DD229530A1 - Verfahren zur erhoehung der elektrischen leitfaehigkeit von kontaktwerkstoffen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhoehung der elektrischen Leitfaehigkeit von Kontaktwerkstoffen mit keramisch- oder harzgebundenen leitenden Komponenten fuer die Herstellung elektrischer Verbindungen, Kontakte, Leiterbahnen und anderer leitfaehiger Schichten, Beschichtungen, Formstoffe und Verklebungen in der Elektrotechnik, Elektronik und im wissenschaftlichen Geraetebau. Ziel der Erfindung ist es die elektrische Leitfaehigkeit von Kontaktwerkstoffen, die in der Verarbeitungsphase niedrigviskos sein koennen, zu verbessern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sedimentation im niederviskosen Kontaktwerkstoff waehrend der Verarbeitungsphase zu stabilisieren und bei geringer Volumenkonzentration leitender Partikel von beliebiger Groesse und Form die Bildung moeglichst vieler leitender Bruecken mit kleinsten Uebergangswiderstaenden zwischen den beteiligten Partikeln zu ermoeglichen. Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht, dass der Kontaktwerkstoff nach der Verarbeitung und vor dem Haerten einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Die Erfindung ist in der Elektrotechnik, Elektronik und im wissenschaftlichen Geraetebau anwendbar. Fig. 2
Description
Verfahren zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von Kontaktwerkstoffen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von Kontaktwerkstoffen mit keramisch- oder harzgebundenen leitenden Komponenten für die Herstellung elektrischer Verbindungen, Kontakte, Leiterbahnen und anderer leitfähiger Schichten, Beschichtungen, Formstoffe und Verklebungen in der Elektrotechnik, Elektronik und im wissenschafllichen Gerätebau·
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Bekannt sind elektrisch leitende Werkstoffgemische (Kontaktwerkstoffe, Verbundwerkstoffe, Stoffsysteme), die aus einem Bindemittel auf der Basis von organischen Polymeren, Tonen oder Silikaten und darin eingelagerten leitfähigen Füllstoffen wie z· B· Metallpulveri Graphit, Siliziumkarbid, Eisenoxid bestehen. Die elektrische Leitfähigkeit solcher Stoffgemische ergibt sich aus der Anzahl und Stärke der entstandenen leitenden Brücken zwischen benachbarten· Partikeln des Füllstoffes« Bekannt sind Verfahren (z. B. DD 101513, DE 1765272) zur Herstellung von Kontaktwerkstoffen die Kompromißlösungen hinsichtlich angestrebter elektrischer Leitfähigkeit, mechanischer Festigkeit und Verarbeitbarkeit darstellen. Die in
-ü.0u.19b"4*21 i i ι;)
den Kontaktwerkstoffen guter elektrischer Leitfähigkeit enthaltenen !Füllstoffe mit sehr kleiner Partikelgröße (5 t /um), erfordern aufgrund ihrer großen Dispersität eine hohe Volumenkonzentration· Dadurch steigt die Viskosität, d· h· die Verarbeitbarkeit verschlechtert sich; außerdem sinkt die nach der Aushärtung verbleibende mechanische Festigkeit des Kontaktwerkstoffes erheblich·
Geringe Anteile der leitenden Komponente führen zu einer starken Streuung der Widerstandswerte, da der Kontaktwerkstoff dann besonders empfindlich gegen die für Gemische übliche Inhomogenität !der Zusammensetzung ist, die auch durch längeres Rühren (24 Std.) nicht ganz beseitigt werden kann·
Werden gröbere Partikel (>1O /um) in das Bindemittel eingelagert, wächst die Gefahr der Sedimentation, und es entstehen isolierende Bereiche während des Härteprozesses, die zu einer Widerstandserhöhung führen· Die leitenden Brücken zwischen den benachbarten Partikeln entstehen nicht zwangsläufig, sondern werden mehr oder weniger zufällig gebildet· Weiterhin werden die Übergangswiderstände zwischen den Partikeln einer leitenden Brücke nicht klein genug, so daß sich ein hoher Gesamtwiderstand des Kontaktwerkstoffes ergibt.
Bekannt ist ferner ein Verfahren (DD-PS 157877), bei dem Partikel unterschiedlicher Größe und ausgewählter Formen verwendet werden und das unter Anwendung einer speziellen Herstellungstechnologie durchgeführt wird· Der Nachteil des Verfahrens besteht darin, daß zur Durchführung des Verfahrens klassierte Pulver und ein hoher technologischer Aufwand erforderlich sind·
Die leitenden Brücken zwischen den benachbarten Partikeln entstehen ebenfalls nicht zwangsläufig, sondern werden mehr oder weniger zufällig gebildet· Auch die Übergangswiderstände zwischen den Partikeln einer leitenden Brücke werden nicht
klein genug, so daß sich ein hoher Gesamtwiderstand des Kontaktwerkstoffes ergibt·
Weiterhin ist eine Lösung (DD 132155) bekannt bei der sedimentationsmindemde IMxotropierungsmittel eingesetzt werden. Das hat den Hachteil, daß die verbesserten Ergebnisse jedoch durch die hohe Dispersität und isolierende Eigenschaft der Thixotropierungsmittel selbst geschmälert werden.
