges and the associated change in geometry, d. H. the formation could be fixed by magnetic holding forces. The complex is diamagnetic 9a with its even number of 50 valence electrons. While the complex ion 9a with an odd number of valence electrons shows the expected paramagnetism (= 1.8 myB for myeff [Mn3Se2 (CO) 9) 2] 2 - at 100K). This is also reflected in the significant scattering of the phenyl resonances in the IH-NMR spectrum.
Die Martensitumwandlungstemperatur ist nahe 220 K. Diese martensitische Umwandlungstemperatur kann leicht auf etwa Raumtemperatur durch Ändern der Zusammensetzung der Legierung hin zu einer stöchiometrischen Legierung variiert werden. Die Niedrigtemperaturphase entwickelt sich aus der Ausgangsphase durch eine diffusionslose, lageändernde Transformation hin zu einer tetragonalen Struktur, a = b = 5,90 A, c = 5,44 A. Eine Martensitphase nimmt im Allgemeinen den Stamm mit der Transformation assoziiert auf (das ist 6,56% an c für Ni2MnGa), durch die Bildung von Zwillingsvarianten.The martensitic transformation temperature is close to 220 K. This martensitic transformation temperature can be easily varied to about room temperature by changing the composition of the alloy to a stoichiometric alloy. The low-temperature phase evolves from the initial phase by a diffusionless, position-changing transformation towards a tetragonal structure, a = b = 5.90 A, c = 5.44 A. A martensite phase generally accommodates the stem associated with transformation (that is 6.56% of c for Ni2MnGa), through the formation of twin variants.
Dies bedeutet, dass sich ein kubischer Kristall teilt in zwei tetragonalen Kristallite, die sich eine Kontaktebene teilen. Diese Zwillinge sind zusammengepackt in passenden Orientierungen, um die Spannungsenergie (ähnlich wie die Magnetisierung eines Ferromagneten auf unterschiedlichen Orientierungen durch Aufbrechen in Domänen, um die magnetostatische Energie zu minimieren). Die Ausrichtung dieser Zwillingsvarianten durch die Bewegung der Zwillingsgrenzen führen zu großen makroskopischen Stämmen.This means that a cubic crystal splits into two tetragonal crystallites that share a contact plane. These twins are packed together in matching orientations to the strain energy (much like the magnetization of a ferromagnet on different orientations by breaking up into domains to minimize the magnetostatic energy). The alignment of these twin variants by the movement of the twin boundaries leads to large macroscopic trunks.
In der tetragonalen Phase mit höherer magnetischer Anisotropie kann ein angelegtes Magnetfeld eine Änderung der Dehnung verursachen, weshalb diese Materialien als Aktuatoren verwendet werden können. Neben diesem ferromagnetischen Formgedächtniseffekt kann man sehr nah an der martensitischen Übergangstemperatur beobachten, dass eine große Änderung der Magnetisierung für niedrig angelegte Magnetfelder vorliegt. Diese Änderung in der Magnetisierung ist ebenfalls auf die magnetokristalline Anisotropie bezogen.In the tetragonal phase with higher magnetic anisotropy, an applied magnetic field can cause a change in strain, and therefore these materials can be used as actuators. In addition to this ferromagnetic shape memory effect, one can observe very close to the martensitic transition temperature that there is a large change in magnetization for low-level magnetic fields. This change in magnetization is also related to the magnetocrystalline anisotropy.
Diese Änderung in der Magnetisierung, welche zu einer moderaten magnetischen Entropieänderung von wenigen J/molK führt, wird verstärkt, wenn auf einem Einkristall implementiert wird. Wenn die Zusammensetzung in diesem Material in einer Weise vorliegt, dass die magnetische und strukturelle Umwandlung bei der gleichen Temperatur erfolgt und abgestimmt wird auf die größte magnetische Entropie, werden Veränderungen beobachtet.This change in magnetization, which results in a moderate magnetic entropy change of a few J / molK, is enhanced when implemented on a single crystal. If the composition is present in this material in such a way that the magnetic and structural transformation occurs at the same temperature and is tuned to the greatest magnetic entropy, changes are observed.
Für die magnetischen Anwendungen werden extrem große Längenänderungen in dem martensitischen Übergang zu Alterungswirkung führen. Es ist bekannt, bei magnetischen Formgedächtnislegierungen, dass häufig nur Einkristalle gefahren werden, während polykristalline Materialien spontan pulverisieren nach mehreren Zyklen. Man kann die Temperatureffekte durch Druck auf die kristalline Formationen steigern, aber auch Alterungseffekte und Deklination der Polykristallinen werden dann beobachtet.For magnetic applications, extremely large changes in length in the martensitic transition will lead to aging effects. It is known in magnetic shape memory alloys that often only single crystals are driven while polycrystalline materials spontaneously pulverize after several cycles. One can increase the temperature effects by pressure on the crystalline formations, but also aging effects and declination of the polycrystallines are then observed.
Fe2P-basierte Verbindungen bieten die Möglichkeit zur Verhinderung von Ionisationsprozessen, die binäre intermetallische Verbindung Fe2Ph kann als Basislegierung für eine praktikable Mischung aus Materialien berücksichtigt werden. Diese Verbindung kristallisiert in der hexagonalen, nicht-punktsymmetrischen FeMn-Phosphor-Verbindung, und hat alle positiven Eigenschaften, um als Transponder für Haus-Kühlsysteme verwendet zu werden.Fe2P-based compounds provide the opportunity to prevent ionization processes, the binary intermetallic compound Fe2Ph can be considered as a base alloy for a workable mixture of materials. This compound crystallizes in hexagonal, non-point symmetric FeMn Phosphorus compound, and has all the positive features to be used as a transponder for home cooling systems.
Substitutionen von Fe und/oder Mn sind denkbar mit AS, Zi, Ni, Ge, Si. Fe belegt die 3g- und 3f-Seiten und p die lb- und 2c-Seiten. Dadurch erhält man eine Stapelung von abwechselnd P-reichen und -armen P-Schichten. Die Neutronenbeugung ergibt, dass das magnetische Moment des Fe auf dem 3g-Seite etwa 2my-B, während der Moment auf den 3f-Seite ist etwa 1my-B. Die hexagonale Form hat schlechte Möglichkeiten, durch die Alterung als magnetische Quelle wiedergewonnen zu werden.Substitutions of Fe and / or Mn are conceivable with AS, Zi, Ni, Ge, Si. Fe occupies the 3g and 3f sides and p the lb and 2c sides. This results in a stack of alternating P-rich and low-P-layers. The neutron diffraction reveals that the magnetic moment of the Fe on the 3g side is about 2my-B, while the momentum on the 3f side is about 1my-B. The hexagonal shape has poor opportunities to be recovered by aging as a magnetic source.
Eine wesentliche Ursache für die elektrisch leitfähigen Eigenschaften der polymeren Fasern durch die Dotierung liegt darin, dass in der dielektrischen Trägerstruktur des Polyesters die Metallpartikel zwar räumlich voneinander getrennt sind, dass jedoch die Elektronenwolken der Metallpartikel einander überlappen. Die Einbettung der Dotierungselemente in den Polyester verhindert Zersetzungsprozesse und verhindert äußere Einflüsse.A significant reason for the electrically conductive properties of the polymeric fibers by the doping is that in the dielectric support structure of the polyester, the metal particles are spatially separated from each other, but that the electron clouds of the metal particles overlap each other. The embedding of the doping elements in the polyester prevents decomposition processes and prevents external influences.
Insbesondere werden eine Reoxidation, eine Reibungszersetzung vermieden und die Flexibilität verbessert.In particular, reoxidation, friction decomposition are avoided and flexibility is improved.
Es können im Hinblick auf die Strahlung genau fixierte, schart begrenzte und reproduzierbare Frequenzgänge erreicht werden.With regard to the radiation, exactly fixed, sharply delimited and reproducible frequency responses can be achieved.
Insbesondere ist es im Hinblick auf die Strahlungsemission möglich, durch eine geeignete Dotierung durch die Generierung von Infrarotstrahlung im Frequenz-Bereich von 4,5 μm bis 11,5 μm zu erreichen.In particular, with regard to the radiation emission, it is possible to achieve, by suitable doping, the generation of infrared radiation in the frequency range from 4.5 μm to 11.5 μm.
