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Die
Erfindung betrifft einen Werkstoff, dessen Widerstand einen positiven
Temperaturkoeffizienten aufweist. Ferner betrifft die Erfindung
ein Verfahren zur Herstellung des Werkstoffes und Bauelemente aufweisend
den Werkstoff.
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Werkstoffe
mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes
(zum Beispiel PTC-Keramiken) weisen einen spezifischen elektrischen
Widerstand auf, der bei einer bestimmten Temperatur (Bezugstemperatur)
einen starken Anstieg aufweist.
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Werkstoffe
mit PTC-Eigenschaften sind beispielsweise aus dem Dokument
DE 31 07 290 C2 bekannt.
Weitere Materialien, die PTC-Eigenschaften aufweisen, werden beispielsweise
in der Druckschrift
DE
102 45 106 A1 genannt.
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Eine
zu lösende Aufgabe ist es, einen weiteren Werkstoff mit
positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands bereitzustellen.
Weiterhin ist es eine Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung des
Werkstoffes sowie Bauelemente mit dem Werkstoff bereitzustellen.
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Es
wird ein Werkstoff mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen
Widerstandes angegeben, der eine Glasmatrix und eine in der Glasmatrix
enthaltene Funktionskomponente mit einem positiven Temperaturkoeffizienten
des elektrischen Widerstands aufweist. Die Glasmatrix weist eine Schmelztemperatur
von 300°C bis 900°C auf. Dabei liegt ein Werkstoff
mit PTC-Eigenschaften vor, der sich aus zwei Komponenten, der Glasmatrix
und der Funktionskomponente, zusammensetzt. Aus der niedrigen Schmelztemperatur
der Glasmatrix von 300°C bis 900°C resultiert
eine Sintertemperatur des Werkstoffes, die unter der Temperatur
liegt, bei der Veränderungen des Widerstands der Funktionskomponente
eintreten können. Die Eigenschaften der Funktionskomponente
werden durch die Verwendung der Glasmatrix nicht nachteilig verändert.
Es ist also möglich, durch die Kombination einer niedrig schmelzenden
Glasmatrix mit einer Funktionskomponente bei geringen Temperaturen
unterhalb von 900°C keramische PTC-Bauelemente und auch PTC-Materialien
herzustellen.
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In
einer Ausführungsform weist die Glasmatrix ein Material
auf, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Bleisilikatglas,
Borosilikatglas, Bismut-haltiges Glas und Mischungen daraus enthält.
Weiterhin kann das Material der Glasmatrix Zusätze aufweisen, die
aus einer Gruppe ausgewählt sind, die Alkalioxide, Erdalkalioxide,
TiO2, NaCl, As2O3, Sb2O3,
CeO2, B2O3, ZnO, WO3, MoO3, F, Bi2O3, PbO und Mischungen daraus umfasst. Bei
Verwendung einer Glasmatrix, die die genannten Materialien und Zusätze
aufweist, kann eine Schmelztemperatur von 300°C bis 900°C
der Glasmatrix erreicht werden. Der Zusatz an Alkalien und Erdalkalien
kann beispielsweise zur Absenkung der Schmelztemperatur führen.
Durch den Anteil an SiO2 kann die Schmelzbarkeit
des Glases beeinflusst werden. Weitere Zusätze können
die chemische Beständigkeit, das Fließverhalten,
das Benetzungsverhalten, und den elektrischen Widerstand des Glases
beeinflussen.
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In
einer weiteren Ausführungsform weist die Funktionskomponente
mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands
ein Material auf, das BaTiO3 (Bariumtitanat)
um fasst. Bariumtitanat hat eine ferroelektrische Perowskitstruktur,
die einen in der Stöchiometrie vorhandenen Titanüberschuss
enthält. Weiterhin kann die Funktionskomponente Zusätze
aufweisen, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die Ca,
Sr und Pb umfasst. Weiterhin kann die Funktionskomponente Dotierstoffe
aufweisen, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die Mn und
Y umfasst. Durch die Zugabe von Zusätzen und Dotierstoffen
wird das Bariumtitanat leitfähig, so dass die PTC-Eigenschaften
erreicht werden können. Die Zusätze können
mit einem Anteil von weniger als 20 Ma% (Massenprozent), bevorzugt
weniger als 10 Ma% vorhanden sein. Die Dotierstoffe haben im Bariumtitanat
einen Anteil von insgesamt weniger als 5 Ma%, bevorzugt weniger
als 1 Ma%.