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es die elektrische !Leitfähigkeit von Kontaktwerkstoffen, die in der Verarbeitungsphase niedrigviskos sein können, zu verbessern.
Darstellung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sedimentation im niederviskosen Kontaktwerkstoff während der Verarbeitungsphase zu stabilisieren und bei geringer Volumenkonzentration leitender Partikel von beliebiger Größe und Form die Bildung möglichst vieler leitender Brücken mit kleinsten Übergangswiderständen zwischen den beteiligten Partikeln zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird das bei einem Verfahren zur Erhöhung der elektrischen leitfähigkeit von Kontaktwerkstoffen mit keramisch oder harzgebundenen leitenden Komponenten, wobei ein Teil der leitenden Komponenten aus ferromagnetische Partikeln besteht, dadurch erreicht, daß der Kontaktwerkstoff nach der Verarbeitung und vor dem Härten einem Magnetfeld ausgesetzt wird, wodurch sich die ferromagnetischen Partikel im leitenden Füllstoff des Kontaktwerkstoffes zwangsweise zu leitenden Brücken verketten· Die magnetisiert en Partikel
liefern durch ihre leitenden Ketten den Hauptanteil für den Wert der elektrischen Leitfähigkeit des Kontaktwerkstoffes· Zusätzlich verstärken sich die Brückenbildung anderer Partikel der Umgebung· Sie stellen ein Grundgerüst im Kontaktwerkstoff dar, das die Sedimentation bis zum.Abschluß des Härteprozesses behindert· Durch Restmagnetismus bleibt der Verband magnetisierter Partikel auch nach Wegnahme des äußeren Magnetfeldes erhalten.
Die Lage des äußeren Magnetfeldes bestimmt die Lokalisationsrichtung der ferr©magnetischen Partikel im ungehärteten Kontaktwerkstoff· In dieser Richtung besitzt der gehärtete Kontaktwerkstoff einen minimalen Gesamtwiderstand·
Zur Verringerung der Übergangswiderstände zwischen den Partikeln können die Oberflächen der ferromagnetischen Partikel mit einer metallischen Schicht hoher elektrischer Leitfähigkeit versehen sein· Eine weitere Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit wird erreicht, wenn der gehärtete Kontaktwerkstoff mit einer hohen elektrischen Spannung nachbehandelt wird*
Durch einen Anteil ferromagnetische Partikel im Füllstoff des Kontaktwerkstoffes, deren magnetischer Beeinflussung im ungehärteten Kontaktwerkstoff und der Behandlung des Kontaktwerkstoffes nach dem Härten mit einer elektrischen Spannung werden die Sedimentation im niedrigviskosen Kontaktwerkstoff stabilisiert und trotz geringer Volumenkonzentration leitender Partikel von weitgehend beliebiger Größe und Form eine hohe elektrische Leitfähigkeit garantiert·
Die Kontaktwerkstoffe, die aus einem Bindemittel und darin, eingelagertem leitendem Füllstoff bestehen, zeigen ein nichtlineares Strom-Spannungs-Verhalten· Bis zu einer bestimmten Spannungsgrenze weist der Kontaktwerkstoff einen durch seine Zusammensetzung definierten ohmschen Widerstand auf· Wird
diese Spannungsgrenze überschritten, kommt es zu einer Verschweißung der leitenden Partikel und der Y/ider stand nimmt sprunghaft ab· Die entstandenen Verschweißungen lösen sich wieder auf, wenn der durch den Kontaktwerkstoff fließende Strom nicht auf einen bestimmten V/ert "begrenzt wird· Es ergeben sich zwei Arbeitsbereiche:
In Abhängigkeit der Zusammensetzung des Kontaktwerkstoffes wird der erste Bereich durch eine Spannungsgrenze, der zweite durch eine Stromgrenze festgelegt· Das Anlegen einer genügend hohen Spannung an den Kontaktwerkstoff bringt ihn in den zweiten Arbeitsbereich und führt zu einer Zunahme seiner elektrischen Leitfähigkeit, maximal bis zu der der leitenden Partikel des !Füllstoffes· Grundsätzlich sind dafür Kontaktwerkstoffe aus unterschiedlichsten Stoffgemischen geeignet. Als Spannungen kommen sowohl Gleich- als auch Wechs el spannungen in Präge. Bei der Nachbehandlung mit einer hohen Hochfrequenzspannung werden sehr viele leitende Partikel in der Bindemi ttelmatriz erreicht, außerdem ist dann keine Strombegrenzung erforderlich.
