DE4337809A1 - Elektrischer Widerstand und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Elektrischer Widerstand und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Widerstand
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und von einem Verfah
ren zu seiner Herstellung.
Es sind Widerstände bekannt, die aus Sinterkeramikmaterial
aufgebaut sind. Derartige Widerstände sind nur mit ver
gleichsweise hohem Fertigungsaufwand für das Sintern bei
vergleichsweise hohen Temperaturen herzustellen. Ferner sind
Widerstände bekannt, die eine Matrix aus einem aushärtbaren
Polymer aufweisen, in welche elektrisch leitfähige Partikel
eingebettet sind. Die letzteren sind jedoch nur für ver
gleichsweise niedere Betriebstemperaturen geeignet.
Chemisch gebundene Keramik (Chemically Bonded Ceramics), die
Temperaturen bis 500°C standhält, weist eine Matrix auf, die
durch eine chemische Reaktion zwischen den einzelnen anorga
nischen Komponenten dieser Keramik entstanden ist. Derartige
Keramik wird beispielsweise für die Herstellung feuerhemmen
der Bekleidungsstücke verwendet.
Die Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen
gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen elektrischen
Widerstand zu schaffen, der für eine vergleichsweise hohe
Betriebstemperatur geeignet ist und bei dessen Herstellung
keine aufwendigen Sintervorgänge nötig sind.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesent
lichen darin zu sehen, daß die elektrischen Widerstände
durch ein Gießverfahren erzeugt werden, wodurch auf einfa
che Art eine Vielzahl von Formen hergestellt werden kann.
Der erfindungsgemäße elektrische Widerstand weist eine
Matrix auf, in welche mindestens eine elektrisch leitende
Beimischung eingebettet ist. Diese Matrix ist aus chemisch
gebundenen anorganischen Stoffen aufgebaut. Sie ist deshalb
wesentlich wärmebeständiger als eine auf Polymerbasis aufge
baute Matrix. Als elektrisch leitende Beimischung sind bei
diesem Widerstand Rußpartikel vorgesehen. In die Matrix
lassen sich, je nach geforderter Leitfähigkeit, 0,4 bis 4
Gewichtsprozent Rußpartikel einbetten. Als elektrisch lei
tende Beimischung lassen sich auch Metallpulver oder Metall
oxidpulver oder Kalt- oder Warmleitermaterial oder leitfä
hige Fasern einsetzen. Die Matrix des Widerstands ist
hygroskopisch, so daß der Widerstand vorteilhaft als preis
lich günstiger Feuchtigkeitssensor einsetzbar ist.
Das Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstands
aus mindestens einer flüssigen und mindestens einer pulver
förmigen Komponente für den Aufbau einer anorganischen
Matrix, weist folgende Verfahrensschritte auf:
- a) Vermischung der mindestens einen flüssigen Kompo nente mit mit einer elektrisch leitenden Beimischung bei Temperaturen < 25°C zu einem Gemenge,
- b) Kontinuierliche Zugabe der pulverförmigen Komponente zu dem Gemenge und Vermischung zu einer gießfähigen Masse bei Temperaturen < 25°C,
- c) Vergießen der Masse bei Normaldruck oder Unterdruck und Raumtemperatur in Formen,
- d) Gelierung der in der Form befindlichen Masse zu einem Formkörper,
- e) Entnahme des Formkörpers aus der Form und Trocknung desselben, und
- f) Schaffen von Kontaktierungsmöglichkeiten auf dem Formkörper.
Besonders einfach lassen sich elektrische Widerstände her
stellen, wenn als die flüssig ausgebildete Komponente
Geopolymite 70 AN verwendet wird, wenn ferner als elektrisch
leitendes Pulver Ruß beigemischt wird, und wenn als pulver
förmig ausgebildete Komponente Geopolymite HT 600 verwendet
wird.
Besonders homogen ausgebildete elektrische Widerstände
erhält man, wenn die Gelierung der in der Form befindlichen
Masse zu einem Formkörper bei 80°C und bei 100% Luftfeuch
tigkeit erfolgt.
Wird nach der Trocknung des Formkörpers eine Imprägnierung
desselben unter hohem Druck mit Kunstharz vorgenommen, so
wird der Widerstand wesentlich weniger hygroskopisch.
Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände
der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung, ihre Weiterbildung und die damit erzielbaren
Vorteile werden nachstehend anhand der Zeichnung, welche
lediglich einen möglichen Ausführungsweg darstellt, näher
erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 ein erstes Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens,
Fig. 2 ein zweites Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens,
Fig. 3 ein drittes Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Anmeldungsgegen
standes.
Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht
erforderlichen Elemente sind nicht dargestellt.
Die Fig. 1 zeigt ein erstes Blockdiagramm eines erfindungs
gemäßen Verfahrens, bei welchem lineare oder nichtlineare
elektrische Widerstände aus chemisch gebundener Keramik her
gestellt werden. Die chemisch gebundene Keramik (Chemically
Bonded Ceramics) wird bei diesem Verfahren aus zwei Grund
stoffen hergestellt, von denen der erste als flüssig ausge
bildete Komponente und der zweite als pulverförmig ausgebil
dete Komponente in das Verfahren eingeführt wird. Als flüs
sig ausgebildete Komponente wird ein Material verarbeitet,
welches unter der Bezeichnung Geopolymite 70 AN von der
Firma Europreg, 42300 Roanne, Frankreich, vertrieben wird.
Als pulverförmig ausgebildete Komponente wird ein Material
verarbeitet, welches unter der Bezeichnung Geopolymite HT
600 von der Firma Europreg, 42300 Roanne, Frankreich, ver
trieben wird. Das flüssige Geopolymite 70 AN setzt sich
zusammen aus folgenden wesentlichen Bestandteilen:
K₂O | |
27,7 Gewichtsprozent, | |
Na₂O | 0,2 Gewichtsprozent, |
SiO₂ | 13,1 Gewichtsprozent, |
H₂O | restliche Menge. |
Das pulverförmige Geopolymite HT 600 setzt sich zusammen aus
folgenden wesentlichen Bestandteilen:
Al₂O₃·2SiO₂ | |
25,4 Gewichtsprozent, | |
Na₂SiF₆ | 18,5 Gewichtsprozent, |
SiO₂ | 54,1 Gewichtsprozent, |
Verunreinigungen | restliche Menge. |
Das Geopolymite HT 600 weist, wie durch Sedimentation
bestimmt, eine mittlere Korngröße von 3 µm bis 5 µm auf,
zudem sind auch wesentlich gröbere Partikel und äußerst
feine, submikrone Partikel in dieser staubförmig ausgebilde
ten Komponente vorhanden.
Als erster Verfahrensschritt erfolgt die innige Vermischung
der flüssigen Komponente mit einem Ruß bei Temperaturen
< 25°C zu einem flüssigen Gemenge. Als Ruß wird hier Leitfä
higkeitsruß mit einer sehr großen spezifischen Oberfläche
im Bereich von < 200 m²/g (nach BET gemessen) eingesetzt. Der
Ruß weist eine Partikelgröße von < 1 µm auf. Es ist aber
auch möglich, statt des Rußes auch Metall- oder Metalloxid
pulver oder Kalt- oder Warmleitermaterial oder leitfähige
Fasern einzusetzen. Ferner sind auch Kombinationen der
genannten Materialien als elektrisch leitfähige Beimischung
möglich. Das Vermischen erfolgt in einem Mischer oder
Rührer, eventuell mit Hilfe von Ultraschalldispergierung. Im
so entstandenen Gemenge soll der Ruß seine baumartige
Struktur beibehalten, das ist nur dann möglich, wenn der
Mischvorgang dann abgebrochen wird, wenn das Gemenge im
Bereich seiner höchsten Viskosität angelangt ist. Wird die
Struktur des Rußes durch zu langes und zu intensives
Mischen zerstört, so wird die elektrische Leitfähigkeit des
Endprodukts negativ beeinflußt.
Der zweite Verfahrensschritt umfaßt die kontinuierliche
Zugabe der pulverförmigen Komponente zu dem flüssigen
Gemenge und die Vermischung mit demselben zu einer gießfä
higen Masse bei Temperaturen < 25°C. Die bei diesem Vermi
schen stattfindenden chemischen Reaktionen erzeugen Wärme,
so daß eine wirksame Kühlung vorgesehen werden muß, damit
die Temperatur von 25°C keinesfalls überschritten wird.
