DE19805650A1 - Verbindungsverfahren unter Verwendung eines PTC-Polymers - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren im Bereich der Verbin­ dungstechnik. In der Verbindungstechnik werden zwei oder mehr Teile mecha­ nisch fest miteinander verbunden, so daß die Verbindung zwischen ihnen zumin­ dest nicht mehr leicht und unbeabsichtigt zu lösen ist.

Bekannt ist da bei natürlich die Verwendung von Verbindungselementen mit einer bestimmten körperlichen Ausgestaltung, z. B. Schrauben, Nägel, Nieten und Klammern. Bekannt sind ferner viele Verfahren der Schweißtechnik (z. B. Laser­ schweißen), bei denen die Verbindung ohne Verwendung eines zusätzlichen Verbindungsmaterials, also aus dem Material der zu verbindenden Teile selbst hergestellt wird. Im Bereich der Kunststofftechnik sind dies z. B. das Ultra­ schall- und Vibrationsschweißen.

Diese Erfindung bezieht sich jedoch auf ein Verbindungsverfahren, bei dem ein zusätzliches Verbindungsmaterial verwendet wird (das in seiner Zusammenset­ zung jedoch nicht unbedingt von den Materialien der zu verbindenden Teile ab­ weichen muß). Im Bereich der Metallverarbeitung sind dazu die Löttechniken und die Schweißtechniken, die einen zusätzlichen Schweißdraht verwenden, anzufüh­ ren. Weiterhin gehören in diesen Bereich alle Klebetechniken.

Im Bereich der Kunststofftechnik sind ferner Kunststoffschweißverfahren bekannt, bei denen durch in der Verbindung eingebettete und dort letztlich verbleibende Heizelemente aus Metall oder Kohlenstoffasern die zu verbindenden Teile zu min­ dest in der Umgebung einer Verbindungsfläche aufgeschmolzen und miteinander verschmolzen werden:
"A Review of Methods for Fusion Bonding Thermoplastic Composites",
"A. Benatar, T. G. Gutowski, SAMPE Journal, Januar/Februar 1987, S. 33 ff;
"Thermoplastic Aromatic Polymer Composites", F. N. Cogswell, Butterworth-Heine­ mann Ltd. 1992, Kap. 5.3.4;
"Resistance Welding of Graphite Polyetheretherketone Composites: An Experi­ mental Investigation" E. C. Eveno, J. W. Gillespie, jr., Journal of Thermoplastic Composite Materials, Bd. 1, 1988, S. 322 ff;
"Joining Thermoplastic Composites", D. M. Maguire, SAMPE Journal, Bd. 25, Nr. 1, Januar/Februar 1989, S. 11 ff.

Da bei diesen Techniken das eingebettete Heizelement die Verbindung zwar her­ zustellen hilft, in ihrer Dauerhaftigkeit aber eher einschränkt als fördert, kann von einem zusätzlichen Verbindungsmaterial im Grunde keine Rede sein. Jedoch sind in den zitierten Quellen auch zusätzliche Filme aus isolierendem Polymermaterial erwähnt, die durch thermische (A. Benatar, T. G. Gutowski) bzw. elektrische (F. N. Cogswell) Isolation einer Verbesserung der Verteilung der Wärme des Heizers in der Verbindungsfläche bewirken sollen.

In den genannten Quellen ist als wesentliche Schwierigkeit der dort dargestellten Schweißtechniken die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung entlang der Verbindungsfläche genannt. Insbesondere sollen die erwähnten Isolationsschich­ ten eine zu große Wärme- oder Stromeinkopplung aus dem Heizer in die zu ver­ bindenden Teile am äußeren Rand der Verbindungsfläche verhindern. Trotzdem können erhebliche Ungleichmäßigkeiten nicht vermieden werden.

Zum Stand der Technik ist ferner zu sagen, daß strombegrenzende Elemente aus Polymermaterialien bekannt sind, die einen PTC-Effekt (größeren positiven Tem­ peraturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes) zeigen:
"Polymer Composite Thermistors for Temperature and Current Sensors", R. Strümpler, J. Appl. Phys. 80 (11), Dezember 1996, S. 6091 ff;
"Polyethylene Current Limiters for Short-Circuit Protection", T. Hansson, ABB Review 4/92;
"PolySwitch PTC Devices - A New Low-Resistance Conductive Polymer-Based PTC-Device for Overcurrent Protection", F. A. Doljack, IEEE Transactions on Components, Hybrids and Manufacturing Technology, Band CHMT-4, Nr. 4, De­ zember 1981, S. 372 ff;
US-P 5,313,184.