Auf diese V/eise lassen sich bei relativ niedriger Volumenkonzentration leitender Partikel leicht verarbeitbare Kontaktwerkstoffe mit guter elektrischer Leitfähigkeit und mechanischer Festigkeit herstellen·
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll anhand von drei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden·
Es zeigen: Figur 1 zwei Leiterenden die durch einen Kontaktwerkstoff verbunden sind
Figur 2 zwei Kupferelektroden die durch einen Kontaktwerkstoff verbunden sind
Pigur 3 einen Matrixspeicher
Zwei Leiterenden 1 und 2 (Figur 1) sind durch einen Kontaktwerkstoff 7 elektrisch leitend verklebt· Der Kontaktwerkstoff 7 besteht aus
100 Gewichtsteilen kalthärtendem Epoxidharz (Zweikomponentensystem) ,
100 Gewichtsteilen Eisenpulver (Korngröße 6.10 /um), 50 Gewichtsteilen Graphit (Korngröße 20 - 100 /um) und 50 Gewichtsteilen Kupferpulver (Korngröße 20 - 100 /um).
lach dem Härten der Verbindung ergibt sich bei einem spezifischen elektrischen Widerstand von f = 5 » 10~ üücib, einer
Pugendicke von 0,1 cm und einer Kontaktfläche von 0,.1 cm ein Widerstand von 5 · 10" üd»
Legt man an die Leiterenden 1 und 2 (Pigur 1) eine Spannung von 100 Y und begrenzt den Strom auf 0,1 mÄ, so verringert sich der Widerstand um zwei bis drei Zehnerpotenzen auf 10~^ bis 10"^/So, Die so behandelte Klebeverbindung ist bis 0,5 A (bei 12 V) belastbar, darüber hinausgehend stellt sich wieder ein Wert von etwa 5 · 10" iSd ein·
Beispiel 2:
Zwei Kupferelektroden 3 und 4 (Pigur 2), deren Kontaktflächen 8 aufgrund konstruktiver Bedingungen nicht näher als 0,5 cm zusammengebracht werden können, sind durch einen Kontaktwerkstoff 7 verbunden. Zur Sedimentationsstabilisierung und Leitfähigkeit serhöhung werden die verfugten Elektroden vor dem
Härten des Kontaktwerkstoffes 7 einem Magnetfeld ausgesetzt, dessen Feldlinien 5 senkrecht zu den Kontaktflächen 8 stehen« Die Magnetisierung des Eisenpulveranteils bewirkt eine Leitfähigkeit serhöhung um mindestens eine Zehnerpotenz.
Beispiel 3: '
Der Matrixspeicher 9 (Figur 3) ist aus einem Kontaktwerkstoff 7 und einem flachen quadratischen Formteil gegossen, , das auf jeder Seite eine gleiche Anzahl paralleltr, um 90° versetzter elektrischer leiter 10 (-Zeilen und Spalten) enthält.
Beim Anlagen einer Spannung an eine bestimmte Zeile 10 und Spalte 10 einer derartigen Matrix entsteht ein lokalisiertes Element mit kleinem Widerstandswert (Schreiben), der durch einen größeren Stromdurchgang wieder erhöht werden kann (Löschen). Schreiben, Lesen, Löschen geschieht über dasselbe Leitungspaar.
Werden vor dem Härten des Formteils die im Kontaktwerkstoff 7 enthaltenen ferromagnetischen Partikel durch ein senkrecht zur Zeilen- und Spaltenfläche der Matrix stehendes Magnetfeld ausgerichtet, so weisen die in Richtung der Feldlinien 6 liegenden Elemente gegenüber den orthogonalen,die zwischen parallelen Leitern 10 liegen, einen höheren Leitfähigkeitswert auf. Da die Yorzugsrichtung für die Bildung leitender Strompfade in Richtung der Feldlinien 6 liegt, können die Abstände zwischen den parallelen Leiterbahnen verringert werden. Dadurch erhöht sich die Anzahl der Zeilen und Spalten der Matrix, so daß auf einer gegebenen Fläche mehr Speicherelemente realisiert werden können.
Claims (3)
1· Verfahren zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von Kontaktwerkstoffen mit keramisch- oder harzgebundenen leitenden Komponenten, wobei ein Teil der leitenden Komponenten aus ferromagnetischen Partikeln besteht, gekennzeichnet dadurch, daß der Kontaktwerkstoff (7) nach der Verarbeitung und vor dem Härten einem Magnetfeld ausgesetzt wird.
2· Verfahren nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Oberfläche der ferromagnetischen Partikel mit einer metallischen Schicht hoher elektrischer Leitfähigkeit versehen ist·
3. Verfahren nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß der gehärtete Kontaktwerkstoff (7) mit einer elektrischen Spannung behandelt wird·
Hierzu 1 Seite Zeichnungen
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| WO1990008386A1 (fr) * | 1989-01-19 | 1990-07-26 | Latviisky Gosudarstvenny Universitet Imeni Petra Stuchki | Procede d'obtention de materiau conducteur anisotrope |
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1984
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