Alternativ zur Verwendung von polymeren Fasern aus PET ist es auch möglich, Aramide einzusetzen. Die Herstellung der Fasern kann Elektro-Spinningverfahren erfolgen.As an alternative to using PET polymeric fibers, it is also possible to use aramids. The production of the fibers can be carried out by electrospinning.
Ein typischer Durchmesser der Fasern liegt mit Bereich 2 μm bis 6 μm. Die Dotierung mit den Metalpartikeln erfolgt vorzugsweise in einem Gasplasma.A typical diameter of the fibers is in the
Eine typische Faserlänge liegt im Bereich von 2 cm bis 4 cm.A typical fiber length is in the range of 2 cm to 4 cm.
Als Dotierungselemente eignen sich insbesondere die folgenden chemischen Elemente wahlweise im Reinzustand oder als Legierung. Gedacht ist insbesondere an die Verwendung von Selten-Erd-Metallen. Verwendbar ist da beispielsweise auch Eisen, Mangan, Phosphor, Silicium, Lanthan, Germanium, Natrium, Zink, Flour oder Arsen. Darüber hinaus sind auch Aluminium, Kupfer und/oder Nickel verwendbar.Particularly suitable doping elements are the following chemical elements, either in the pure state or as an alloy. Especially thought is the use of rare earth metals. It is also possible to use, for example, iron, manganese, phosphorus, silicon, lanthanum, germanium, sodium, zinc, fluorine or arsenic. In addition, aluminum, copper and / or nickel are also usable.
Ebenfalls ist an die Verwendung von Erdmetallen oder Alkalielementen, beispielsweise von Magnesium, Calcium, Natrium oder Kalium gedacht.Also contemplated is the use of earth metals or alkali elements, for example, magnesium, calcium, sodium or potassium.
Die Einbindung des keramischen Materials in das polymere Grundmaterial erfolgt bei einer jeweiligen Größendimensionierung in einem molekularen Bereich, materialabhängig ist auch eine entsprechende Größenordnung in einem atomaren Bereich möglich. Die Durchmesser der eingelagerten Elemente betragen somit maximal 1 Mikrometer, bevorzugt maximal 1 Nanometer. Im Allgemeinen können diese Durchmesser zwischen den Durchmessern eines Wasserstoff-Atoms und dem Durchmesser eines Uran-Atoms liegen.The integration of the ceramic material in the polymeric base material is carried out at a respective size dimensioning in a molecular range, depending on the material and a corresponding order of magnitude in an atomic range is possible. The diameters of the stored elements thus amount to a maximum of 1 micrometer, preferably a maximum of 1 nanometer. In general, these diameters can be between the diameters of a hydrogen atom and the diameter of a uranium atom.
Bei einem keramischen Heiz- oder Kühldraht in Mikrometerstruktur ordnen sich die Metallpartikel in Gasplasmaform, amorph in einem Koordinatensystem getrennt voneinander inhomogen ein. Dieses hat zur Folge das in einer dielektrischen Trägerstruktur, in der x,y,z-Achse Metallpartikel räumlich getrennt, jedoch über ihre Elektronenwolken miteinander verbunden sind. Vorteil dieser technischen Vorgehensweise, im Vergleich zur bestehenden Beschichtungs- und Drahteinzieh-Verfahren ist es erstens, dass es keine Zersetzungsprozesse aus Diffraktion der einzelnen Kristalle und Metall-Partikeln gibt, zweitens sind die einzelnen Partikel durch die amorphe räumliche Trennung voneinander und vom Trägermaterial isoliert getrennt eingebunden in eine die elektrischen Leiter von eigenen und äußeren Einflüssen sowie zeigen isolierte Eigenschaften auf der Berührungsfläche/Oberfläche in x,y,z-Richtung; was die Gebrauchs-, Funktions- und Langlebigkeit in Sicherheit und Funktionseffizienz erheblich steigert. Reoxidation, Reibungszersetzung und Flexibilitätsmerkmale werden verbessert zugunsten erhöhter Effizienz und Effektivität der Nutzung.In a ceramic heating or cooling wire in micrometer structure, the metal particles in gas plasma form, arranged amorphously in a coordinate system separately inhomogeneous one. This has the consequence that in a dielectric support structure, in the x, y, z-axis spatially separated metal particles, but are interconnected via their electron clouds. The advantage of this technical procedure, in comparison with the existing coating and wire-entangling methods, is firstly that there are no decomposition processes from diffraction of the individual crystals and metal particles, secondly the individual particles are isolated from one another and isolated from one another by the amorphous spatial separation integrated into one of the electrical conductors of their own and external influences and show isolated properties on the interface / surface in the x, y, z-direction; which considerably increases the service life, durability and longevity in safety and functional efficiency. Reoxidation, friction degradation and flexibility characteristics are improved in favor of increased efficiency and effectiveness of use.
Ein Vorzug dieser Technik, liegt in der gezielten Verwertbarkeit von genau fixierten emittierenden Frequenzgängen an zu strahlenden Körpern oder Metallpartikeln.One advantage of this technique lies in the specific usability of precisely fixed emitting frequency responses to radiating bodies or metal particles.
Somit können die einzelnen Arbeitsbereiche und Funktionsweisen modular elaboriert werden. Thus, the individual work areas and modes of operation can be modularly elaborated.
Die hieraus entstehenden ”Filter” ermöglichen genaue spektral Emitter, welche ausschließlich im Spektrum von IR-C Bereichen ab 4,5 μm bis 11,5 μm des sichtbaren Lichtes strahlen. Auch kann definiert werden, dass im Umkehrschluss Absorptionen von Licht, Schall und elektromagnetischen Feldern, sowie Druck auf Materialien gezielt in definierten Bereichs-Frequenzen vorgenommen werden können.The resulting "filters" allow accurate spectral emitters, which radiate exclusively in the spectrum of IR-C ranges from 4.5 microns to 11.5 microns of visible light. It can also be defined that, conversely, absorptions of light, sound and electromagnetic fields as well as pressure on materials can be made specifically in defined range frequencies.
Eine erste folien- oder gewebeartige Ausführungsform besitzt die folgenden Kennda ten:
Diese Folie hat 38 μm Durchmesser, Breite nach Wahl, max. 1600 mm. Glasfaserverstärktes Polyamid Gewebe, mit 40% Keramik Anteil.This foil has a diameter of 38 μm, width of choice, max. 1600 mm. Glass fiber reinforced polyamide fabric, with 40% ceramic content.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform liegen die folgenden Kenndaten vor:
Die zweite Folie hat 25 μm Durchmesser, Breite nach Wahl, max. 1600 mm, Cellulose (Papier) und Polymidsubstrat, versetzt mit Graphenpulver zu 15% in Mischungsverhältnis.The second foil has a diameter of 25 μm, width of your choice, max. 1600 mm, cellulose (paper) and polymide substrate, mixed with graphene powder to 15% in mixing ratio.
Der aus den Fasern hergestellte Draht kann als Kühlelement verwendet werden.The wire made of the fibers can be used as a cooling element.
Draht aus PET oder Aramiden, Faser durch Elektro-Spinning-Verfahren, Durchmesser 2 μm – bis max. 6 μm, Verfüllt mit Gasplasma Metallpartikeln. Länge 2 cm – bis max. 4 cm, für Kühlfolie, Flächenwiderstand 0,4 milli Ohm pro cm2.Wire made of PET or aramid, fiber by electro-spinning method,
In Textilgewebe: Kühldraht nach kundenspezifischer Angabe in Durchmesser und Länge.In textile fabric: cooling wire according to customer specification in diameter and length.
Hybridkühlelemente bieten ein enormes Potential zur Miniaturisierung, da sie Wärme genau dort abführen, wo eine Kühlung erforderlich ist.Hybrid cooling elements offer enormous potential for miniaturization as they dissipate heat where cooling is required.
Energieersparnis, da der Wärmeverlust an unbeteiligte Bauteile minimal ist (Energieeffizienz).Energy savings, since the heat loss to uninvolved components is minimal (energy efficiency).
Prozesszeitreduzierung, da einerseits durch die geringe thermische Masse der Keramikkühler die Wärme in kürzester Zeit aufnehmen kann.Reduction of process time, because on the one hand, due to the low thermal mass, the ceramic coolers can absorb the heat in the shortest possible time.
Die Keramik kann in besonderen Anwendungen eingesetzt werden.The ceramic can be used in special applications.
Durch höhere Prozesstemperaturen können Prozesse wie Schweißen oder Schmelzen noch schneller durchgeführt werden.Higher process temperatures make processes such as welding or melting even faster.