Würde die Temperatur von 25°C überschritten, so würde entwe
der das zeitliche Fenster für die Verarbeitung der gießfä
higen Masse verkleinert oder im Extremfall würde die Masse
bereits im Mischer gelieren. Um das zeitliche Fenster für
die Verarbeitung der gießfähigen Masse nicht zu klein aus
zubilden, wird in der Regel die zeitliche Dauer des Mischens
auf 15 bis 30 Minuten begrenzt. Der Mischvorgang kann bei
normalem Luftdruck erfolgen, in der Regel wird dieser Misch
vorgang jedoch in einem Vakuummischer durchgeführt. Aller
dings darf der Unterdruck beim Mischen nicht unterhalb des
Dampfdrucks des Wassers liegen, um zu vermeiden, daß die
entstehende gießfähige Masse einen zu geringen Wasseranteil
aufweist. Aus diesem Grund wird in dem Vakuummischer ein
Unterdruck im Bereich < 50 mbar eingestellt. Wegen der Agres
sivität des Mischgutes muß der Mischer aus einem hochle
gierten rostfreien Stahl, beispielsweise aus einem CrNiMo-Stahl
gefertigt sein. Wenn an das Fertigprodukt im Hinblick
auf Homogenität keine hohen Anforderungen gestellt werden,
so kann der Mischvorgang auch bei Normaldruck durchgeführt
werden.
Beim dritten Verfahrensschritt wird die gießfähige Masse
entweder bei Normaldruck oder bei Unterdruck und Raumtempe
ratur in Formen gegossen. Als Material für die Formen ist
beispielsweise hochlegierter rostfreier Stahl, Silikon oder
Polypropylen geeignet, da diese Materialien der aggressiven
gießfähigen Masse widerstehen können. Die Formen werden vor
dem Gießvorgang mit einem Trennmittel versehen. Als Trenn
mittel kommen beispielsweise Wachslösungen oder Teflonpulver
in Betracht. Einfache Formen können auch mit Polyesterfolien
ausgekleidet werden, die dann als Trennmittel dienen.
Nach dem Gießen folgt als nächster Verfahrensschritt das
Gelieren der Masse in der Form zu einem festen Formkörper.
Der Geliervorgang kann bei Raumtemperatur erfolgen, nur dau
ert er dann vergleichsweise lang. In der Regel wird der
Geliervorgang in einem Ofen bei angehobener Temperatur
durchgeführt.
Nach dem Geliervorgang wird der Formkörper aus der Form ent
nommen und in eine Trocknungseinrichtung eingebracht, wo er,
in der Regel unter Wärmebeaufschlagung, getrocknet wird. In
der Trocknungseinrichtung wird der Formkörper so plaziert,
daß er von der Umgebungsluft nicht umströmt wird. Das
Trocknen wird vergleichsweise langsam durchgeführt, da nur
so Risse in dem Formkörper vermieden werden können.
Der Formkörper wird danach in den Bereichen, wo ein elektri
scher Kontakt vorgesehen ist, nach einem der bekannten Ver
fahren mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen. Der
so entstandene ohmsche Widerstand kann nun für Schaltungs
zwecke eingesetzt werden.
Die Fig. 2 zeigt ein zweites Blockdiagramm eines erfindungs
gemäßen Verfahrens, welches sich von dem Verfahren gemäß
Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß die gießfähige Masse bei
Unterdruck vergossen wird, und daß der Geliervorgang in
einem Ofen bei 80°C erfolgt, wobei darauf geachtet wird,
daß die Luftfeuchtigkeit im Ofen stets bei 100% liegt.
Durch das Vergießen bei Unterdruck wird eine besonders gute
Entgasung der gießfähigen Masse erreicht, wodurch die
Anzahl Lunker im Endprodukt vorteilhaft klein gehalten wer
den kann. Die hohe Luftfeuchtigkeit während des Gelierens
verhindert eine ungleichmäßige Austrocknung des Oberflä
chenbereichs des Formkörpers und damit eine unerwünschte
Rißbildung in diesem Bereich.
Die Fig. 3 zeigt ein drittes Blockdiagramm eines erfindungs
gemäßen Verfahrens, welches sich von dem Verfahren gemäß
Fig. 2 dadurch unterscheidet, daß der Formkörper nach dem
Trocknungsvorgang noch einer Imprägnierung unterzogen wird.
Diese Imprägnierung erfolgt unter einem hohen Druck und als
Imprägnierungsmittel wird ein flüssiges Kunstharz, bei
spielsweise ein Epoxidharz oder ein Silikonharz, verwendet.
Bei dieser Imprägnierung werden die Hohlräume, die beim
Trocknen des Formkörpers infolge des Austreibens des che
misch nicht gebundenen Wassers entstanden sind, mit dem
Kunstharz aufgefüllt. Dadurch wird erreicht, daß das End
produkt mechanisch stabiler und weniger hygroskopisch ist.
Es werden 400 Gramm Geopolymite 70 AN als flüssig ausgebil
dete Komponente mit 9 Gramm Leitfähigkeitsruß während 15
Minuten bei Temperaturen < 25°C zu einem Gemenge vermischt.