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Weiterhin
kann die Funktionskomponente in Pulverform vorliegen. Über
eine vorangehende Sinterung des Materials der Funktionskomponente,
beispielsweise des Bariumtitanats, kann der Kennlinienverlauf des
Widerstandes eingestellt werden.
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Es
ist möglich, bereits gesintert vorliegende Bauelemente
auf Basis von Bariumtitanat durch geeignete Zerkleinerungsverfahren
zu zerkleinern und anschließend auf eine Korngröße
im Bereich zwischen 1 mm und 10 μm, bevorzugt zwischen
250 μm und 20 μm, zu mahlen. Dieses Pulver kann
für Mischungen mit einer niedrig schmelzenden Glasmatrix verwendet
werden.
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Durch
die Verwendung von nanoskaligen Pulvern mit spezifischen Oberflächen
von 300 m2/g bei einer mittleren Korngröße
von 15 nm bis 10 m2/g bei einer mittleren
Korngröße von 170 nm als Ausgangsmaterialien für
die Funktionskomponente ist es möglich, mittlere Korngrößen
von 0,1 μm bei spezifischen Oberflächen von 1
m2/g bis 5 m2/g
nach der Sinterung des Pulvers zu erhalten. Dieses Pulver wird anschließend
zusammen mit einer niedrig schmelzenden Glasfritte einer Mischmahlung
unterzogen. Die erzielte mittlere Korngröße der
Funktionskomponente liegt dabei zwischen 0,05 und 0,1 mm.
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Durch
die Verwendung von nanoskaligen Ausgangsmaterialien der Funktionskomponente
in Kombination mit der sehr feinen, niedrigschmelzenden Glasmatrix
kann sich die Sintertemperatur verringern. Es wird somit möglich,
in einer oxidierenden oder inerten Atmosphäre bei Sintertemperaturen
zwischen 300°C und 600°C, bevorzugt zwischen 350°C und
450°C zu sintern.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist die Glasmatrix mit einem
Anteil von 1 bis 90 Ma% in dem Werkstoff vorhanden. Die Glasmatrix
kann bevorzugt mit einem Anteil von 3 bis 30 Ma% vorhanden sein. Mittels
des Mischungsverhältnisses zwischen der Funktionskomponente
und dem Anteil der Glasmatrix können die Eigenschaften
des Werkstoffes eingestellt werden. Ebenso besteht die Möglichkeit,
die elektrischen Eigenschaften durch die Zusammensetzung der Glasmatrix
und/oder die Zusammensetzung der Funktionskomponente einzustellen.
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Es
wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs gemäß den
oben genannten Eigenschaften angegeben. Das Verfahren umfasst die
Verfahrensschritte A) Bereitstellen der Glasmatrix, B) Bereitstellen
der Funktionskomponente und C) Vermischen der Glasmatrix und der
Funktionskomponente und anschließendes Sintern. Mit diesem
Verfahren zur Herstellung des Werkstoffes kann sowohl die Zusammensetzung
der Glasmatrix als auch die Zusammensetzung der Funktionskomponente
sowie das Mischungsverhältnis Glasmatrix und Funktionskomponente
eingestellt werden. Damit kann Einfluss auf die Eigenschaften des
Werkstoffes genommen werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird im Verfahrensschritt
A) ein Ausgangsmaterial für die Glasmatrix bei 1200°C
bis 1400°C unter oxidierenden Bedingungen geschmolzen,
abgekühlt und zu Pulver gemahlen. Je nach Bedarf kann dabei
die gewünschte Zusammensetzung für die Glasmatrix
ausgewählt werden. Das Pulver kann einen mittleren Korndurchmesser
von 0,1 μm bis 10 μm aufweisen und wird durch
den Schmelzprozess während der Sinterung zur Glasmatrix
des Werkstoffs.
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Als
Ausgangsmaterial für die Glasmatrix eignen sich alle gängigen,
vorwiegend niedrig schmelzenden Zusammensetzungen wie Bleisilikatgläser, Borosilikatgläser
und bismuthaltige Gläser. Diese können Zusätze
an Alkalien und Erdalkalien enthalten, die die Liquidustemperatur
absenken. Zur Verbesserung der Qualität der Glasmatrix
können weiterhin Läutermittel eingesetzt werden
die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die NaCl, As2O3, Sb2O3 und CeO2 umfasst.