Elemente mit PTC-Polymeren sind auch als Teil selbstregulierender Heizer für Zweiradhandgriffe, Autobatterien, Leitungen und Tanks, Antennen, elektrische Bauteile usw. bekannt. Dabei bildet eine PTC-Polymerschicht ein Heizelement mit Metallelektroden zur Stromzuführung:
US-P4,761, 541.

Die Erfindung richtet sich auf Verbindungsverfahren unter Verwendung eines Verbindungsmaterials zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen zwei Teilen. Sie geht dabei aus von einem bekannten Verfahren zum Verbinden zu­ mindest zweier Teile durch ein Verbindungsmaterial, wobei das Verbindungsma­ terial ein Polymermaterial enthält und die Verbindung durch Einwirkung Joule­ scher Verlustwärme elektrischer Ströme in dem Verbindungsmaterial hergestellt wird.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem ist, ein neues und ver­ bessertes Verbindungsverfahren anzugeben.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Polymermaterial ein PTC-Polymermaterial ist und daß die elektrischen Ströme die Joulesche Ver­ lustwärme durch den durch den PTC-Effekt erzeugten Widerstand in dem PTC-Polymermaterial erzeugen.

Die Erfindung beruht auf dem Gedankengang, daß bei vielen Verbindungstechni­ ken die Verbindung durch Wärmeeinwirkung hergestellt wird. In vielen Fällen und aus verschiedenen Gründen ist die Erzeugung dieser Wärme durch elektrische Ströme in dem Verbindungsmaterial vorteilhaft. Solche Gründe können sein, daß die zu verbindenden Teile jedenfalls in ihrer Gänze thermisch nicht belastet wer­ den sollen, daß die Verbindung möglichst schnell und gezielt hergestellt werden soll, daß die Verbindungsfläche zwischen den beiden zu verbindenden Teilen für eine äußere Wärmeeinkopplung schwer zugänglich ist oder andere.

Die Joulesche Wärme der elektrischen Ströme kann dabei verschiedene Prozes­ se hervorrufen oder fördern, die die Verbindung herstellen. Dies kann ein Auf­ schmelzen eines Materials sein entsprechend einem Schweiß- oder Lötverfahren, die Verstärkung einer Interdiffusion, die Aktivierung einer chemischen Reaktion, die Verbesserung einer Adhäsionswirkung usw. In jedem Fall ist es wichtig, daß die Wärme möglichst gleichmäßig verteilt ist.

Anstatt wie im Stand der Technik die Wärmeverteilung durch Isolatorschichten zu verbessern, geht die Erfindung davon aus, daß die Wärmeerzeugung selbst mög­ lichst gleichmäßig erfolgen soll. Dazu enthält das Verbindungsmaterial ein PTC-Polymer, dessen PTC-Effekt den für den wesentlichen Teil der verwendeten Jouleschen Verlustwärme verantwortlichen elektrischen Widerstand erzeugt. Der Begriff PTC-Polymer bezeichnet dabei elektrisch leitfähige Polymere, die in der Umgebung einer Übergangstemperatur von einem gut leitfähigen Zustand in ei­ nen weniger gut leitenden oder isolierenden Zustand schalten. Bei halbkristallinen Polymeren liegt diese Übergangstemperatur in der Nähe der Schmelztemperatur.

Eine Abgrenzung kann erfolgen durch einen Widerstandsanstieg in einem Tem­ peraturintervall von 14 K um mindestens den Faktor 2,5 oder in einem Tempera­ turintervall von 30 K um den Faktor 6 oder in einem Temperaturintervall von 100 K um den Faktor 10. (Die Erfüllung eines Kriteriums definiert das Material dabei als PTC-Polymer). Bevorzugt ist eine Abgrenzung mit einem Anstieg des Wider­ standes in dem Temperaturintervall von 14 K um den Faktor 5 oder in dem Tem­ peraturintervall von 30 K um den Faktor 20 oder in dem Temperaturintervall von 100 K um den Faktor 100.

Besonders bevorzugt ist eine Abgrenzung mit dem Faktor 7,5 in dem Intervall von 14 K, dem Faktor 100 in dem Intervall von 30 K oder dem Faktor 1000 in dem Intervall von 100 K.