Hybridkühlelemente sind im gesamten Temperaturbereich stufenlos regelbar. Aufgrund der linearen Temperaturabhängigkeit des Widerstands kann der Platinkühlleiter gleichzeitig die Funktion eines Temperatursensors übernehmen und somit die Temperatur des Kühlelements messen und regeln. Die Lebensdauer und Belastbarkeit (Temperaturwechselbeständigkeit, ständiges Aufheizen und Abkühlen) ist sehr hoch. Hybrid cooling elements are infinitely variable over the entire temperature range. Due to the linear temperature dependence of the resistance, the platinum cooling conductor can simultaneously assume the function of a temperature sensor and thus measure and regulate the temperature of the cooling element. The lifetime and resilience (thermal shock resistance, constant heating and cooling) is very high.
So können bei einer Temperatur von 1.000°C mehrere tausend Betriebsstunden erreicht werden.Thus, at a temperature of 1,000 ° C several thousand hours of operation can be achieved.
Höchste mechanische Festigkeit, auch bei hohen Temperaturen, elektrisch leitend, höchste Risszähigkeit, hoher Weibul-Modul. Kaum benetzend mit Funkenerosion bearbeitbar. Hervorragende Verschleißbeständigkeit, gute Gleiteigenschaften, sehr gute Wärmeleitfähigkeit, kleine Masse (Dichte 3,9 g/cm3) extrudiert. Farbe: braun bis gold-braun.Highest mechanical strength, even at high temperatures, electrically conductive, highest fracture toughness, high Weibul modulus. Barely wetting with EDM machinable. Excellent wear resistance, good sliding properties, very good thermal conductivity, small mass (density 3.9 g / cm3) extruded. Color: brown to golden brown.
Für die Leitfähigkeit sind Ionen als Ladungsträger verantwortlich. Deren Beweglichkeit ist aber durch den Einbau in die Kristallstruktur gering. Der Anteil unterschiedlicher Ionen an der Gesamtleitfähigkeit eines Werkstoffs wird durch die Überführungszahlen von Kationen, Anionen und Elektronen oder Leerstellen dokumentiert. Derartige Heizelemente können eine Temperatur von ca. 1.000°C im Dauerbetrieb oder bis zu 1.300°C für kurzzeitige Temperaturspitzen erreichen. Typische Bauformen sind rohrförmige (tubulare) Heizelemente, sog. Rohrheizer, Stabheizer oder Lamellenheizer, oder flache Heizplatten.For conductivity, ions are responsible as charge carriers. Their mobility is low but by incorporation into the crystal structure. The proportion of different ions in the total conductivity of a material is documented by the transfer coefficients of cations, anions and electrons or voids. Such heating elements can reach a temperature of about 1,000 ° C in continuous operation or up to 1,300 ° C for short-term temperature peaks. Typical designs are tubular (tubular) heating elements, so-called tube heaters, rod heaters or lamellar heaters, or flat heating plates.
CaO-Al2O3-SiO2-Schmelze ist der Basiswerkstoff, kombiniert mit PA Molekülen in einem Mischungsverhältnis von 40% zu 60%.CaO-Al2O3-SiO2 melt is the base material, combined with PA molecules in a mixing ratio of 40% to 60%.
Bevorzugte Materialien sind Siliziumnitrid und -carbid, Oxidkeramik und Grafit.Preferred materials are silicon nitride and carbide, oxide ceramics and graphite.
Die Fasern werden zu einem Draht und Leiterausbildung verwendet.The fibers are used to form a wire and conductor training.
Elektronenleitung, wie sie in metallischen Werkstoffen große Bedeutung hat, kann mit dem Bändermodell erklärt werden. Bereits im Einzelatom kann ein Elektron immer nur einen durch entsprechende Quantenzahlen beschriebenen Energiezustand einnehmen (Pauli-Prinzip). Die diskreten Energieniveaus der Elektronen der einzelnen Atome verbreitern sich im Atomverband jeweils zu einem Energieband, in dem die Elektronen gleichen Quantenzustands der außerordentlich vielen Atome sehr dicht beieinander liegende aber voneinander verschiedene Energiezustände besetzen können. Nehmen die Atome ihren Gleichgewichtsabstand r0 zueinander ein, so sind nur die Energieniveaus der miteinander in Wechselbeziehung stehenden Bindungselektronen zu einem Band aufgeweitet.Electron conduction, as it has great importance in metallic materials, can be explained with the band model. Even in the single atom, an electron can only take on an energy state described by corresponding quantum numbers (Pauli principle). The discrete energy levels of the electrons of the individual atoms widen in the atomic union in each case to an energy band in which the electrons can occupy the same quantum state of extremely many atoms very close to each other but different energy states. If the atoms adopt their equilibrium distance r0, only the energy levels of the interrelated bonding electrons are expanded into a band.
Typische erreichbare Dichten betragen für Metalloxid-Keramik > 99,7%.Typical achievable densities for metal oxide ceramics are> 99.7%.
Neben dem drucklosen konventionellen Sintern werden in der Keramik noch folgende Sintertechnologien angewendet:
- – Reaktionssintern
- – Vakuumsintern
- – Drucksintern (axiales und isostatisches Heißpressen, Nachhippen)
- - Reaction sintering
- - Vacuum internally
- - Pressure sintering (axial and isostatic hot pressing, Nachhippen)
Reaktionssintern wird vor allem bei speziellen Siliziumcarbid- und Siliziumnitrid-Werkstoffen eingesetzt. Der Vorteil liegt in der geringen Schwindung der Bauteile (< 5% bis 0%). Die Vakuum- und Drucksintertechnik erlaubt die Herstellung nahezu porenfreier Werkstoffe mit praktisch 100% theoretischer Dichte. Beim Sinterprozess mehrphasiger Werkstoffe entsteht bei hohen Temperaturen ein dichtes Gefüge bestehend aus mehreren kristallinen Phasen oder einer Mischung aus kristallinen und glasigen Phasen.Reaction sintering is used primarily for special silicon carbide and silicon nitride materials. The advantage lies in the low shrinkage of the components (<5% to 0%). The vacuum and pressure sintering technology allows the production of almost pore-free materials with practically 100% theoretical density. In the sintering process of multiphase materials, a dense structure consisting of several crystalline phases or a mixture of crystalline and glassy phases arises at high temperatures.
Wenn sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Phasen unterscheiden, ziehen sie sich beim Abkühlen unterschiedlich zusammen und es entstehen Spannungen und Mikrorisse zwischen einzelnen Körnern. Der resultierende Ausdehnungskoeffizient des Werkstoffverbundes kann berechnet werden, wenn man annimmt, dass nur reine Zug- und Druckspannungen entstehen und keine Risse gebildet werden.As the coefficients of thermal expansion of the different phases differ, they contract differently as they cool, creating stresses and microcracks between individual grains. The resulting coefficient of expansion of the composite material can be calculated if it is assumed that only pure tensile and compressive stresses occur and no cracks are formed.
Zum Beispiel bei der Umwandlung elektrischer Energie in mechanische/thermische Energie. Die reine Deformation wird bei Anlegen von elektrischen Spannungen an Aktoren genutzt.For example, in the conversion of electrical energy into mechanical / thermal energy. The pure deformation is used when applying electrical voltages to actuators.
Bei Kristallen ist die Kristallsymmetrie ein weiteres Kriterium für das Auftreten der Piezoelektrizität. Die piezoelektrische Polarisation tritt nicht auf, wenn der Kristall ein Inversionszentrum besitzt. Bei allen 21 nicht-zentrosymmetrischen Punktgruppen kann Piezoelektrizität auftreten, mit Ausnahme der kubischen Punktgruppe 432. Anders gesagt darf eine Elementarzelle kein Symmetriezentrum (= ein Punkt, an dem eine Punktspiegelung den Kristall in sich selbst überführt) besitzen.For crystals, crystal symmetry is another criterion for the occurrence of piezoelectricity. The piezoelectric polarization does not occur when the crystal has an inversion center. For all 21 non- With the exception of the cubic point group 432, piezoelectricity can occur with centrosymmetric point groups. In other words, an elementary cell can not have a center of symmetry (= a point at which a point reflection transforms the crystal into itself).