Die Glasmatrix ist somit vorzugsweise niedrig schmelzend, gut fließfähig
und benetzend.
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Weiterhin
können im Verfahrensschritt B) Ausgangsmaterialien für
die Funktionskomponente dispergiert und zu Pulver gemahlen werden,
wobei eine vollständige Homogenisierung erfolgt. Die so hergestellte
Pulvermischung wird nach der Trocknung bei 800°C bis 1400°C
gesintert. Das Ausgangsmaterial kann entsprechend den gewünschten
elektrischen Eigenschaften des Werkstoffes ausgewählt werden.
Das Pulver kann eine Korngröße von 5 bis 250 μm,
bevorzugt von 10 bis 45 μm aufweisen. Zur Herstellung des
Pulvers können Verfahren verwendet werden, die aus einer
Gruppe ausgewählt sind, die Agglomeration und Sprühtrocknung
umfasst. Durch die Sinterung des Pulvers kann sich die Mikrostruktur
ausbilden, um die elektrischen Eigenschaften wie beispielsweise
Raumtemperaturwiderstand, Bezugstemperatur, Heizwiderstand, Widerstandsanstieg
oder Span nungsfestigkeit des daraus hergestellten glasgebundenen
Werkstoffs zu gewährleisten.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird im Verfahrensschritt
C) aus der Glasmatrix und der Funktionskomponente ein Granulat hergestellt,
daraus eine Bauform gepresst und die Bauform bei 300°C
bis 950°C gesintert. Dabei kann durch geeignete Zerkleinerungsverfahren
eine Mahlung der Funktionskomponente auf eine Korngröße
im Bereich zwischen 1 mm und 10 μm, bevorzugt zwischen 250 μm
und 20 μm hergestellt werden. Weiterhin kann die Funktionskomponente
zusammen mit der Glasmatrix einer Mischmahlung unterzogen werden, um
eine nanoskalige mittlere Korngröße im Bereich von
0,05 bis 0,1 μm zu erzielen. Um den Sperrschichtabbau zwischen
den einzelnen Funktionskomponentenpartikeln zu fördern,
kann die Zugabe von unedlen Metallen wie beispielsweise Nickelpulver
zu der Mischung aus Funktionskomponente und Glasmatrix erfolgen.
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Weiterhin
kann die Funktionskomponente auch vor der Mischung mit der Glasmatrix
galvanisch vernickelt werden. Das so behandelte Pulver der Funktionskomponente
wird anschließend zusammen mit der bereits gemahlenen Glasmatrix
dispergiert. Die Herstellung des Granulats kann durch Verfahren durchgeführt
werden, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die Agglomeration,
Sprühtrocknung und Aufbaugranulierung umfasst. Weiterhin
kann das mittels Agglomeration hergestellte Granulat aus Funktionskomponente
und Glasmatrix zur Verbesserung des Sperrschichtabbaus anschließend
mit Verfahren wie Sputtern an der Oberfläche vernickelt
werden. Das mittels Agglomeration durch Sprühtrocknung oder
Aufbaugranulierung hergestellte Granulat wird zu monolithischen
Bauelementen verpresst. Dafür werden Verfahren angewendet,
die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die uniaxiales Trockenpressen
oder isostatisches Pres sen umfasst. In Abhängigkeit der Zusammensetzung
der verwendeten Glasmatrix wird anschließend die Mischung
aus Glasmatrix und Funktionskomponente bei Temperaturen zwischen 300°C
und 950°C gesintert. Je nach Bedarf kann dabei eine oxidierende
oder inerte Atmosphäre vorhanden sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann im Verfahrensschritt
C) aus der Glasmatrix, der Funktionskomponente und organischen Zusätzen
ein Schlicker hergestellt, der Schlicker zu Folien gegossen oder
gezogen und bei 300°C bis 900°C gesintert werden.