Solche PTC-Polymermaterialien können aus einer Polymermatrix mit einem darin verteilten und die elektrische Leitfähigkeit fördernden Füllmaterial bestehen, wie im zitierten Stand der Technik näher dargestellt. Das Füllmaterial können Metall­ partikel, Carbide, Boride, Nitride, Kohlekurzfasern, leitfähige Polymerpartikel oder auch Ruß sein.

Wenn bei der Herstellung der Verbindung die elektrischen Ströme durch das PTC-Polymermaterial fließen und der PTC-Effekt bei zunehmender Erwärmung für den wesentlichen Teil des Spannungsabfalls und damit dem wesentlichen Teil der Jouleschen Verlustwärme verantwortlich ist, so ergibt sich selbsttätig eine gleichmäßige Wärmeerzeugung. (Wesentlicher Teil soll hier bedeuten zumindest 50 bevorzugterweise 80, 90 oder 95 des gesamten Spannungsabfalls in dem Verbindungsmaterial.) Der starke Widerstandsanstieg im Temperaturbereich des PTC-Effekts sorgt dabei für eine Verteilung der elektrischen Ströme auf die ge­ ringfügig kälteren Teile des PTC-Polymermaterials und ihre Begrenzung in Berei­ chen über einer bestimmten Temperatur.

Damit können Überhitzungen des Verbindungsmaterials oder der zu verbinden­ den Teile leicht vermieden werden. Durch geeignete Wahl des PTC-Tem­ peraturbereichs kann dabei eine für den speziellen Verwendungsprozeß ausreichende und für alle beteiligten Materialien verträgliche Temperatur gewählt und eingestellt werden.

Der starke Widerstandsanstieg in diesem Temperaturbereich sorgt bei geeigneter äußerer Verschaltung zur Zuführung der elektrischen Ströme für eine selbsttätige Einstellung der Gesamtleistungszufuhr auf diesen Temperaturbereich. Anderer­ seits können PTC-Polymermaterialien aus einer sehr großen Auswahl von Poly­ meren für die Polymermatrix hergestellt werden, so daß das Verbindungsmaterial nicht nur hinsichtlich des PTC-Temperaturbereichs sondern auch unter Berück­ sichtigung anderer physikalischer oder chemischer Gesichtspunkte auf den An­ wendungsfall hin optimiert werden kann.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die elektrischen Ströme durch Anlegen einer Spannung an das Verbindungsmaterial durch An­ schluß an einen äußeren elektrischen Stromkreislauf erzeugt. So können in ein­ facher Weise Ströme in praktisch beliebiger Größenordnung erzeugt werden. Ins­ besondere entfallen die bei im Rahmen der Erfindung auch denkbaren induktiven Einkopplungsmethoden vorhandenen geometrischen Einschränkungen.

Zur Zuführung des Stroms bzw. zum Anlegen der Spannung werden vorteilhaf­ terweise Kontaktflächen verwendet, die vergleichsweise dünne PTC-Polymerma­ terialbereiche zwischen sich einschließen, d. h. der Strom sollte durch relativ kur­ ze Strecken in dem PTC-Polymermaterial fließen. Dies hat den Grund, daß sich bei längeren Strompfaden durch das PTC-Polymermaterial quer zur Stromrich­ tung verlaufende Ebenen höherer Temperatur bilden können, in denen durch den PTC-Effekt der wesentliche Widerstandsabfall auftritt. Dabei existieren also aus­ geprägte Gradienten der Temperatur und des spezifischen Widerstandes in der Stromrichtung, wobei die Temperatur und der spezifische Widerstand quer zur Stromrichtung zweidimensional relativ homogen sind. Je nach Schärfe des PTC-Effekts, d. h. der Größe der Ableitung des Widerstandes nach der Temperatur, und der thermischen Leitfähigkeit des Materials bilden sich entsprechende Schichtdicken der "PTC-Ebene" aus. Diese Schichtdicken sind technisch relevant und sollten möglichst nicht geringer sein als die oben genannten dünnen PTC-Polymermaterialbereiche zwischen den Kontaktflächen.