Das bekannteste Material mit Piezoeigenschaften ist Quarz (SiO2). Quarzkristalle besitzen die nicht-zentrosymmetrische Punktgruppe 32. Jedes Si-Atom sitzt in der Mitte eines Tetraeders aus vier Sauerstoffatomen. Eine in Richtung Grundfläche-Spitze (Kristallografische Richtung) wirkende Kraft verformt nun diese Tetraeder derart, dass die zusammengedrückten Tetraeder elektrisch polarisiert sind und so auf den Oberflächen des Kristalls (in Richtung) eine Nettospannung auftritt.The best known material with piezo properties is quartz (SiO 2 ). Quartz crystals have the non-centrosymmetric point group 32. Each Si atom sits in the middle of a tetrahedron of four oxygen atoms. A force acting in the direction of the base-surface peak (crystallographic direction) now deforms these tetrahedra in such a way that the compressed tetrahedra are electrically polarized and thus a net voltage occurs on the surfaces of the crystal (in the direction).
Als aktive Sensormaterialien werden zunehmend auch piezoelektrische Dünnschichten eingesetzt. Mit Hilfe von Halbleitertechnologien ist es möglich, diese aktiven piezoelektrischen Dünnschichten auf Silizium abzuscheiden. Hierbei handelt es sich meist um Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumnitrid (AlN).Piezoelectric thin films are increasingly being used as active sensor materials. With the help of semiconductor technologies, it is possible to deposit these active piezoelectric thin films on silicon. These are usually zinc oxide (ZnO) or aluminum nitride (AlN).
Der Kunststoff Polyvinylidenfluorid (PVDF) lässt sich – ähnlich wie piezoelektrische Keramiken – polarisieren und ist dann piezoelektrisch. Anwendungen hierfür sind Hydrophone.The plastic polyvinylidene fluoride (PVDF) can be - similar to piezoelectric ceramics - polarize and is then piezoelectric. Applications for this are hydrophones.
Die Materialien, die für den Einsatz als Kühlelemente/Kühlleiter („aktive”, stromführende Komponente, die Strahlung absorbiert) in Frage kommen, sind neben speziellen hochtemperatur- und oxidationsbeständigen Metallen (NiCr, FeCrAl, Pt; in inerter Atmosphäre auch W und Mo) auch leitfähige Keramik-Materialien, sog. Ceramic-Matrix-Composits (CMC, z. B. ATN = Al2O3/TiN-Mischkeramik, Al2O3/MoSi2-Mischkeramik, Si3N4/MoSi2 usw.) und Hybridkühlelemente. Abhängig von der maximalen Einsatztemperatur und der Umgebungsatmosphäre wird für jedes Anwendungsgebiet das geeignete Material gewählt.The materials which are suitable for use as cooling elements / cooling conductors ("active", current-carrying component which absorbs radiation) are, in addition to special high-temperature and oxidation-resistant metals (NiCr, FeCrAl, Pt, in an inert atmosphere also W and Mo). also conductive ceramic materials, so-called ceramic matrix composites (CMC, eg ATN = Al2O3 / TiN mixed ceramics, Al2O3 / MoSi2 mixed ceramics, Si3N4 / MoSi2 etc.) and hybrid cooling elements. Depending on the maximum operating temperature and the ambient atmosphere, the appropriate material is selected for each application.
Trägermaterialien für Kühlleiter, sog. Kühlleiterträger, haben im Vergleich zu „aktiven” Kühlelementen die Aufgabe die sich erhitzenden Kühlwendeln, die über die Kühlleiterträger gezogen werden oder daran aufgehängt werden, auch bei beliebigen Kühltemperaturen dauerhaft zu tragen. Die Voraussetzungen an die Keramiken, die hierfür Einsatz finden, sind:
- – Hohe Temperaturbeständigkeit (höher als die maximale Kühltemperatur),
- – Elektrische Isolationsfestigkeit auch bei hohen Temperaturen,
- – Chemische Beständigkeit und Korrosionsbeständigkeit in der geforderten Atmosphäre,
- – Gute Temperaturwechselbeständigkeit.
- - high temperature resistance (higher than the maximum cooling temperature),
- - electrical insulation strength even at high temperatures,
- Chemical resistance and corrosion resistance in the required atmosphere,
- - Good thermal shock resistance.
Als idealer Werkstoff bietet sich hier Cordierit an. Cordierit ist ein Magnesium-Aluminium-Silikatmineral, das sich durch einen sehr niedrigen Längenausdehnungskoeffizienten auszeichnet. Dementsprechend gut ist die Temperaturwechselbeständigkeit bzw. anders ausgedrückt die Beständigkeit gegen Thermoschocks. Cordieritkeramiken gibt es sowohl in poröser als auch in dichter Form. Sie findet dort Anwendung, wo Poren keinen negativen Einfluss auf die Anwendung haben. Dies kann z. B. eindringende Feuchtigkeit sein, die mit der Zeit zu elektrischen Überschlägen führen kann. Hier kann dichtes Cordierit (C410) eingesetzt werden. Je nach Typ ist Cordierit bis zu einer maximalen Temperatur von ca. 1.240°C (C 520) bzw. 1300°C (C 530) einsetzbar. Spezialitäten mit hohem Aluminiumoxid- bzw. Mullitgehalt können bis 1.700°C eingesetzt werden. Diese Sondertypen weisen jedoch auch eine geringere Thermoschockbeständigkeit auf.The ideal material here is cordierite. Cordierite is a magnesium aluminum silicate mineral characterized by a very low coefficient of linear expansion. Accordingly good is the thermal shock resistance or in other words the resistance to thermal shock. Cordierite ceramics are available in both porous and dense form. It is used where pores have no negative impact on the application. This can be z. B. penetrating moisture, which can lead to electrical flashovers over time. Here dense cordierite (C410) can be used. Depending on the type, cordierite can be used up to a maximum temperature of approx. 1,240 ° C (C 520) or 1300 ° C (C 530). Specialties with high alumina or mullite content can be used up to 1700 ° C. However, these special types also have a lower thermal shock resistance.
Gemäß einer ersten Variante besteht die Möglichkeit,
- a) Fe und Zr in das Gitter einzubauen. Fe3+ wird auf Zr4+-Plätzen eingebaut, die entsprechend der Oxidationszahlen gegenüber dem ungestörten Gitter eine negative Ladung trägt. Zur Ladungskompensation gehen für ein eingebautes Fe3+-Kation ¼ Zr4+ auf Zwischengitterplätze.
- a) Install Fe and Zr in the grid. Fe 3+ is incorporated on Zr 4+ sites, which carries a negative charge according to the oxidation numbers compared to the undisturbed lattice. For charge compensation, for a built-in Fe 3+ cation ¼ Zr 4+ is placed on interstitial sites .
Eine andere Möglichkeit wäre, dass Sauerstoffleerstellen gebildet werden:
- b)
xFe'Zr, 1/2xV •• / 0 dem Beispielen 1 und 2 prinzipiell andere Fehlordnungen möglich wären
- b)
xFe ' Zr , 1 / 2xV •• / 0
Man unterscheidet zunächst aufgrund der Ladungsträger zwischen Elektronen- und Ionenleiter. Bei den Elektronenleitern wird im allgemeinen eine weitere Unterscheidung aufgrund der Größe der spezifischen Widerstände, ρ, getroffen:
Bei Temperaturerhöhung ändern sich die spezifischen Widerstände wie folgt:
Bei polykristallinen mehrphasigen Werkstoffen sind diese Kriterien manchmal irreführend, da die Zuordnung aufgrund des spezifischen Widerstandes eine andere sein kann als die aufgrund der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes.In polycrystalline polyphase materials, these criteria are sometimes misleading because the assignment due to resistivity may be different than that due to the temperature dependence of the resistivity.
Beispielsweise sinkt der spezifische Widerstand von Graphit mit steigender Temperatur, während der von TiN, TaC und manchen oxidischen Keramiken steigt (diese zeigen demnach metallische Leitfähigkeit).For example, the specific resistance of graphite decreases with increasing temperature, while that of TiN, TaC and some oxide ceramics increases (thus show metallic conductivity).
Die Herstellung einer Keramik kann, wie nachfolgend beschrieben, erfolgen.The preparation of a ceramic can, as described below, take place.
Herstellung von ZrO2-KeramikProduction of ZrO 2 ceramics
ZrO2-Pulver zur Herstellung von Ionenleiter oder auch von Mechanokeramiken wird heute vorwiegend durch Kopräzipitation hergestellt. Hierbei wird ZrCl3 mit YCl3 gemischt und anschließend hydrolysiert.ZrO 2 powder for the production of ionic conductors or mechano-ceramics is today mainly produced by coprecipitation. Here, ZrCl 3 is mixed with YCl 3 and then hydrolyzed.