Die Verwendung eines Schlickers bewirkt rheologische Eigenschaften
der Mischung aus Glasmatrix und Funktionskomponente, die eine Verarbeitung
zu Folien ermöglicht. In Betracht kommen alle bekannten
Technologien zum Folienziehen oder Foliengießen. Weiterhin
kann eine Mischung aus Glasmatrix, Funktionskomponente und organischen
Zusätzen zur Herstellung einer siebdruckfähigen
Paste führen. Aus dem Schlicker werden zunächst
grüne keramische Folien gezogen. Die vorbereiteten Folien
werden dann gestapelt. Alternativ können die Folien aus dem
Schlicker zu Folien vergossen werden und gestapelt werden. Auch
die Verwendung von Pasten erlaubt die Herstellung von mehrschichtigen
Strukturen. Bei der Verwendung von Folien muss aufgrund des erhöhten
Anteils der Glasmatrix von bis zu 20 Ma% eine sehr langsame Entkohlung
vor der Sinterung stattfinden. Dies kann vor dem Sinterprozess oder
während der Aufheizphase bei der Sinterung erfolgen. Dabei
sind Temperaturen von 250°C bis 350°C notwendig.
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Es
wird weiterhin ein elektrisches Bauelement aufweisend einen Werkstoff
mit den oben genannten Eigenschaften angegeben. Weiterhin kann das
Bauelement einen gesinterten Körper aufweisen, der den
Werkstoff aufweist. Ein solches Bauelement kann beispielsweise ein
Scheiben-PTC-Bauelement sein.
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Es
wird weiterhin ein elektrisches Bauelement angegeben, das mehrere übereinander
liegende keramische Schichten aufweist, wobei zumindest eine Schicht
den Werkstoff enthält. Weiterhin kann das Bauelement durch
gemeinsames Sintern keramischer Folienschichten hergestellt werden.
Das Bauelement kann in einer weiteren Ausführungsform innen
liegende Elektroden enthaltend ein unedles Metall aufweisen. Das
Metall kann dabei aus einer Gruppe ausgewählt sein, die
Al, Zn, In, Ni, Cr, Cu, Ag und Mg umfasst. Die Versinterung von
unedlen Elektroden, die sich innen zwischen den Schichten befinden, wird
ermöglicht durch die Verwendung der niedrig schmelzenden
Glasmatrix als Bindematrix und den daraus resultierenden Sintertemperaturen
zwischen 300°C und 900°C. Somit können
durch die Verwendung von keramischen Folien aus einer Mischung aus
einer gesinterten Funktionskomponente und der Glasmatrix mehrschichtige
Strukturen mit innenliegenden metallischen Elektroden hergestellt
werden. Ein stapelweiser Aufbau wird dadurch ermöglicht. Damit
können Bauelemente mit niedrigen Widerständen
realisiert werden.
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Je
nach Anwendung können unterschiedlich dicke Schichten aus
dem Werkstoff erzeugt werden. Es können Schichtdicken zwischen
10 μm und 1 mm hergestellt werden. Bei der Verwendung von
nanoskaligen Pulvern für die Funktionskomponente wird es weiterhin
ermöglicht, sehr dünne Schichten herzustellen,
die je nach Anwendung Schichtdicken zwischen 5 μm und 0,5 μm
aufweisen. Die metallischen Elektroden können beispielsweise
mittels Siebdrucktechnik hergestellt werden. Weiterhin kann eine Mehrschichtstruktur
realisiert werden, in dem abwechselnd eine Paste enthaltend den
Werkstoff und eine Elektrodenpaste auf ein Substrat aufgebracht werden.
Die niedrige Sintertemperatur des Werkstoffs ermöglicht
die Integration in die LTCC-Technologie (Low Temperature Corified
Ceramics) beziehungsweise Vielschichttechnologie keramischer Bauelemente.
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Im
Folgenden werden bestimmte Ausführungsformen anhand von
Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren
näher erläutert.
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1 zeigt
die schematische Seitenansicht eines Bauelements mit dem Werkstoff.
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2 zeigt
die schematische Seitenansicht einer mehrschichtigen Struktur eines
Bauelements mit dem Werkstoff.
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Im
Folgenden werden Ausführungsbeispiele für die
Zusammensetzung der Glasmatrix aufgeführt.
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In
einem Ausführungsbeispiel kann sich die Glasmatrix aus
60 Ma% PbO und bis zu 5 Ma% K2O zusammensetzen.
Eine solche Glasmatrix ist alkaliarm.
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In
einer weiteren Variante kann sich die Glasmatrix aus einem SiO2 Anteil von 30 bis 60 Ma% zusammensetzen.
SiO2 dient hier als Netzwerkbildner. Weiterhin
kann die Glasmatrix Bi2O3 mit
einem Anteil von 15 bis 40 Ma% aufweisen. Al2O3 kann mit einem Anteil von 1 bis 15 Ma%
enthalten sein und verbessert die chemische Beständigkeit.