Günstige Kontaktflächengeometrien ergeben sich z. B. aus kammartig verzahn­ ten Fingerstrukturen für die Stromzuleitungen in der Verbindungsebene oder durch auf und unter einer relativ dünnen Schicht des Verbindungsmaterials ver­ laufende flache (nicht unbedingt kontinuierliche) Kontaktflächen. Im letztgenann­ ten Fall können z. B. netzförmige oder fingerförmige Stromzuleitungen in den Kontaktflächen liegen. Es ist aber auch möglich, den Strom durch die zu verbin­ denden Teile selbst zuzuführen, wenn diese eine gewisse elektrische Leitfähig­ keit aufweisen, so daß die zu verbindenden Teile nicht zu stark erwärmt werden. Dies bietet sich natürlich vor allen Dingen bei Metallen an; gut leitfähige Kunst­ stoffe sind jedoch auch denkbar.

Neben Metallstrukturen können für die Stromzuleitungen auch Kohlenstoffasern verwendet werden. Diese sind gut mit vielen Polymermaterialien verträglich und können somit besonders gut in der Verbindungsfläche bzw. im Verbindungsmate­ rial nach Herstellen der Verbindung verbleiben. Neben der Funktion als Stromzu­ leitung - einseitig oder zweiseitig - können sich aus ihrer Verwendung auch me­ chanische Verstärkungseigenschaften ergeben. Im Gegensatz zum Stand der Technik sollen diese Kohlenstoffaserstrukturen jedoch nicht selbst als Heizele­ ment dienen, indem sie den Strom durch im wesentlichen isolierende Polymere hindurchführen. Insbesondere ergeben sich mit Kohlenstoffaserstrukturen gute Möglichkeiten, die Länge der Strompfade in dem Verbindungsmaterial zu verkür­ zen. Die Ströme können dabei durch die Vielzahl der Kohlenstoffasern sehr gut aufgeteilt und verteilt werden.

Wie oben bereits angedeutet, ist es im Rahmen der Erfindung aber auch denk­ bar, die elektrischen Ströme als Wirbelströme induktiv zu erzeugen. Dazu muß eine elektromagnetische Welle in das Verbindungsmaterial eingekoppelt werden, wie das vom konventionellen Induktionsschweißen von Kunststoffen bekannt ist.

Jedoch ergibt sich auch hier der bereits beschriebene wesentliche Effekt der Er­ findung. Wenn durch unterschiedlich starke Absorption oder aus anderen Grün­ den eine ungleichmäßige Erwärmung des Verbindungsmaterials stattfindet, so wird dies im Temperaturbereich des PTC-Effekts automatisch ausgeglichen, in­ dem in den etwas kälteren Bereichen größere Wirbelströme fließen können.

Gegenüber dem direkten Anschluß in einen Heizstromkreis hat das induktive Verfahren den Vorteil, daß keine Stromzuleitungen notwendig sind und sich ins­ besondere das Problem in der Verbindungsfläche oder zumindest an ihrem Rand nach dem Herstellen der Verbindung verbleibender Kontaktvorrichtungen oder Stromzuleitungen nicht stellt. Andererseits muß die Einkopplungsvorrichtung für die elektromagnetische Welle, z. B. eine Spule, geometrisch genau an die her­ zustellende Verbindung angepaßt sein, damit keine zu großen Leistungsverluste auftreten. Dies kann auch zu geometrischen Einschränkungen der zu verbinden­ den Teile führen. Von der apparativen Seite her ist das induktive Verfahren grundsätzlich aufwendiger als das zuvor beschriebene.

Die Erfindung ist im Prinzip für die verschiedensten Materialien zu verbindender Teile geeignet. Häufig wird es dabei jedoch nur zu einem Adhäsionseffekt ähnlich einer Klebstoffverbindung kommen, ob nun durch das geheizte PTC-Poly­ mermaterial oder durch in dem Verbindungsmaterial enthaltene zusätzliche Adhäsionsschichten vermittelt. Ein bevorzugter Anwendungsbereich liegt jedoch dort, wo zumindest eines der zu verbindenden Teile ebenfalls aus einem Poly­ mermaterial besteht. Dann vor allem kann es zu diesem Teil zu einer sehr viel festeren Verbindung ähnlich der konventionellen Kunststoffschweißtechnik kom­ men, die besonders stabil ist, wenn zumindest eines der Polymermaterialien bei der Herstellung der Verbindung (an-)schmilzt. Jedoch können auch durch eine gewisse Erweichung und verstärkte Interdiffusion an den Grenzschichten sehr stabile Verbindungen geschaffen werden. Erfahrungsgemäß sind die thermisch induzierten Verbindungen zwischen Polymermaterialien dann besonders gut, wenn sich die gegenüberstehenden Materialien möglichst weitgehend entspre­ chen. Dazu sollte das Polymermaterial des oder der zu verbindenden Teile mit dem Material der Polymermatrix des PTC-Polymermaterials identisch oder zu­ mindest nah verwandt sein.