Hierbei wird eine Fällung von Zr(OH)4 und Y(OH)3 in feinverteilter Form erzielt. Bei der anschließenden thermischen Behandlung entsteht äußerst sinteraktives dotiertes ZrO2- Pulver. Dieses wird kommerziell angeboten und ermöglicht bei Sintertemperaturen > 1400°C eine vollständige Verdichtung durch einen Festkörpersinterprozess. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Sintertemperatur von 1400°C für eine Phase mit einem Schmelzpunkt > 2700°C außergewöhnlich niedrig ist.In this case, a precipitation of Zr (OH) 4 and Y (OH) 3 is achieved in finely divided form. The subsequent thermal treatment produces extremely sintered doped ZrO 2 powder. This is commercially available and allows complete sintering at sintering temperatures> 1400 ° C through a solid-state sintering process. It should be noted that a sintering temperature of 1400 ° C for a phase with a melting point> 2700 ° C is exceptionally low.
Die gewählte Struktur der Größenordnung sowie der Partikeldichte, haben erhebliche Auswirkungen auf die Dehnungs- und Schrumpfungsfähigkeiten des Heiz- oder Kühldrähte, aber auch auf die molekulare Bruchdehnung innerhalb der Ionen-Leiterbahnen zwischen den Metallatomen. Werkstoffe, auf die eine Spannung wirkt, dehnen sich. Steife Werkstoffe (wie Stahl) dehnen sich nur wenig, nachgiebige Werkstoffe (wie Polyethylen) mehr. Dieser Sachverhalt drückt sich im E-Modul aus. Aber bevor wir diesen angeben können, definieren wir zunächst, was Dehnung ist.The selected structure of the order of magnitude as well as the particle density, have considerable effects on the stretching and shrinking capabilities of the heating or cooling wires, but also on the molecular elongation at break within the ionic tracks between the metal atoms. Materials on which a tension acts expand. Rigid materials (such as steel) stretch only slightly, yielding materials (such as polyethylene) more. This fact is expressed in the modulus of elasticity. But before we can give this, we first define what stretching is.
Aluminiumtitanatkeramik ist nicht hochfest und daher eine recht untypische Mechanokeramik. Abb. 3.26. zeigt die Biegefestigkeit einer Al2TiO5-Keramik im Vergleich zu ZrO2 und Al2O3.Aluminum titanate ceramic is not high-strength and therefore a rather atypical mechanoceramics. Fig. 3.26. shows the flexural strength of an Al 2 TiO 5 ceramic compared to ZrO 2 and Al 2 O 3 .
Bei ZrO2-Keramiken werden höchste Festigkeiten bei Zimmertemperatur erzielt, die aber bei Temperaturen oberhalb von 500°C rasch abfallen. Bei Al2O3-Keramiken ist ein deutlicher Abfall erst ab 1000°C zu beobachten. Im Gegensatz hierzu steigt die Festigkeit bei Al2TiO5-Keramik von ca. 30 MPa bei Raumtemperatur auf ca. 80 MPa bei 1000°C an.For ZrO 2 ceramics, highest strengths are achieved at room temperature, but they drop rapidly at temperatures above 500 ° C. For Al 2 O 3 ceramics, a significant drop is observed only from 1000 ° C. In contrast, the strength of Al 2 TiO 5 ceramic increases from about 30 MPa at room temperature to about 80 MPa at 1000 ° C.
Dieses hat Auswirkungen auf die thermischen Eigenschaften und Ausdehnungskoeffizienten: Das spezifische Volumen eines Kristalls nimmt mit steigender Temperatur zu, und der Kristall tendiert dazu, symmetrischer zu werden. Die generelle Volumenzunahme mit der Temperatur ist im Wesentlichen bestimmt durch die Zunahme der Amplitude von Schwingungen der Gitterbausteine um ihre mittlere Lage. Die abstoßende Kraft zwischen Atomen ändert sich bei Vergrößerung des Abstandes zweier Atome schneller als die anziehende Kraft. Als Konsequenz daraus ergibt sich, dass der Energieverlauf in Abhängigkeit vom Atomabstand unsymmetrisch ist (Abb. 3.2.1). Wenn die Gitterenergie zunimmt, führt die zunehmende Amplitude der Gitterschwingungen zu einem größeren Atomabstand, was einer Gitterexpansion gleichkommt. This has effects on the thermal properties and expansion coefficients: The specific volume of a crystal increases with increasing temperature, and the crystal tends to become more symmetrical. The general increase in volume with temperature is essentially determined by the increase in the amplitude of vibrations of the lattice units about their average position. The repulsive force between atoms changes faster than the attractive force as the distance between two atoms increases. The consequence of this is that the energy distribution is asymmetric as a function of the atomic distance (Figure 3.2.1). As the lattice energy increases, the increasing amplitude of the lattice vibrations results in a larger atomic distance, which equals lattice expansion.
Aus thermodynamischer Sicht nimmt die Energie der Struktur zu und die Entropie nimmt ab. Die Änderung des Volumens, hervorgerufen durch Gitterschwingungen, ist also eng verbunden mit einem Anstieg der inneren Energie. Konsequenterweise verlaufen Veränderungen des thermischen Ausdehnungskoeffizienten mit steigender Temperatur parallel zu Veränderungen der spezifischen Wärme.From a thermodynamic point of view, the energy of the structure increases and the entropy decreases. The change in volume caused by lattice vibrations is thus closely related to an increase in internal energy. Consequently, changes in the coefficient of thermal expansion with increasing temperature run parallel to changes in the specific heat.
(Bei anisotropen Kristallen unterscheidet sich der Wärmeausdehnungskoeffizient in Richtung der unterschiedlichen kristallographischen Achsen. Kristalle streben fast immer bei höheren Temperaturen eine höhere Symmetrie an. In tetragonalen Kristallen z. B. nimmt das Verhältnis der kristallographischen Achsen c/a (am Kristall) mit steigender Temperatur ab. Auch das Verhältnis der Ausdehnungskoeffizienten αc/αa nimmt in der Regel mit steigender Temperatur ab).(In the case of anisotropic crystals, the coefficient of thermal expansion differs in the direction of the different crystallographic axes.) Crystals almost always tend to have a higher symmetry at higher temperatures, whereas in tetragonal crystals, for example, the ratio of the crystallographic axes c / a (at the crystal) increases with increasing temperature The ratio of the expansion coefficients αc / αa also decreases as a rule with increasing temperature).
3.6. Nichtoxidkeramiken3.6. non-oxide ceramics
3.6.1. Allgemeines über Nichtoxidkeramiken3.6.1. General about non-oxide ceramics
Als Nichtoxidkeramiken werden Keramiken, die keinen oder nur wenig Sauerstoff enthalten bezeichnet. Nichtoxidkeramiken, die gegenwärtig technische Bedeutung haben sind:
Die Nebengruppencarbide, -nitride, -boride und -silicide sind metallisch leitfähig, haben metallischen Glanz, allerdings viel höhere Härte als Metalle. Sie werden auch als Hartmetalle (oder Hartstoffe) bezeichnet. Wolfram- und Titancarbid sowie TiN werden überwiegend als Schneidstoffe eingesetzt. Hierbei ist Wolframcarbid der klassische Werkstoff („Widia”). Titannitrid ist goldgelb und von noch weit höherer Härte als Wolframcarbid. Es wird als Beschichtung für Wolframcarbidwerkzeuge verwendet („Goldmaster”). Neben den o. g. Nebengruppencarbiden und -nitriden werden noch weitere verwendet, z. B. Niob- oder Tantalcarbid und -nitrid. Titanborid und Zirkonborid werden aufgrund ihrer hohen Schlagzähigkeit hauptsächlich als Werkstoffe für Panzerungen verwendet. Molybdänsilicid, und auch Mischungen bzw. feste Lösungen mit Wolframsilicid, werden für Hochtemperaturheizelemente verwendet (bis 1850°C).The subgroup carbides, nitrides, borides and silicides are metallically conductive, have metallic luster, but much higher hardness than metals. They are also referred to as hard metals (or hard materials). Tungsten and titanium carbide as well as TiN are mainly used as cutting materials. Here, tungsten carbide is the classic material ("Widia"). Titanium nitride is golden yellow and of much higher hardness than tungsten carbide. It is used as a coating for tungsten carbide tools ("Goldmaster"). In addition to the o. G. Subgroup carbides and nitrides are still further used, for. Niobium or tantalum carbide and nitride. Titanium boride and zirconium boride are mainly used as materials for armor because of their high impact strength. Molybdenum silicide, and also mixtures or solid solutions with tungsten silicide, are used for high temperature heating elements (up to 1850 ° C).