Als Flussmittel und zur Verringerung der Viskosität können
die Alkalioxide Na2O zwischen 1 und 20 Ma%
und K2O zwischen 5 und 20 Ma% vorhanden
sein, wobei der elektrische Widerstand der Glasmatrix mit steigendem
Alkaligehalt sinkt. Weiterhin kann die Glasmatrix bis zu 15 Ma%
Li2O aufweisen. Die Alkalioxide können
mit einem Anteil von 5 bis 20 Ma% in der Glasmatrix vorhanden sein.
Die Glasmatrix kann weiterhin Erdalkalien wie SrO zwischen 1 und
10 Ma% und/oder CrO zwischen 0,5 und 5 Ma% sowie MgO zwischen 0,1 und
5 Ma% aufweisen, welche die Schmelztemperatur absenken können.
BaO und SrO können mit einem Anteil von bis zu 15 Ma% in
der Glasmatrix vorhanden sein. Der Anteil aller Erdalkalioxide in
der Glasmatrix kann zwischen 2 und 20 Ma% betragen. Weiterhin kann
TiO2 mit bis zu 15 Ma%, ZnO, WO3 und/oder
MoO3 mit bis zu 10 Ma% vorhanden sein. Zur
Verbesserung der Qualität der Glasmatrix können
weiterhin Läutermittel wie NaCl, As2O3, Sb2O3 und
CeO2 vorhanden sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform umfasst die Glasmatrix einen
SiO2 Anteil von 20 bis 30 Ma%. TiO2 ist mit 20 bis 30 Ma% vorhanden und Na2O mit 30 bis 40 Ma%. Weiterhin kann die
Glasmatrix anstatt Na2O auch K2O
umfassen. Die Glasmatrix umfasst weiterhin BaO zwischen 5 und 15
Ma% und B2O3 und ZnO
mit bis zu 0,5 bis 5 Ma%.
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Die
Mischung aus Funktionskomponente und Glasmatrix kann beispielsweise
aus feindispersem SiO2 mit einer spezifischen
Oberfläche bis zu 200 m2/g entsprechend
dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Eine weitere
Variante ist die Herstellung einer Mischung aus Funktionskomponente
und Glasmatrix basierend auf nanoskaligen Rohstoffen und Kieselsäuresol
entsprechend den oben beschriebenen Verfahren. Bei der Sinterung
der Mischung aus Funktionskomponente und Glasmatrix kann die Atmosphäre
während der Sinterung variiert werden. Beispielsweise erfordert
der Einsatz von Nickelinnenelektroden die Sinterung in einer oxidierenden
Atmosphäre unter Luft, bevorzugt in einer inerten Atmosphäre
aus N2. Mischungen, die eine Sintertemperatur
von 450°C bis 950°C erfordern und Nickelelektroden
aufweisen, werden in einer reduzierenden Atmosphäre gesintert.
Bei der Verwendung von aluminiumenthaltenden Pasten für
die Innenelektroden in Kombination mit Mi schungen die bei 450°C
bis 950°C sintern, wird in einer oxidierenden Atmosphäre
gesintert und dabei ein hinreichender Sperrschichtabbau erzielt.
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Derart
hergestellte keramische Werkstoffe weisen spezifische elektrische
Widerstände bei Raumtemperatur zwischen 1 und 500000 Ωcm
auf, vorzugsweise zwischen 3 und 150000 Ωcm, und Bezugstemperaturen
zwischen 0°C und 350°C, vorzugsweise zwischen
80°C und 220°C. Der Temperaturkoeffizient des
elektrischen Widerstandes im Bereich der Bezugstemperatur des Materials
liegt dabei zwischen 5 und 35%/K, vorzugsweise zwischen 10 und 20%/K.
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Im
Folgenden werden zwei beispielhafte Verfahren zur Herstellung des
Werkstoffes aufgeführt.
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In
dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Funktionskomponente
aus folgenden Materialien hergestellt: BaCO3,
SrCO3, CaCO3, SiO2, TiO2, MnCl2, und YCl3. Diese
Rohstoffe werden homogenisiert und deagglomeriert. Die Elementarzusammensetzung
ist in Mol% (Molprozent) angegeben, wobei die Anteile der Elemente
Ba, Sr, Ca, Y und Mn auf 100% normiert sind und die Anteile TiO2 und SiO2 relativ
zu diesen 100% angegeben werden. Die stöchiometrische Zusammensetzung
ist wie folgt: Ba 77,5 Mol%, Ca 13 Mol%, Sr 9 Mol%, Si 2 Mol%, Y
0,4 Mol%, Mn 0,1 Mol% und TiO2 100,1 Mol%.