Zugunsten auch bei etwas höherer Temperatur zuverlässiger Verbindungen zielt die Erfindung besonders auf Hochtemperatur-PTC-Polymermaterialien ab, die ihren PTC-Effekt und Schmelzpunkt oberhalb von 140°C, vorzugsweise oberhalb von 200°C haben. Dabei können in dem Verbindungsmaterial neben den elek­ trisch leitenden Füllmaterialien des PTC-Polymermaterials auch weitere Bestand­ teile zur mechanischen Stabilisierung vorhanden sein. Ein bevorzugtes Material ist z. B. ein Kompositmaterial aus Kohlenstoffasern und einem PEEK (Polyether­ etherketon) als Polymer (Schmelzpunkt bei 334°C), wobei als Füllstoffe z. B. TiC, TiB₂ oder TiN verwendet sein kann. Weitere bevorzugte Polymere sind PPS (Polyphenylensulfid, Schmelzpunkt 288°C) und s-PS (syndiotaktisches Polystyrol, Schmelzpunkt 263°C).

Es wurde bereits ausgeführt, daß wegen der Ausbildung von "PTC-Effekt-Ebe­ nen" quer zur Stromrichtung längere Strompfade durch das PTC-Poly­ mermaterial nachteilig sein können. Eine Alternative zur Ausbildung der be­ reits erwähnten flächig ausgedehnten oder kammartig ineinandergreifenden Stromzuleitungsstrukturen besteht darin, daß an einer Außenseite des Verbin­ dungsmaterials eine leitfähige Polymerkontaktschicht mit besserer elektrischer Leitfähigkeit als die des PTC-Polymermaterials im Volumen des Verbindungsma­ terials vorgesehen ist. Diese Kontaktschicht kann dann den von einer nur am Rand der Außenseite vorgesehenen metallischen oder Kohlenstoffstromzuleitung zugeführten Strom flächig verteilen, so daß sich im eigentlichen PTC-Poly­ mermaterial wiederum kurze Strompfade ergeben. Ein Beispiel für eine Ma­ terialkombination ist PEEK als Polymermatrix mit Ruß als leitendem Füllmaterial für das PTC-Polymermaterial sowie PEEK mit einem Metallpulver, z. B. Ni oder Ag als gut leitfähigem Füllmaterial für das Kontaktmaterial. Wesentlich ist dabei, daß das metallische Füllmaterial eine deutlich höhere Leitfähigkeit des Kontakt­ materials ergibt als die des Ruß-gefüllten PEEK im Verbindungsmaterialvolumen.

Entsprechendes gilt mit derselben Zielrichtung für die Leitfähigkeiten im Bereich des PTC-Effekts. Wenn nämlich für die Kontaktschicht ein leitfähiges Polymer verwendet wird, das entweder keinen, einen vergleichsweise schwächeren oder in der Temperatur höher liegenden PTC-Effekt im Vergleich zu dem PTC-Poly­ mermaterial im Verbindungsmaterialvolumen zeigt, ergibt sich letztlich die gleiche Wirkung wie bei der vorherigen Alternative, wenn der Widerstand im Ver­ bindungsmaterialvolumen wegen des PTC-Effekts ansteigt. Umgekehrt darf das Verhältnis der Leitfähigkeiten im obigen Beispiel natürlich nicht durch einen PTC-Effekt verkehrt werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele beschrie­ ben, die in den Figuren dargestellt sind. Dabei offenbarte Einzelmerkmale können auch einzeln oder in anderen als den dargestellten Kombinationen erfindungswe­ sentlich sein. Im einzelnen zeigt bzw. zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verbindungs­ verfahren in einer schematischen Ansicht;

Fig. 2 ein in dem Verfahren aus Fig. 1 verwendetes Verbindungsmaterial in schematischer Querschnittsansicht;

Fig. 3 und Fig. 4 schematische Draufsichten auf ein Verbindungsmaterial mit zwei Stromzuführungsstrukturen und einer PTC-Polymermaterialschicht nach ei­ nem zweiten Ausführungsbeispiel in getrenntem Zustand;

Fig. 4 die Elemente aus Fig. 3 in zusammengefügtem Zustand;

Fig. 5 eine alternative Stromzuführungsstruktur für das zweite Ausführungsbei­ spiel aus den Fig. 3 und 4;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer mit dem erfindungsgemäßen Verbin­ dungsverfahren hergestellten Bodenplatte nach dem zweiten Ausführungsbei­ spiel; sowie

Fig. 7 einen Ausschnitt aus einer Querschnittsdarstellung durch die Bodenplatte aus Fig. 6.