4. Siliciuminfiltriertes SiC (SiSiC)4. Silicon-Infiltrated SiC (SiSiC)
Wird wie RBSiC hergestellt, nur ohne Austreiben des überschüssigen SiC, SiSiC zeigt Festigkeiten von ca. 350 MPa, die bis 1300°C im Wesentlichen erhalten bleiben, dann aber schnell abfallen. SiSiC zeigt weiterhin eine hohe Wärmeleitfähigkeit.Produced as RBSiC, but without expelling excess SiC, SiSiC exhibits strengths of about 350 MPa, which are essentially retained up to 1300 ° C, but then rapidly fall off. SiSiC continues to show a high thermal conductivity.
5. Drucklos gesintertes Siliciumcarbid (SSiC)5. Pressure-sintered silicon carbide (SSiC)
Feinstes sinteraktives Siliciumcarbidpulver wird mit Zusatz von 2% B + C (als Sinterhilfsmittel) bei 1900–2200°C gesintert. Hierbei tritt vollständige Verdichtung ein. SSiC hat ein sehr gleichmäßiges Gefüge mit kleinen Kristallitgrößen. Es weist Festigkeiten bis 500 MPa auf, die bis ca. 1400°C erhalten bleiben.The finest sinter-active silicon carbide powder is sintered at 1900-2200 ° C with the addition of 2% B + C (as a sintering aid). This is where complete compaction occurs. SSiC has a very uniform microstructure with small crystallite sizes. It has strengths up to 500 MPa, which are preserved up to 1400 ° C.
6. Heißgepresstes Siliciumcarbid (HPSiC) 6. Hot pressed silicon carbide (HPSiC)
Heißisostatisch gepresstes Siliciumcarbid (HiPSiC)Hot isostatically pressed silicon carbide (HiPSiC)
Auch hier werden feinste sinteraktive Pulver und B + C als Sinterhilfsmittel, allerdings nur ca. 1% d. h. weniger als bei der Herstellung von SSiC verwendet. Die Formkörper werden unter uniaxialem Druck (HPSiC) oder isostatischem Druck (HiPSiC) von ca. 40 MPa verdichtet. Die Porosität beträgt unter 2%, das Gefüge ist sehr gleichmäßig mit kleinsten Kristalliten. Hieraus resultieren beste mechanische Eigenschaften mit Festigkeiten von ca. 550 MPa, die bei 1400°C nur wenig niedriger liegen.Again, the finest sinter-active powders and B + C as a sintering aid, but only about 1% d. H. less than used in the production of SSiC. The moldings are compacted under uniaxial pressure (HPSiC) or isostatic pressure (HiPSiC) of about 40 MPa. The porosity is less than 2%, the structure is very even with the smallest crystallites. This results in best mechanical properties with strengths of about 550 MPa, which are only slightly lower at 1400 ° C.
Die mechanischen Eigenschaften verschiedenster Siliciumcarbidkeramiken bei 20 und 1400°C sind in Tab. 3.4. dargestellt. Tab. 3.4. Dichte und mechanische Eigenschaften von Siliciumcarbidkeramiken
1) Reaktionsgebundenes Siliciumnitrid (RBSN)1) Reaction-bound silicon nitride (RBSN)
Siliciumpulver wird plastifiziert. Nach der Formgebung wird unter Stickstoffatmosphäre auf ca. 1200°C erhitzt (d. h. man befindet sich unter dem Schmelzpunkt von elementarem Silicium). Hierbei reagiert das Silicium an der Oberfläche zu Siliciumnitrid. Wenn einige Zeit nitridiert wurde, wächst die Si3N4-Schicht nur noch langsam. Dann wird die Temperatur (auch über den Schmelzpunkt von Silicium hinaus) erhöht. Die Porosität beträgt ca. 15–20%. Der teilnitridierte Formkörper ist maschinell gut bearbeitbar. RBSN zeigt gute Hochtemperatureigenschaften (keine oxidischen Phasen).Silicon powder is plasticized. After shaping, the mixture is heated to about 1200 ° C. under a nitrogen atmosphere (ie, below the melting point of elemental silicon). Here, the silicon reacts on the surface to silicon nitride. If nitridation has occurred for some time, the Si 3 N 4 layer only grows slowly. Then the temperature is raised (also beyond the melting point of silicon). The porosity is about 15-20%. The partially nitrided molded body is easily machinable. RBSN shows good high temperature properties (no oxide phases).
2) Drucklos gesintertes Siliciumnitrid (SSN)2) Pressure-sintered silicon nitride (SSN)
Feines sinteraktives Siliciumnitridpulver wird mit einem hohen Anteil an Sinterhilfsmitteln (~ 10%) Y2O3 und/oder MgO vermischt. Nach der Formgebung erfolgt die Sinterung bei ca. 1800°C in einer Pulverschüttung aus Si3N4. SSN weist hohe Festigkeiten (ca. 650 MPa), die allerdings oberhalb von 1000°C rasch abnehmen.Fine sintered silicon nitride powder is mixed with a high proportion of sintering aids (~ 10%) Y 2 O 3 and / or MgO. After shaping, the sintering takes place at about 1800 ° C. in a powder bed of Si 3 N 4 . SSN has high strengths (about 650 MPa), which, however, rapidly decrease above 1000 ° C.
3) Heißgepresstes Siliciumnitrid (HPSN)3) Hot-pressed silicon nitride (HPSN)
Heißisostatischgepresstes Siliciumnitrid (HiPSN)Hot isostatically pressed silicon nitride (HiPSN)
Herstellung ähnlich SSN, jedoch mit weniger Sinterhilfsmittel (~5%). Die Sinterung findet unter Druck statt. Das Gefüge ist noch fein körniger als bei SSN, die mechanischen Eigenschaften noch besser (Festigkeit ca. 600 MPa).Production similar to SSN but with less sintering aid (~ 5%). The sintering takes place under pressure. The microstructure is finer grainy than SSN, the mechanical properties even better (strength about 600 MPa).
Abb. 3.34. Biegefestigkeiten einiger Siliciunitridkeramiken als Funktion der Temperatur.Fig. 3.34. Bending strengths of some silicon nitride ceramics as a function of temperature.
Ähnlich wie bei Siliciumcarbid sind auch zur Herstellung von Siliciumnitrid zahlreiche Polymerrouten entwickelt worden mit denen sich Pulver höherer Sinteraktivität herstellen lassen.Similar to silicon carbide, numerous polymer routes have been developed for the production of silicon nitride, which can be used to produce powders of higher sintering activity.
Das gebildete kettenförmige Polysilazan kann weitervernetzen. Bei Erhitzen unter NH3 wird es in nanokristallines Si3N4 umgewandelt. The formed chain polysilazane can further crosslink. Upon heating under NH 3 , it is converted into nanocrystalline Si 3 N 4 .
Im Prinzip können folgende Verstärkungselemente verwendet werden
- – Partikel (Partikelverstärkung)
- – Faserverstärkung Langfasern: SiC, Kohle oder Al2O3. Kurzfasern
- – Whisker (kleine nadelförmige Einkristalle): vor allem SiC. Problem: Whisker sind lungengängig und nicht abbaubar daher: krebserregend.
- – Platelets (kleine plättchenförmige Einkristalle): SiC, Al2O3.
- – Einlagerung von Metallteilchen.
- - Particles (particle reinforcement)
- - Fiber reinforcement Long fibers: SiC, coal or Al 2 O 3 . short fibers
- - Whiskers (small needle-shaped single crystals): mainly SiC. Problem: Whiskers are respirable and non-degradable therefore: carcinogenic.
- - Platelets (small platelet-shaped single crystals): SiC, Al 2 O 3 .
- - Storage of metal particles.
Die Wirkung von Verstärkungselementen ist im Idealfall folgende:
- – Rissablenkung
- – Rissverzweigung
- – „Fibre Pull-out”
- - Crack deflection
- - Crack branch
- - "Fiber pull-out"
Abb. 3.35. zeigt schematisch die drei Effekte.Fig. 3.35. shows schematically the three effects.