Diese Ausgangsstoffe werden gemischt und unter Zusatz von organischen
Bindern in Wasser dispergiert. Der Schlicker wird in einer Filterpresse
durch ein Filtertuch gepresst und im Trockenschrank getrocknet. Der
Filterkuchen wird bei einer Temperatur von 1100°C für
zwei Stunden kalziniert. Das Umsatzgut wird gebrochen, gesiebt und
danach unter Zusatz von organischen Binder in Wasser dispergiert
und auf eine mittlere Korngröße von 2,5 μm
in einer Ringspaltmühle gemahlen. Mittels Sprühtrocknung werden
die Granalien in einer kugeligen Form mit einem mittleren Granaliendurchmesser
von 50 μm im Gleichstromverfahren hergestellt. Die Sinterung
des Granulats wird bei 1350°C für eine Stunde
und einem Abkühlgradienten von 3 K/min unter Luft durchgeführt.
Nach der Abkühlung erfolgt eine schonende Mahlung auf eine
mittlere Korngröße von 10 μm.
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Aus
herkömmlichen Rohstoffen wird bei 1300°C ein Glas
im Keramiktiegel unter oxidierenden Bedingungen verschmolzen. Die
Schmelzen werden eine Stunde geläutert und anschließend
rasch abgekühlt. Nach der Abkühlung erfolgt eine
schonende Mahlung auf eine mittlere Korngröße
von 5 μm. Die Zusammensetzung in Ma% auf Oxidbasis ist
wie folgt: SiO2 52 Ma%, Al2O3 4,3 Ma%, Na2O 7
Ma%, K2O 6,4 Ma%, MgO 1 Ma%, CaO 2,1 Ma%,
BaO 1,3 Ma%, Bi2O3 26
Ma%.
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Die
Funktionskomponente wird anschließend mit der Glasmatrix
in einem Masseverhältnis von 85 zu 15 Ma% vermischt und
unter Zusatz von organischen Binder in Wasser dispergiert und auf eine
mittlere Korngröße von 8 μm in einer
Kugelmühle gemahlen. Mittels Sprühtrocknung werden
die Granalien in einer kugeligen Form mit einem mittleren Granaliendurchmesser
von 50 μm im Gleichstromverfahren hergestellt. Aus dem
so hergestellten Granulat werden Formkörper mit einem Durchmesser
von 10 mm und einer Dicke von 2 mm gepresst und anschließend
bei einer Temperatur von 600°C und einer Haltezeit von
20 Minuten in einer oxidierenden Atmosphäre gesintert.
Die glasgebundene Funktionskomponente wird anschließend
durch Sputtern mit einer Chrom-Nickel-Silber-Elektrode beschichtet. Der
Raumtemperaturwiderstand des Bauteils beträgt 10 Ωcm
und die Bezugstemperatur 80°C.
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel werden zur Herstellung
der Funktionskomponente folgende Rohstoffe homogenisiert und deagglomeriert: BaCO3, CaCO3, SiO2, TiO2, Mn-Acetat,
Dy-Acetat. Die Elementzusammensetzung ist im Mol% angegeben, wobei
die Anteile der Elemente Ba, Sr, Ca und Y und Mn auf 100% normiert
sind und die Aneile TiO2 und SiO2 relativ zu diesen 100% angegeben werden. Die
stöchiometrische Zusammensetzung ist wie folgt: Ba 84,74
Mol% Ca 15 Mol%, Si 2 Mol%, Dy 0,25 Mol%, Mn 0,01 Mol% und TiO2 100 Mol%.
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Bei
den Ausgangsstoffen handelt es sich um Nanopulver mit einer spezifischen
Oberfläche von 300 m2/g bei einer
mittleren Korngröße von 15 nm für TiO2 bis 10 m2/g bei
einer mittleren Korngröße von 170 nm für
BaCO3. Die gesamten Rohstoffe werden gemischt
und unter Zusatz von organischen Binder in Wasser dispergiert. Die
Rohstoffsuspension wird anschließend sprühgefriergranuliert,
gefriergetrocknet und als Pulververschüttung bei einer
Temperatur von 950°C für zwei Stunden kalziniert.