Fig. 1 zeigt ein einfaches schematisches Beispiel für das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren. Zwei zu verbindende Teile 1 und 2 aus PEEK werden, wie durch die Pfeile angedeutet, auf eine Verbindungsmaterialzwischenschicht 3 und gegeneinander gedrückt. Die Verbindungsmaterialzwischenschicht 3 wird anhand Fig. 2 weiter beschrieben. Sie ist über zwei elektrische Kontakte 4 und 5 in ei­ nen äußeren Stromkreis geschaltet und wird von einer Stromversorgung 6 unter Strom gesetzt.

Die Joulesche Verlustwärme erwärmt das Verbindungsmaterial 3 bis zum Tempe­ raturbereich seines PTC-Effekts und läßt es dort in der Verbindungsfläche (d. h. in der Figur vertikal und senkrecht zur Zeichenebene) aufschmelzen. Dadurch ergibt sich eine Schweißverbindung mit den ebenfalls aufschmelzenden äußer­ sten Randschichten der zu verbindenden Teile 1 und 2. Der leichte Druck auf den Teilen bleibt beim Abkühlen erhalten bis zu einer Temperatur, die soweit unter dem Schmelzpunkt von PEEK liegt, daß die Teile 1 und 2 stabil verbunden sind.

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau des Verbindungsmaterials 3. Es besteht aus zwei dünnen äußeren Kontaktschichten 7 und 8 aus Ag-gefülltem PEEK und einer PTC-Polymermaterialschicht 9 dazwischen aus Ruß-gefülltem PEEK.

Die Kontaktschichten 7 und 8 sind jeweils nur am Rand mit den Stromzufüh­ rungskontakten 4 und 5 für den äußeren Stromkreislauf verbunden. Wegen der Ag-Pulverfüllung haben sie jedoch schon bei Raumtemperatur einen wesentlich geringeren spezifischen Widerstand als das PTC-Polymermaterial 9. Daher wird die von dem äußeren Stromkreislauf zur Verfügung gestellte elektrische Span­ nung im wesentlichen planar an die großen Begrenzungsflächen der PTC-Polymermaterialschicht 9 angelegt und die Strompfade durch die PTC-Polymermaterialschicht 9 entsprechend den (in der Figur waagerechten) direkten Wegen zwischen diesen beiden großen Begrenzungsflächen.

Darüber hinaus ist Ag ein "weiches" Füllmaterial und zeigt daher praktisch keinen nennenswerten PTC-Effekt (vergl. R. Strümpler, aaO). Dementsprechend ver­ stärkt sich der Unterschied zwischen den spezifischen Widerständen der Schich­ ten 7 und 8 einerseits und 9 andererseits extrem, wenn die PTC-Poly­ mermaterialschicht 9 bei zunehmender Erwärmung in den Bereich des PTC-Effekts gelangt. Die Kontaktschichten 7 und 8 wirken dann praktisch als Kurz­ schluß der großen Oberflächen.

Da sie eine PEEK-Matrix aufweisen, stören diese Kontaktschichten 7 und 8 die Verschweißung der beiden zu verbindenden PEEK-Teile 1 und 2 in keiner Weise. Dadurch sind sie gegenüber alternativen Kontaktmöglichkeiten z. B. Metallnetzen oder Folien, Metallpasten oder leitfähigen Fremdpolymeren von deutlichem Vor­ teil, solange das Füllmaterial nicht stört und die Leitfähigkeit in Anbetracht der Abmessungen der Verbindungsfläche ausreicht.

Geeignete PTC-Materialien für die PTC-Polymermaterialschicht 9 finden sich in der verschiedentlich zitierten Veröffentlichung von R. Strümpler (aaO), deren Of­ fenbarung hier durch in Bezugnahme mit eingeschlossen ist.