Je nach verlangter Leitfähigkeit des Endproduktes können zu
dieser Menge an flüssig ausgebildeter Komponente 4 bis 40
Gramm Leitfähigkeitsruß zugemischt werden. Als pulverförmig
ausgebildete Komponente werden 600 Gramm Geopolymite HT 600
kontinuierlich dem Gemenge zugegeben und vermischt. Der ver
wendete Mischer wurde dabei gekühlt, so daß bei diesem
Mischvorgang die Temperatur von 25°C nicht überschritten
wurde. Während des Mischvorganges wurde der Mischer mit
einem Unterdruck von 50 mbar beaufschlagt. Nach 20 Minuten
war der Mischvorgang abgeschlossen und die gießfähige Masse
wies die optimale Viskosität auf. Die verschiedenen
Gießformen aus Polypropylen wurden innen mit einem Trenn
mittel, hier war es eine Wachslösung QZ11 von Ciba-Geigy,
ausgesprüht. Das Vergießen erfolgte unter Normaldruck. Die
mit der gießfähigen Masse gefüllten Formen wurden in einen
Ofen eingebracht. In diesem Ofen erfolgte das Gelieren der
Masse bei 80°C während 4 Stunden. Während des Geliervorgangs
wurde eine Ofenatmosphäre mit 100% Luftfeuchtigkeit beibe
halten.
Nach dem Gelieren wurden die nun festen Formkörper aus den
Formen entnommen und in einem weiteren Ofen getrocknet. Das
Trocknungsprogramm verlief wie folgt:
2 h trocknen bei 50°C,
in 2 h kontinuierlich hochfahren auf 70°C,
2 h Haltezeit bei 70°C,
in 2 h kontinuierlich hochfahren auf 90°C,
2 h Haltezeit bei 90°C,
in 2 h kontinuierlich hochfahren auf 100°C,
2 h Haltezeit bei 100°C.
2 h trocknen bei 50°C,
in 2 h kontinuierlich hochfahren auf 70°C,
2 h Haltezeit bei 70°C,
in 2 h kontinuierlich hochfahren auf 90°C,
2 h Haltezeit bei 90°C,
in 2 h kontinuierlich hochfahren auf 100°C,
2 h Haltezeit bei 100°C.
Während des Trocknens wurden die Formteile so gelagert, daß
sie nicht von der strömenden Umgebungsluft direkt berührt
wurden. Nach einem behutsamen Abkühlen wurden die Formteile
dort, wo Kontaktstellen vorgesehen sind, mit einer metalli
schen Schicht versehen, die für die Kontaktierung geeignet
ist. Es ist jedoch auch möglich, insbesondere bei ohmschen
Widerständen, die eine vergleichsweise große Masse aufwei
sen, metallische Gewindeeinsätze direkt in die Matrix des
Widerstandes einzugießen und mit Hilfe dieser Gewindeein
sätze den Widerstand elektrisch anzuschließen.
Das hier beschriebene Verhältnis von flüssig ausgebildeter
Komponente zu pulverförmig ausgebildeter Komponente von 1 zu
1,5 kann natürlich entsprechend den an den zu fertigenden
elektrischen Widerstand gestellten Anforderungen etwas vari
iert werden, es sind Verhältnisse im Bereich von 1 zu 1,4
bis 1 zu 1,8 möglich, wobei sich diese Angaben auf das
jeweilige Gewicht der Komponenten beziehen.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird die Fig. 4 der Zeich
nung nun näher betrachtet, welche schematisch einen elektri
schen Widerstand aus chemisch gebundener Keramik (Cemically
Bonded Ceramics) zeigt. Dieser elektrische Widerstand weist
eine anorganische Matrix 1 auf, die aus chemisch gebundener
Keramik besteht. In diese Matrix 1 sind elektrisch leitende
Rußpartikel 2 eingebettet, die sich zum Teil kettenförmig
aneinander angelagert haben, und die die elektrische Leitfä
higkeit der Anordnung verursachen. Weiterhin sind in die
Matrix 1 eingebettete Füllstoffpartikel 3 dargestellt, die
keine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Diese Füllstoff
partikel 3 können Partikel der staubförmig ausgebildeten
Komponente sein, die bei der chemischen Reaktion überzählig
waren, sie können aber auch zusätzlich vor dem Vergießen
der gießfähigen Masse beigemischt worden sein, um einen
elektrischen Widerstand zu erhalten, der besonders großvo
lumig ausgebildet ist. Der elektrische Widerstand weist
metallische Kontaktflächen 4 auf, die für die elektrischen
Anschlüsse vorgesehen sind. Die Matrix 1 ist hygroskopisch
und kann aus der Umgebungsluft Feuchtigkeit aufnehmen,
wodurch sich der Wert des elektrischen Widerstandes ändert.