Die mittlere Primärkorngröße des Umsatzgutes
nach der Kalzinierung beträgt etwa 0,1 μm. Das
Umsatzgut wird unter Zusatz von organischen Binder in Wasser und
dem Einsatz einer Kugelmühle dispergiert. Mittels Sprühtrocknung
werden die Granalien in einer kugeligen Form mit einem mittleren
Granaliendurchmesser von 50 μm im Gleichstromverfahren
hergestellt. Die Sinterung des Granulats wird bei 1350°C
für eine Stunde und einem Abkühlgradienten von
3 K/min unter Luft durchgeführt. Nach der Abkühlung
erfolgt eine schonende Mahlung auf eine mittlere Korngröße von
0,5 μm.
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Aus üblichen
Rohstoffen wird bei 1280°C ein Glas unter oxidierenden
Bedingungen erschmolzen, 30 Minuten geläutert, 15 Minuten
bei 1100°C gerührt und anschließend rasch
abgekühlt. Nach der Abkühlung erfolgt eine Mahlung
auf eine mittlere Korngröße von 0,5 μm.
Die Zusammensetzung in Ma% auf Oxidbasis ist wie folgt: SiO2 46 Ma%, B2O3 20 Ma%, Al2O3 2 Ma%, Li2O 4 Ma%,
Na2O 8 Ma%, K2O
4 Ma%, CaO 1 Ma%, BaO 2 Ma%, ZnO 9 Ma%, TiO2 4
Ma%. Zusätzlich werden 0,2 Ma% Sb2O3 als Läutermittel zugegeben.
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Die
Funktionskomponente wird zusammen mit der niedrig schmelzenden Glasmatrix
unter Zusatz von organischem Binder und Lösungsmittel einer
Nassaufbereitung unter Verwendung einer Kugelmühle unterzogen
und auf eine mittlere Korngröße von 0,05 μm
gemahlen. Der Anteil der Glasmatrix beträgt 10 Ma% bezogen
auf den Feststoffgehalt im Schlicker.
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Mittels
Folienziehtechnik werden Folien mit einer Dicke von 20 μm
hergestellt. Die Folien werden anschließend mittels Siebdruck
mit Aluminiumpaste beschichtet. Mehrere Rohfolien werden laminiert,
so dass die freiliegenden Stellen der Schichten der leitenden Paste
abwechselnd an beiden Seiten liegen. An der Unter- und Oberseite
werden reine Keramikfolien als Deckschichten laminiert. Das Laminat
wird anschließend mit einem Pressdruck von 100 t (90 MPa)
90 s bei einer Temperatur von 35°C gepresst. Das Laminat
wird auf 280°C erhitzt, um den Binder zu auszubrennen.
Die anschließende Sinterung erfolgt bei 850°C
und einer Haltezeit von 10 Minuten in oxidierender Atmosphäre.
Der Raumtemperaturwiderstand des Bauteils beträgt 0,1 Ω und
die Bezugstemperatur 120°C.
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Ein
Beispiel für ein Bauelement, das den Werkstoff aufweist,
ist in 1 in Form einer schematischen Seitenansicht gezeigt.
Bei dem Bauelement kann es sich um ein Scheiben-PTC-Bauelement handeln,
das einen gesinterten Körper 1, zwei Elektroden 2 und
Anschlüsse 3 umfasst. Der gesinterte Körper 1 umfasst
den Werkstoff in einer seiner oben beschriebenen Aus führungsformen.
Die Elektroden 2 und Anschlüsse 3 dienen
zur elektrischen Kontaktierung und können aus beliebigen,
elektrisch leitfähigen Materialien gebildet sein.
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2 zeigt
die schematische Seitenansicht eines mehrschichtigen Bauelements,
das den Werkstoff aufweist. Hier sind die übereinander
geschichteten keramischen Folien 5 gezeigt, zwischen denen sich
innen liegende Elektroden 4 befinden. Als Außenelektroden
dienen die außenliegenden Beschichtungen 6, an
die die elektrischen Anschlüsse 3 angeschlossen
sind. Die Materialien der Schichten 5 und der Innenelektroden 4 umfassen
eine der oben genannten Ausführungsformen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3107290
C2 [0003]
- - DE 10245106 A1 [0003]