Dieses ändert sich erst mit der Verwendung von Mikrometer Drähten.This only changes with the use of micrometer wires.
Der E-Modul ist ein Maß für den Widerstand eines Materials gegenüber elastischer Verformung. Werkstoffe mit kleinem E-Modul haben eine geringe Steifigkeit; wenn sie belastet werden, geben sie stark nach (Federn, Polstermaterial, Stabhochsprungstab). Atome innerhalb des Moleküls, d. h. ein elastisches Hin- und Herschwingen der Atome gegeneinander, entsprechend einer fortlaufenden Speicherung von kinetischer und potentieller Energie.The modulus of elasticity is a measure of the resistance of a material to elastic deformation. Low modulus materials have low stiffness; when weighted, they give way severely (feathers, upholstery material, pole vault bar). Atoms within the molecule, d. H. an elastic oscillation of the atoms against each other, corresponding to a continuous storage of kinetic and potential energy.
Keramische Werkstoffe haben einen sehr hohen E-Modul, bei Belastung zeigen sie nur sehr geringe elastische Verformung. Erst im Verbundwerkstoff von PA Fasern mit Keramik Partikeln, in Pulvergemisch entsteht ein Werkstoff. welcher sowohl Festigkeits- und Zug- und Druckfähigkeitsmerkmale besitzt, welche wiederum den Anforderungen eines Heizdrahtes mit Hochtemperatur Komponente entspricht.Ceramic materials have a very high modulus of elasticity, but under load they show very little elastic deformation. Only in the composite material of PA fibers with ceramic particles, in powder mixture is a material produced. which has both strength and tensile and compressive properties, which in turn meets the requirements of a heating wire with high temperature component.
Dieses bedeutet das die Langlebigkeit des Mikrometer Drahtes als Kühlelement, ohne Histerese und molekularen Zersetzungen ermöglicht. Das bedeutet, dass die schnellere Bewegung der Gasmoleküle, welche die Erwärmung von einem Kilomol eines Gases um 1 K bei konstantem Volumen erfordert, eine Energiezufuhr von 0,993 kcal pro angeregtem Freiheitsgrad bedingt.This means that the longevity of the micrometer wire as a cooling element, without histeresis and molecular decompositions possible. This means that the faster movement of the gas molecules, which requires the heating of one kilomole of a gas by 1 K at constant volume, requires an energy input of 0.993 kcal per excited degree of freedom.
Für poröse (feuerfeste) Werkstoffe gelten folgende wesentliche Aussagen:
- – Der innere Strahlungstransportanteil nimmt mit steigender Temperatur wesentlich schneller zu als der Leitungsanteil. Bei hohen Temperaturen findet der Wärmetransport weitgehend durch innere Wärmestrahlung statt.
- – Der Leitungsanteil wird bei konstanter Temperatur mit steigender Gesamtporosität geringer.
- – Der Strahlungsanteil wird bei gleicher Temperatur mit kleinerem mittlerem Porendurchmesser geringer. Er wird wesentlich von der Porengrößenverteilung beeinflusst.
- – Bei gleicher Ausgangsporosität wird ein feuerfester Werkstoff mit kleinerem mittlerem Porendurchmesser einen geringeren Anstieg der effektiven Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur zeigen.
- – Bei Anisometrien bzw. Texturen, besonders bei der Porenvolumenstruktur, kann die effektive Wärmeleitfähigkeit richtungsabhängig sein.
- - The internal radiation transport component increases with increasing temperature much faster than the line share. At high temperatures, the heat transfer takes place largely by internal heat radiation.
- - The proportion of pipe decreases at constant temperature with increasing overall porosity.
- - The radiation fraction is lower at the same temperature with a smaller average pore diameter. It is significantly influenced by the pore size distribution.
- - For the same initial porosity, a refractory with a smaller average pore diameter will exhibit a smaller increase in effective thermal conductivity as a function of temperature.
- - For anisometries or textures, especially in the pore volume structure, the effective thermal conductivity may be directional.
Fasst man alle dargestellten Aussagen zusammen, so kann man die Anforderungen an einen feuerfesten Werkstoff mit minimaler bzw. maximaler Wärmeleitfähigkeit formulieren. Ein Wärmedämmstoff mit optimalen Eigenschaften wird durch folgende Maßnahmen erhalten:
- – Die Porosität ist auf die Einsatztemperatur bzw. das zu dämmende Temperaturgefälle abzustimmen. Die für die minimale Wärmeleitfähigkeit erforderliche Porosität sinkt mit steigender Einsatztemperatur.
- – Die Poren sollen möglichst klein sein.
- – Das Feststoffgerüst soll aus locker gepackten Kristallstrukturen aus Atomen mit hoher relativer Atommasse aufgebaut sein, komplizierte Verbindungen enthalten, feinkristallin sein, eine hohe Fehlstellendichte, großen Brechungsindex und geringe Transparenz aufweisen.
- – Risse und Grobporen, die einen konvektiven Wärmetransport ermöglichen, sind zu vermeiden.
- – Den Wärmedämmstoffen können Stoffe zugesetzt werden, die den Strahlungstransport behindern. Diese Maßnahme hat erfahrungsgemäß nur bis zu Temperaturen von unter 1000°C einen Effekt.
- - The porosity must be adjusted to the operating temperature or the temperature gradient to be insulated. The porosity required for the minimum thermal conductivity decreases with increasing service temperature.
- - The pores should be as small as possible.
- The solid skeleton should be composed of loosely packed crystal structures of atoms with a high relative atomic mass, contain complicated compounds, be finely crystalline, have a high defect density, high refractive index and low transparency.
- - Cracks and coarse pores that allow convective heat transport should be avoided.
- - Substances that hinder the transport of radiation can be added to the thermal insulation materials. This measure has experience, only up to temperatures of less than 1000 ° C an effect.
Ein feuerfester Werkstoff mit maximaler Wärmeleitfähigkeit wird durch folgende Maßnahmen erreicht:
- – Der feuerfeste Werkstoff soll weitgehend porenfrei sein.
- – Die Feststoffphase soll aus einer dichtgepackten Kristallstruktur aus Atomen mit einer geringen relativen Atommasse aufgebaut sein, aus möglichst großen Kristallen mit einer hohen Ordnung im Gitter, ohne Mikrorisse oder amorphe Anteile bestehen, möglichst einphasig sein und eine hohe Transparenz besitzen.
- – Der Zusatz von Graphit oder SiC erhöht die Wärmeleitfähigkeit üblicher feuerfester Verbund-keramiken.
- - The refractory material should be largely free of pores.
- The solid phase should be composed of a densely packed crystal structure of atoms with a low relative atomic mass, consisting of crystals as large as possible with a high order in the lattice, without microcracks or amorphous fractions, be as single phase as possible and have high transparency.
- - The addition of graphite or SiC increases the thermal conductivity of conventional refractory composite ceramics.
Durch den Zusatz von PA oder PET Anteilen wird die Elastizität und Bruchausdehnung der Mikrometer Faser wesentlich erhöht.The addition of PA or PET fractions substantially increases the elasticity and elongation of the micrometer fiber.
Folgende Schritte bei der Herstellung der Fasern sind zweckmäßig:
- A. PET wird mit Metallstrukturen FeMnCu substituiert, zusammen mit CaO Nanopartikeln.
- B. Durch Reibungen bei Nano-Draht Spinning werden die einzelnen überschüssigen Anteile an Partikeln entfernt.
- C. Die einzelne Faser wird immer homogener in der äußeren Struktur.
- D. Die einzelnen Metallpartikel zeigen bereits unter Einfluss des Elektronen Raster Mikroskopes, magnetisches Verhalten, indem die Metallpartikel Ladungswolken ausbilden (dicke Körner), über diese Ladungswolken/Elektronen-Wolken wird der Strom geleitet, und durchfliest den gesamte Faser sowohl in Längs- als auch in Querachse.
- A. PET is substituted with metal structures FeMnCu, together with CaO nanoparticles.
- B. Friction in nano-wire spinning eliminates any excess particulate matter.
- C. The single fiber becomes more and more homogeneous in the outer structure.
- D. The individual metal particles already show under the influence of the electron microscope grid, magnetic behavior in that the metal particles form charge clouds (thick grains), over these charge clouds / electron clouds, the current is passed, and traverses the entire fiber in both longitudinal and in transverse axis.