Bei bestimmten Anwendungsfällen stört dieser Effekt, so daß
die Matrix 1 mit Silikonlack oder mit einem Kunstharz abge
deckt wird, um die Feuchtigkeitsaufnahme zu reduzieren. Es
ist aber auch möglich, die Matrix 1 zu imprägnieren, so daß
das Imprägnierungsmittel die Feuchtigkeitsaufnahme
erschwert.
Es ist aber auch vorstellbar, den hygroskopischen ohmschen
Widerstand als vergleichsweise einfach herzustellenden
Feuchtigkeitssensor einzusetzen, wobei der mit zunehmender
Feuchtigkeit abnehmende Wert des ohmschen Widerstands als
Maß für die Umgebungsfeuchtigkeit angesehen wird.
Die mit diesem Material erreichbaren spezifischen Werte des
ohmschen Widerstands liegen im Bereich von 10² Ωm bis 10⁷ Ωm.
Die thermische Stabilität dieser ohmschen Widerstände
ist bis 500°C gewährleistet. Damit ist ein weiter Anwen
dungsbereich für diese elektrischen Widerstände gegeben.
Bezugszeichenliste
1 Matrix
2 Rußpartikel
3 Füllstoffpartikel
4 Kontaktflächen.
2 Rußpartikel
3 Füllstoffpartikel
4 Kontaktflächen.
Claims (10)
1. Elektrischer Widerstand mit einer Matrix in welche minde
stens eine elektrisch leitende Beimischung eingebettet ist,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Matrix (1) aus chemisch gebundenen anorgani schen Stoffen aufgebaut ist.
2. Elektrischer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet,
- - daß als elektrisch leitende Beimischung Rußpartikel (2) vorgesehen sind.
3. Elektrischer Widerstand nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet,
- - daß in die Matrix (1) 0,4 bis 4 Gewichtsprozent Rußpartikel (2) eingebettet sind.
4. Elektrischer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet,
- - daß als elektrisch leitende Beimischung Metallpulver oder Metalloxidpulver oder Kalt- oder Warmleitermate rial oder leitfähige Fasern vorgesehen sind.
5. Elektrischer Widerstand, nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Matrix (1) mit einem feuchtigkeitsabweisen den Material imprägniert ist.
6. Elektrischer Widerstand, nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet,
- - daß er als Feuchtigkeitssensor einsetzbar ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstands
nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aus mindestens einer flüs
sigen und mindestens einer pulverförmigen Komponente für den
Aufbau einer anorganischen Matrix, welches folgende Verfah
rensschritte aufweist:
- a) Vermischung der mindestens einen flüssigen Kompo nente mit mit einer elektrisch leitenden Beimischung zu einem Gemenge,
- b) Kontinuierliche Zugabe der pulverförmigen Komponente zu dem Gemenge und Vermischung zu einer gießfähigen Masse bei Temperaturen < 25°C,
- c) Vergießen der Masse bei Normaldruck oder Unterdruck und Raumtemperatur in Formen,
- d) Gelierung der in der Form befindlichen Masse zu einem Formkörper,
- e) Entnahme des Formkörpers aus der Form und Trocknung desselben, und
- f) Schaffen von Kontaktierungsmöglichkeiten auf dem Formkörper.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
- - daß das Mischungsverhältnis zwischen der mindestens einen flüssigen Komponente und der mindestens einen pulverförmigen Komponente auf ihr jeweiliges Gewicht bezogen im Bereich von 1 zu 1,4 bis 1 zu 1,8 liegt, insbesondere jedoch 1 zu 1,5 beträgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Gelierung der in der Form befindlichen Masse zu einem Formkörper bei 80°C und bei 100% Luftfeuchtig keit erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch
gekennzeichnet,
- - daß nach der Trocknung des Formkörpers eine Impräg nierung desselben unter hohem Druck mit einem Kunstharz vorgenommen wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934337809 DE4337809A1 (de) | 1993-11-05 | 1993-11-05 | Elektrischer Widerstand und Verfahren zu seiner Herstellung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19934337809 DE4337809A1 (de) | 1993-11-05 | 1993-11-05 | Elektrischer Widerstand und Verfahren zu seiner Herstellung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4337809A1 true DE4337809A1 (de) | 1995-05-11 |
Family
ID=6501900
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19934337809 Withdrawn DE4337809A1 (de) | 1993-11-05 | 1993-11-05 | Elektrischer Widerstand und Verfahren zu seiner Herstellung |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE4337809A1 (de) |
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