Bei dem in den Fig. 3, 4, 6 und 7 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel werden demgegenüber netzförmige Kontaktstrukturen 10 und 11 verwendet, die in Fig. 3 zusammen mit einer dazwischenliegenden PTC-Polymermateriallage 12 dargestellt sind. Fig. 3 zeigt die Lagen im getrennten Zustand in schemati­ scher Draufsicht. Die netzförmigen Kontaktstrukturen 10 und 11 bestehen aus Kohlenstoffasern und weisen an einem Rand einen angelöteten Metallkontakt 13 bzw. 14 auf. Diese Anschlüsse 13 und 14 sind in Fig. 3 an den schmalen Seiten der rechteckigen Verbindungsfläche eingezeichnet, können jedoch nach prakti­ schen Erwägungen an eine beliebige Stelle des Randes des Rechtecks gelegt werden.

Die PTC-Polymermaterialschicht 12 besteht aus PEEK mit einer Rußfüllung. Ruß ist als Füllstoff hier vorteilhaft, weil es einen ausreichend hohen Widerstand hat, damit nicht die größten Verluste in den Kontakten auftreten.

In Fig. 4 ist die Struktur aus Fig. 3 in zusammengepreßtem Zustand zu sehen. Die Kohlenstoffaser-Kontaktstrukturen 10 und 11 werden einfach in die Polymer­ schicht 12 eingedrückt, wobei darauf zu achten ist, daß am Rand keine Kurz­ schlüsse entstehen. Die PTC-Polymermaterialschicht 12 sollte also etwas über­ stehen. Insgesamt zeigt Fig. 4 eine vorgefertigte Verbindungsmateriallage 15.

Fig. 5 zeigt eine alternative Stromzuführungsstruktur gegenüber der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Struktur. Dabei sind in einer Ebene zwei kammartige Lei­ terbahnen miteinander verzahnt angeordnet, so daß sich jeweils kurze Strecken zwischen den Leiterbahnen über eine größere rechteckige Fläche ergeben. Diese Struktur ist mechanisch weniger stabil als die aus den Fig. 3 und 4, hat je­ doch den Vorteil, daß sie nur auf einer Seite einer dünnen PTC-Poly­ mermaterialschicht aufgebracht werden muß. Sie könnte bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ebenfalls verwendet werden.

Die Verbindungsmateriallage 15 aus Fig. 4 wird für ein in den Fig. 6 und 7 dargestelltes Verbindungsproblem verwendet. Fig. 6 zeigt eine Bodenplatte aus faserverstärktem Kunststoff, die im Schnitt A-A in Fig. 7 dargestellt ist. Sie be­ steht aus einer kohlenstoffaserverstärkten Oberplatte 16 und einer ebensolchen Unterplatte 17, die durch Doppel-T-trägerartige Zwischenprofile 18 verbunden sind.

Solche Bodenplatten werden als vorgefertigte Standardbauteile im Industriebau, bei Flughäfen und in anderen Bereichen der Bauindustrie verwendet und haben erhebliche Längenabmessungen von mehreren Metern in der Länge und in der Breite. Bei ihrer Herstellung müssen die Doppel-T-Profile 18 an den Verbin­ dungsstellen 19 mit der Oberseite des oberen T-Querschenkels und an den Ver­ bindungsstellen 20 mit der Unterseite des unteren T-Querschenkels jeweils mit der Oberplatte 16 bzw. der Unterplatte 17 verbunden werden. Durch die große Länge der Verbindungsflächen 19 und 20 in Richtung der Doppel-T-Profile 18 ergeben sich dabei große Schwierigkeiten mit den konventionellen Verfahren.

Insbesondere sind die Bodenplatten so groß, daß Induktionsschweißverfahren sehr große Induktionsspulen und damit einen erheblichen Kostenaufwand not­ wendig machen. Konventionelle Kunststoffschweißverfahren mit Widerstandshei­ zung konnten keine über die gesamte Fläche der Verbindungsflächen 19 und 20 gleichmäßig zufriedenstellenden Verbindungen herstellen. Andere Techniken, etwa Ultraschall- oder Vibrationsschweißen scheiden ebenfalls aus Gründen der Größe der Strukturen aus.

Erfindungsgemäß werden nun an den Verbindungsflächen 19 und 20 die in der Fig. 4 (vergleichsweise etwas verkürzt) dargestellten rechteckigen Verbin­ dungsmaterialschichten 15 zwischengelegt und über die Anschlüsse 13 und 14 geheizt, die bei diesem Beispiel vorteilhafterweise an den kürzeren Seiten der Verbindungsflächen 19 und 20 angeordnet und damit gut zugänglich sind.

Im Bereich des PTC-Effekts, d. h. bei PEEK bei 334°C, schmilzt die PTC-Polymermaterialschicht 12 in der Verbindungsmaterialschicht 15 auf, wobei der unmittelbar angrenzende Bereich der Oberplatte 16 bzw. der Unterplatte 17 mit angeschmolzen wird. Dabei ergibt sich eine innige Schweißverbindung zwischen den Doppel-T-Profilen 18 und den Platten 16 und 17, wobei die Kohlenstoffaser-Kon­ taktnetze 10 und 11 quasi eingegossen werden. Dabei stören sie die Qualität der hergestellten Verbindung praktisch nicht. Sie bieten im Gegenteil im Bereich der Verbindungsflächen 19 und 20 eine zusätzliche Verstärkung der Faserver­ stärkung der Platten 16 und 17. Insbesondere stellen sie trotz der Länge der Verbindungsflächen 19 und 20 einen niedrigen Widerstand zur Verfügung.

Insgesamt ergibt sich ein schnelles, einfaches und zuverlässiges Verbindungsver­ fahren, das ohne weiteres für sehr große geometrische Abmessungen der Ver­ bindungsflächen geeignet ist. Durch die verbesserte Festigkeit und Zuverlässig­ keit der Verbindungen an den Verbindungsflächen 19 und 20 ist die Stabilität der gesamten in Fig. 6 gezeigten Bodenplatte wesentlich verbessert.

Claims (12)

1. Verfahren zum Verbinden zumindest zweier Teile (1, 2, 16, 17) durch ein Verbindungsmaterial (3, 15),
wobei das Verbindungsmaterial (3, 15) ein Polymermaterial (9, 12) enthält und
die Verbindung durch Einwirkung Joulescher Verlustwärme elektrischer Ströme in dem Verbindungsmaterial (3, 15) hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymermaterial (9, 12) ein PTC-Polymermaterial ist und
daß die elektrischen Ströme die Joulesche Verlustwärme durch den durch den PTC-Effekt erzeugten Widerstand in dem PTC-Polymermaterial (9, 12) erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die elektrischen Ströme durch Anlegen einer Spannung an das Verbindungsmaterial (3, 15) erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das PTC-Polymermaterial (9, 12) eine Schicht zwischen zwei im Vergleich zu der Dicke der PTC-Polymermate­ rialschicht (9, 12) flächig ausgedehnten Kontaktflächen (7, 8) bildet.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die zu verbindenden Teile (1, 2, 16, 17) elektrisch leitfähig sind und zum Zuführen der elektrischen Ströme verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das Verbindungsmaterial (3, 15) Kohlenstoffasern (10, 11) enthält, die zur Zuleitung der elektrischen Ströme verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die elektrischen Ströme durch Ein­ kopplung einer elektromagnetischen Welle in das Verbindungsmaterial (3, 15) erzeugt werden.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zumindest eines der zu verbindenden Teile (1, 2, 16, 17) aus einem Polymermaterial besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem zumindest das Polymermaterial dieses Teils (1, 2, 16, 17) oder das Polymermaterial (9, 12) in dem Verbindungsma­ terial bei der Herstellung der Verbindung zumindest teilweise schmilzt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Polymermaterial dieses Teils (1, 2, 16, 17) im wesentlichen dem Polymermaterial (9, 12) in dem Verbindungsmaterial (3, 15) gleich ist.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das PTC-Polymermaterial (9, 12) ein Hochtemperaturpolymer mit einer Temperatur des PTC-Effekts von mehr als 200°C ist.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche in Verbindung mit An­ spruch 2, bei dem das Verbindungsmaterial (3) an einer Außenseite eine Kontaktschicht (7, 8) aus einem leitfähigen Polymer mit gegenüber dem PTC-Polymer im Volumen des Verbindungsmaterials (3) höherer elektri­ scher Leitfähigkeit aufweist.

12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche in Verbindung mit An­ spruch 2, bei dem das Verbindungsmaterial (3) an einer Außenseite eine Kontaktschicht (7, 8) aus einem leitfähigen Polymer aufweist, das bei dem Verbindungsverfahren keinen PTC-Effekt oder einen schwächeren PTC-Effekt im Vergleich zum Volumen des Verbindungsmaterials (3) zeigt.