Die keramischen Partikel gemäß
Die Wärmeerzeugung in einem elektrischen Bauteil und die Wärmeableitung in die Umgebung bilden einen Wärmestromkreis.The heat generation in an electrical component and the heat dissipation into the environment form a heat flow circuit.
Der Wärmefluss vom Bauteilinneren zur Umgebung erfolgt in der Regel durch unterschiedliche Materialien (Halbleiter, Metall usw.) hindurch, über deren Berührungsflächen hinweg und mittels unterschiedlicher Mechanismen. Der Gesamt-Wärmewiderstand ergibt sich daher immer aus dem Zusammenwirken mehrerer Teilwiderstände.Heat flow from the component interior to the environment is typically through different materials (semiconductors, metal, etc.), across their interfaces, and through different mechanisms. The total thermal resistance therefore always results from the interaction of several partial resistors.
Die Wärmeleistung Pth wird in der Sperrschicht des Bauteils (Index j) freigesetzt und von dort über den restlichen Halbleiterkristall (Index Si), das Gehäuse (Index G) und den Kühlkörper (Index K) an die Umgebung (Index U) abgeleitet.The heat output P th is released in the barrier layer of the component (index j) and from there via the remaining semiconductor crystal (index Si), the housing (index G) and the heat sink (index K) to the environment (index U) derived.
Zur Vereinfachung sind die über das gesamte Volumen eines Teiles verteilten Wärmekapazitäten jeweils zu einer Gesamtkapazität zusammengefasst. Jedem Einzelteil ist außerdem eine einheitliche mittlere Temperatur zugeordnet. Auch die über das Volumen verteilten Wärmewiderstände sind zu diskreten Einzelwiderständen konzentriert.To simplify matters, the heat capacities distributed over the entire volume of a part are combined to form a total capacity. Each item is also assigned a uniform average temperature. The distributed over the volume thermal resistances are concentrated to discrete individual resistances.
Vorstehend waren als Beispiel für polymere Materialien überwiegend synthetische Kunststoffe erwähnt worden. Alternativ oder ergänzend können aber auch biologische Naturprodukte als Basis für die Polymere zur Verwendung kommen. Ein Beispiel für einen derartigen Grundstoff ist Soja.In the above, as an example of polymeric materials, synthetic synthetic materials have been mainly mentioned. Alternatively or additionally, however, biological natural products can also be used as the basis for the polymers. An example of such a raw material is soy.
Claims (15)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015015240.8A DE102015015240A1 (en) | 2015-11-20 | 2015-11-20 | Device for cooling |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015015240.8A DE102015015240A1 (en) | 2015-11-20 | 2015-11-20 | Device for cooling |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102015015240A1 true DE102015015240A1 (en) | 2017-05-24 |
Family
ID=58693538
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102015015240.8A Withdrawn DE102015015240A1 (en) | 2015-11-20 | 2015-11-20 | Device for cooling |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102015015240A1 (en) |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2251071A1 (en) * | 1971-10-18 | 1973-04-26 | Ici Ltd | CONDUCTIVE TEXTILE MATERIALS |
JPH03241010A (en) * | 1990-02-19 | 1991-10-28 | Kanebo Ltd | Electrically conductive conjugate fiber |
DE69604720T2 (en) * | 1995-03-27 | 2000-02-10 | Kuraray Co., Ltd | Fiber product containing pyroelectric active ingredient |
DE102007009118A1 (en) * | 2007-02-24 | 2008-08-28 | Teijin Monofilament Germany Gmbh | Electrically conductive threads, fabrics produced therefrom and their use |
WO2010108883A2 (en) * | 2009-03-24 | 2010-09-30 | Basf Se | Printing method for producing thermomagnetic form bodies for heat exchangers |
CN103422014A (en) * | 2012-05-22 | 2013-12-04 | 中国科学院物理研究所 | Thermoplastic molding adhesion magnetic refrigerant materials, preparation method and applications |
DE102014004592A1 (en) * | 2014-03-26 | 2015-10-01 | Feegoo Lizenz Gmbh | Fiber made of plastic with electrical conductivity |
WO2015144124A2 (en) * | 2014-03-26 | 2015-10-01 | Feegoo Lizenz Gmbh | Inosle for footwear |
-
2015
- 2015-11-20 DE DE102015015240.8A patent/DE102015015240A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2251071A1 (en) * | 1971-10-18 | 1973-04-26 | Ici Ltd | CONDUCTIVE TEXTILE MATERIALS |
JPH03241010A (en) * | 1990-02-19 | 1991-10-28 | Kanebo Ltd | Electrically conductive conjugate fiber |
DE69604720T2 (en) * | 1995-03-27 | 2000-02-10 | Kuraray Co., Ltd | Fiber product containing pyroelectric active ingredient |
DE102007009118A1 (en) * | 2007-02-24 | 2008-08-28 | Teijin Monofilament Germany Gmbh | Electrically conductive threads, fabrics produced therefrom and their use |
WO2010108883A2 (en) * | 2009-03-24 | 2010-09-30 | Basf Se | Printing method for producing thermomagnetic form bodies for heat exchangers |
CN103422014A (en) * | 2012-05-22 | 2013-12-04 | 中国科学院物理研究所 | Thermoplastic molding adhesion magnetic refrigerant materials, preparation method and applications |
DE102014004592A1 (en) * | 2014-03-26 | 2015-10-01 | Feegoo Lizenz Gmbh | Fiber made of plastic with electrical conductivity |
WO2015144124A2 (en) * | 2014-03-26 | 2015-10-01 | Feegoo Lizenz Gmbh | Inosle for footwear |
WO2015144121A2 (en) * | 2014-03-26 | 2015-10-01 | Feegoo Lizenz Gmbh | Plastic fibre with electrical conductivity |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Chin. Phys. B Vol. 22, No. 3 (2013) 037506; DOI: 10.1088/1674-1056/22/3/037506 * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2113495B1 (en) | Ceramic material, method for producing the same and building component containing the ceramic material | |
Ito et al. | Synthesis of Na x Co2O4 thermoelectric oxide with crystallographic anisotropy by chemical solution process | |
WO2011000676A1 (en) | Method for producing thermoelectric layers | |
DE102010009461A1 (en) | Lead-free, multi-phase ceramic material with texturing, method of making the material and use of the material | |
Kong et al. | Preparation of PMN–PT ceramics via a high-energy ball milling process | |
EP2200951A2 (en) | Ceramic material, method for producing the same, and electro-ceramic component comprising the ceramic material | |
DE102014211465A1 (en) | Lead-free piezoceramic material based on bismuth sodium titanate (BNT) | |
DE102010041567A1 (en) | Lead-free, textured piezoceramic material with main and minor phase and anisometric nuclei, method for producing a piezoceramic component with the material and use thereof | |
DE102015015240A1 (en) | Device for cooling | |
DE102015015255A1 (en) | Fiber with electrical conductivity | |
DE102015015254A1 (en) | Device for cooling | |
DE102015015252A1 (en) | Device for generating heat radiation | |
DE102015015256A1 (en) | Device for producing fibers with electrical conductivity | |
EP3489969A1 (en) | Fibre made of plastic with electrical conductivity | |
DE102007028094B4 (en) | Lead zirconate titanate ceramic with texturing, method for making the ceramic and a piezoceramic component and its use | |
DE69600811T2 (en) | Manganese oxide-based single crystal with a laminar structure and process for its manufacture. | |
Rawat et al. | Dielectric, enhanced magnetic and magnetodielectric properties of hot pressed (BNBT-BFO)/PVDF composite films | |
US8617456B1 (en) | Bulk low-cost interface-defined laminated materials and their method of fabrication | |
EP3123817B1 (en) | Method of producing an infrared radiation | |
DE69506998T2 (en) | Limitless crystalline manganese-based oxide body and process for its production | |
DE102018117553B4 (en) | Alloy, sintered article, thermoelectric module and method for producing a sintered article | |
Gunti et al. | Enhanced dielectric constant of PVDF-HFP/BFO composite films for ferroelectric applications | |
Anuar et al. | Effect of different weight fraction on dielectric properties of barium ferrite-barium titanate composites | |
Mohan et al. | Nanostructural Studies on Lead Magnesium Niobate and Lead Iron Niobate by TEM | |
Kabirov et al. | Negative magnetoresistance of (1–x) La 0.7 Sr 0.3 MnO 3/x (GeO 2, Li 4 P 2 O 7) composite ceramics |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |