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Die
Erfindung betrifft ein thermisches und elektrisches Kontaktmaterial
mit mindestens zwei Materialbestandteilen. Außerdem betrifft die Erfindung
eine Verwendung des Kontaktmaterials.
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Unter
einem thermischen und elektrischen Kontaktmaterial wird hier ein
Material verstanden, das sowohl eine hohe thermische als auch eine
hohe elektrische Leitfähigkeit
hat. Insbesondere liegt die Wärmeleitzahl
eines derartigen Kontaktmaterials bei mindestens 10 W/mK bei 20°C und die
elektrische Leitfähigkeit
bei mindestens 1 (Ωcm)–1.
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Die
Stromübertragung
an Übergängen zwischen
verschiedenen Bauteilen, z. B. zwischen Kabeln und/oder Stromschienen
ist oftmals schwierig, da aufgrund einer beschränkten Kontaktfläche ein großer Kontaktwiderstand
und in Folge davon hohe thermische Verluste auftreten können. An
der elektrischen Kontaktstelle kommt es zu einer hohen thermischen
Belastung, die noch größer wird,
wenn über die
Kontaktstelle zusätzlich
gezielt Wärme übertragen
werden soll. Diese Situation ist z. B. bei einem Stromrichter mit
potentialbehafteten Kühlflächen, wie beispielsweise
bei einem Thyristorstromrichter, gegeben. Weiterhin lässt die
im Laufe der Zeit einsetzende Korrosion die Kontaktwiderstände und
damit die Verluste ansteigen. Aufgrund einzuhaltender technischer
und konstruktiver Vorgaben ist somit oft eine Leistungsbeschränkung der
elektrischen Anlage nötig,
um eine Überlastung
zu vermeiden.
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Für das thermische
und elektrische Leitvermögen
einer Kontaktstelle sind die Kontaktflächengröße, -geometrie und -materialien
sowie die Art der Verbindung wichtige Einflussgrößen. Je unterschiedlicher die
zu verbindenden Materialien z. B. bei einer Schraub- oder Steckverbindungen
sind, umso schlechter sind das Strom- und Wärmeleitvermögen.
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Zur
Reduzierung der thermischen Belastung sind bisher z. B. die Kontaktflächen überdimensioniert
worden. Dies senkt den Kontaktwiderstand, verursacht aber einen
hohen Material- und Kostenaufwand sowie ein großes Bauvolumen. Auch die grundsätzlich ebenfalls
geeignete Zwangskühlung
von Kontaktstellen ist aufwändig.
Zusätzlich
vorgesehene Kontaktfette sollen korrosionsbedingte Widerstandserhöhungen bei
langen Betriebszeiten verhindern.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein thermisches und
elektrisches Kontaktmaterial der eingangs bezeichneten Art anzugeben,
das in einfacher Weise eine geringe thermische Belastung einer elektrischen
Kontakt- oder Verbindungsstelle ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 1. Bei dem erfindungsgemäßen thermischen und elektrischen Kontaktmaterial
handelt es sich um ein solches, bei dem als ein erster Materialbestandteil
ein fetthaltiges Matrixgrundmaterial vorgesehen ist, als ein zweiter Materialbestandteil
ein Verdickungsstoff vorgesehen ist, als ein dritter Materialbestandteil
längliche,
jeweils eine Faserlängsrichtung
aufweisende thermisch und elektrisch leitfähige Fasern, die jeweils in Richtung
ihrer Faserlängsrichtung
eine größere thermische
und elektrische Leitfähigkeit
haben als in einer anderen Richtung, vorgesehen sind, und der Verdickungsstoff
sowie die thermisch und elektrisch leitfähigen Fasern gleichmäßig verteilt
innerhalb des fetthaltigen Matrixgrundmaterials angeordnet sind.
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Das
erfindungsgemäße thermische
und elektrische Kontaktmaterial zeichnet sich aufgrund der Verwendung
der als zweiter Materialbestandteil vorgesehenen Fasern durch ein
besonders hohes elektrisches und vor allem auch thermisches Leitvermögen aus.
Aufgrund der hervorragenden intrinsischen Wärmeein- und -ableitfähigkeit des Kontaktmaterials
wird an einer elektrischen Kontaktstelle anstehende oder dort gebildete
Wärme rasch
aufgenommen und/oder abtransportiert. Hierzu sind insbesondere keine
aufwändigen
externen Zusatzmaßnahmen
zur Kühlung
erforderlich. Dank der guten Materialeigenschaften bewirkt das erfindungsgemäße Kontaktmaterial
also eine thermische Entlastung der elektrischen Kontakt- oder Verbindungsstelle.
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Darüber hinaus
führt die
hohe elektrische Leitfähigkeit
der Fasern und damit des Kontaktmaterials insgesamt auch zu einer
günstigen
Reduzierung der erzielbaren Kontaktwiderstände, wodurch eine zusätzliche
thermische Entlastung der Kontaktstelle resultiert.
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Außerdem dient
der als dritter Materialbestandteil vorgesehene Verdickungsstoff
auch zur Stabilisierung des insbesondere auf Basis eines Fetts oder
eines fetten Öls
hergestellten Matrixgrundmaterials. Letzteres ist somit über einen
sehr großen Temperatureinsatzbereich
stabil. Insbesondere kommt es zu keiner Verflüssigung des fetthaltigen Matrixgrundmaterials
und/oder zu keiner Trennungs- oder Entmischungsreaktion zwischen
dem fetthaltigen Matrixgrundmaterial und dem thermisch und elektrisch
leitfähigen
Faser-Füllstoff.
Bei Temperaturen innerhalb des weiten Temperatureinsatzbereichs entfernt
sich Weder das fetthaltige Matrixgrundmaterial noch der für das thermische
und elektrische Verhalten verantwortlichen Faser-Füllstoff
sich von dem ursprünglichen
Aufbringungsort. Es findet auch nach langer Betriebszeit kein Wegfließen, Verdampfen oder „Ausbluten" von Bestandteilen
des erfindungsgemäßen Kontaktmaterials
statt. Somit bleibt das günstige
thermische Verhalten, das vor allem auch zu der thermischen Entlastung
der Kontaktstelle beiträgt,
dauerhaft gewährleistet.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen thermischen und elektrischen
Kontaktmaterials ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch
1 abhängigen
Ansprüche.
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Günstig ist
eine Variante, bei der das fetthaltige Matrixgrundmaterial auf einem
tierischen, pflanzlichen oder synthetischen Öl basiert. Insbesondere kann
es sich bei dem Öl
um ein Perfluorpolyetheröl, ein
Polyesteröl,
ein Polyolefinöl,
ein Silikonöl
oder ein Etheröl
handeln. Grundsätzlich
kann für
das fetthaltige Matrixgrundmaterial aber auch eine Fettbasis vorgesehen
sein, z. B. ein Fluorcarbonfett. Diese Grundsubstanzen sind frei
verfügbar.
Zugleich eignen sie sich sehr gut zur Herstellung eines hochwertigen Kontaktmaterials,
das das außergewöhnlich gute Strom-
und Wärmetransportverhalten über einen weiten
Temperatureinsatzbereich aufweist.
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Weiterhin
umfasst der Verdickungsstoff vorzugsweise mindestens einen Stoff
der Gruppe aus Graphit, insbesondere in Plättchenform, Molybdändisulfid
(MoS2), einem seifenartigen Stoff, einem
Harnstoff, einem Polyharnstoff, einem Harzstoff, einem Siliciumdioxid
und einem Fluorkohlenstoffpulver. Dies begünstigt die Stabilität über den
weiten Temperatureinsatzbereich.
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Grundsätzlich kann
das Kontaktmaterial weitere Additive zur gezielten Einstellung bestimmter Zusatzeigenschaften
umfassen. So können
insbesondere auch Metalldeaktivatoren, Rostschutzmittel, Antioxidationsmittel
und/oder Viskositätsindexverbesserer
zugemischt sein.
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Vorzugsweise
hat das Kontaktmaterial außerdem
einen Temperatureinsatzbereich von mindestens zwischen –20°C und +120°C, vorzugsweise von
zwischen –50°C und +350°C. Damit
werden die sehr viele der in der Praxis vorkommenden Anwendungsfälle elektrischer
Kontakt- oder Verbindungsstellen abgedeckt.
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Bevorzugt
bestehen die Fasern aus einem metall- oder kohlenstoffhaltigen Material.
Diese Stoffe haben eine sehr gutes thermisches Absorptions- und
Transportverhalten. Außerdem
leiten sie den elektrischen Strom sehr gut. Denkbare kohlenstoffhaltige
Materialien sind Kohlenstofffasern oder Kohlen stoffnanofasern. Bei
dem metallhaltigen Material kann es sich z. B. um Silber, Kupfer
oder Aluminium handeln.
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Günstig ist
es insbesondere, wenn die Fasern als Kohlenstoffnanofasern ausgeführt sind,
die vorzugsweise eine senkrecht zu der Faserlängsrichtung orientierte Ausdehnung
von höchstens
einigen 100 nm, insbesondere von höchstens 200 nm, haben. In der
Faserlängsrichtung
ist die Längsabmessung
dagegen insbesondere weitgehend beliebig. Die Länge kann sich zwischen einigen
Nanometern bis zu vielen Mikrometern, z. B. 20 μm bis 100 μm, bewegen. Auch noch längere Kohlenstoffnanofasern sind
grundsätzlich
vorstellbar. Die Kohlenstoffnanofasern können ein- und/oder mehrwandige
Röhren enthalten,
die offen oder geschlossen vorliegen können. Außerdem können sie leer oder gefüllt sein.
Diese Kohlenstoffnanofasern (= Kohlenstoffnanoröhrchen) haben sehr günstige mechanische,
elektrische und thermische Eigenschaften. Besonders günstig ist die
sehr hohe Wärmeleitfähigkeit,
sodass mittels eines mit solchen Kohlenstoffnanofasern realisierten Kontaktmaterials
eine sehr gezielte und schnelle Ab- oder Einleitung von Konvektions-,
Strahlungs- oder Wärmeenergie
sowie eine sehr guter Wärmetransport
möglich
sind. Neben den günstigen
thermischen Eigenschaften, wie außergewöhnlich gutem Wärmetransport
und guter Wärmeeinkopplung,
bewirken die Kohlenstoffnanofasern in dem Matrixverbund mit dem
fetthaltigen Matrixgrundmaterial auch sehr gute elektrische Eigenschaften,
wie eine hohe elektrische Leitfähigkeit.
Je nach Anwendungsfall und je nach vorgesehenem Matrixgrundmaterial
kann die Konzentration der Kohlenstoffnanofasern im Kontaktmaterial über einen
weiten Bereich variieren. Der Gewichtsanteil der Kohlenstoffnanofasern
kann sich insbesondere zwischen 10% und 90% bewegen.
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Gemäß einer
weiteren günstigen
Ausgestaltung sind die Fasern als Metalldrahtelemente ausgeführt. Die
Metalldrahtelemente bestehen insbesondere aus Silber, Aluminium
oder Kupfer. Diese Metalle haben eine gute thermische und elektrische
Leitfähigkeit,
so dass Fasern in Form von Drahtelementen aus diesen Metallen auch
bei dem Kontaktmaterial zu einem dementsprechend guten Verhalten
führen.
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Vorteilhaft
ist außerdem
eine Variante, bei der die Fasern beschichtet sind, sowie ein Fasergrundmaterial
und mindestens ein auf das Fasergrundmaterial aufgebrachtes Faserbeschichtungsmaterial
umfassen. Als Faserbeschichtungsmaterial ist dabei insbesondere
mindestens ein Material der Gruppe aus einem Glas, einem Glasschaum,
einem Metall, insbesondere Kupfer und Aluminium, einem Metallschaum,
einem thermosplastischen Kunststoff, einem Silikon, einem Acrylen
und einem Polyacrylen vorgesehen. Eine derartige Beschichtung des
Fasergrundmaterials bewirkt zusätzliche
günstige
Materialeigenschaften. Insbesondere kann diese Beschichtung als
Haftvermittler, als metallischer Leiter, als mechanisches Stützgerüst oder
als zusätzliches
thermisches bzw. elektrisches Übertragungselement
verwendet werden. Das Faserbeschichtungsmaterial kann beispielsweise
unter hohem Druck ein Fließverhalten
aufweisen, sodass es als Haftverbindungsschicht zwischen einzelnen
Fasern oder zwischen den Fasern und dem Matrixgrundmaterial dient.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verwendung eines
thermischen und elektrischen Kontaktmaterials der eingangs bezeichneten Art
anzugeben, sodass eine elektrische Kontakt- oder Verbindungsstelle
thermisch nur gering belastet wird.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des Patentanspruchs 10. Erfindungsgemäß ist eine
Verwendung des vorstehend beschriebenen Kontaktmaterials so vorgesehen,
dass das Kontaktmaterial zur Bildung einer thermisch und elektrisch leitfähigen Zwischenschicht
zwischen zwei Kontaktflächen
einer elektrischen Kontakt- oder Verbindungsstelle eingebracht wird,
beispielsweise zwischen einer Kontaktklemme oder einem Kabelschuh und
einem elektrisch und thermisch zu kontaktierenden Gegenstück. Die
Zwischenschicht bildet dabei einen Strom- und Wärmepfad zwischen den beiden Kontaktflächen. Auf grund
des pastösen
Verhaltens des Kontaktmaterials wird der Zwischenraum zwischen den
Kontaktflächen
praktisch vollständig
mit dem Kontaktmaterial befüllt.
Insbesondere verbleiben keine unbefüllten Hohlräume, die ansonsten das elektrische
und thermische (Übergangs-)Verhalten der
Kontaktstelle verschlechtern würden.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines thermischen und elektrischen Kontaktmaterials hat als Matrixgrundmaterial
ein temperaturbeständiges
Fett auf Basis eines insbesondere synthetischen Öls, dem als thermisch und elektrisch
leitfähiger
Füllstoff
Kohlenstoffnanofasern (= Kohlenstoffnanoröhrchen) in einer Konzentration
von etwa 20% bis 40%, beispielsweise von etwa 30%, und als Verdickungsstoff
Graphitplättchen
oder Molybdändisulfid
(MoS2) in einer Konzentration von etwa 20%
bis 40% zugesetzt sind. Die Kohlenstoffnanofasern und der Verdickungsstoff
werden dem fetthaltigen Matrixgrundmaterial zugemischt, beispielsweise
mittels eines Walz-, Knet- und/oder Rührvorgangs. Es resultiert eine
homogene Durchmischung.
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Beim
dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
kann als Matrixgrundmaterial eines der im Folgenden genannten hoch
temperaturbeständigen Fette
verwendet werden:
- – Fett mit der Produktbezeichnung „Bardahl H.T.X." der Firma Sadaps
Bardahl Corporation, Frankreich, mit einem Temperatureinsatzbereich von –20°C bis +350°C,
- – Fett
mit der Produktbezeichnung „Chesterton 615" der Firma Chesterton
Company, USA, mit einem Temperatureinsatzbereich von –40°C bis +204°C,
- – Fett
mit der Produktbezeichnung „OKS
416" der Firma OKS
Spezialschmierstoffe GmbH, Deutschland, mit einem Temperatureinsatzbereich
von –50°C bis +120°C, und
- – Fett
mit der Produktbezeichnung „Noran
HTS 2" der Firma
Rhenus Lub GmbH, Deutschland, mit einem Temperatureinsatzbereich
von –30°C bis +300°C.
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Ein
auf Basis eines dieser Fette realisiertes Kontaktmaterial hat einen
Temperatureinsatzbereich, der sich über eine Temperaturdifferenz
von mindestens 170°C
erstreckt. Tiefste Einsatztemperaturen reichen bis zu –50°C, höchste Einsatztemperaturen bis
zu +350°C.
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Die
verwendeten Kohlenstoffnanofasern können als ein- und/oder mehrwandige,
offene und/oder geschlossene, leere und/oder gefüllte Röhren ausgeführt sein. Jedenfalls zeichnen
sie sich durch eine außergewöhnlich hohe
thermische und hohe elektrische Leitfähigkeit in Richtung ihrer Faserlängsrichtung
(= z-Achsenrichtung der Röhren)
aus. Als Kohlenstoffnanofasern kommen z. B. die Fasern mit der Produktbezeichnung „Baytube
C 150P" von der
Firma Bayer AG sowie die Fasern mit der Produktbezeichnung „HTF 150FF" von der Firma Electrovac
AG in Frage.
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Diese
Fasern weisen einen sehr niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand
von etwa 10–3 Ω/cm und
eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit von
typischerweise mehr als 600 W/mK und von insbesondere bis zu 6500
W/mK auf der Faser auf. Im Labor wurden auch schon Kohlenstofffasern
mit einer Wärmeleitfähigkeit
von etwa 10000 W/mK realisiert. Die Fasern mit besonders hohen thermischen
Leitwerten sind überwiegend
Nanofasern. Auch bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden diese
besonders günstigen
Kohlenstoffnanofasern eingesetzt, die auch als Carbonnanofasern
(engl. „Carbon
Nano Tubes" oder
abgekürzt „CNT") bezeichnet werden.
Dabei haben diese Kohlenstoffnanofasern einen Innendurchmesser von
mindestens 1 nm, einen Außendurchmesser
von mindestens 5 nm und eine Faserlänge in der Faserlängsrichtung
von mindestens 20 nm. Solche Kohlenstoffnanofasern haben eine sehr
große
Oberflächenstruktur.
Das Verhältnis ihrer
geometrischen Oberfläche
zu ihrem Gewicht liegt bei bis zu 400 m2/g.
Damit eignen sie sich sehr gut zur Einkopplung verschiedener Energieformen.
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Die
mittels des Kontaktmaterials zwischen zwei Kontaktflächen einer
elektrischen Kontakt- oder Verbindungsstelle eingebrachte oder auf
eine solche Kontaktfläche
aufgebrachte Schicht kann eine Schichtstärke von wenigen Nanometern
bis zu mehreren Millimetern haben. Die als Untergrund dienende Kontaktfläche kann
aus einem weitgehend beliebigen Material, beispielsweise aus einem
Metall oder einer Metallverbindung, bestehen. Die Materialauswahl
für den
Untergrund kann dabei ausschließlich nach
den sonstigen Anforderungen an die Kontaktstelle erfolgen.
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Das
Kontaktmaterial hat sowohl ein günstiges
elektrisches und als auch ein günstiges
thermisches Leitvermögen.
Das Kontaktmaterial ermöglicht insbesondere
aufgrund der verwendeten Kohlenstoffnanofasern gegenüber den
bisherigen Lösungen einen
deutlich verbesserten und über
eine lange Betriebsdauer hinweg gleich bleibend stabilen Strom- und
Wärmtransport über die
Kontaktstelle.
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Dank
des durch das fettige Matrixgrundmaterial hervorgerufenen pastösen Verhaltens
lassen sich mit dem Kontaktmaterial Unebenheiten an den Kontaktflächen der
Kontaktstelle ausgleichen. Das Kontaktmaterial füllt solche Unebenheiten problemlos
aus, sodass auch an solchen Stellen eine gute Strom- und Wärmeleitung
gewährleistet
ist. Dieser Ausgleich von Unebenheiten führt ebenso wie die Verfüllung von
Hohlräumen
zwischen den Kontakt- oder Verbindungsflächen zu einer Vergrößerung der effektiven
Strom- und/oder Wärmeübertragungsfläche und
damit zu einer geringeren thermischen Belastung der Verbindungs-
bzw. Kontaktflächen.
Letztere befinden sich insbesondere an Stromanschlusskontakten elektrischer
Bauelemente oder an Kopplungsstellen zwischen zwei stromübertragenden Bauelementen,
wie sie z. B. bei Kabelverbindungen oder Stromschienenanordnungen
vorkommen.
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Weiterhin
wird insbesondere auch aufgrund des engen Verbunds des Kontaktmaterials
mit den Kontaktflächen
einer elektrischen Kontaktstelle, an der das Kontaktmaterial zum
Einsatz kommt, ein Langzeitschutz der Kontaktflächen gegen Korrosion erreicht.
Zusätzlich
ist die Zugabe eines Rostschutzstoffes möglich.
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Die
mittels des Kontaktmaterials gebildeten Oberflächen dienen hauptsächlich der
Zu-/Ableitung und der Übertragung
von Strom und Wärmeenergie innerhalb
einer elektrischen Anlage. Außer
der guten Stromtragfähigkeit
bietet das Kontaktmaterial insbesondere die Möglichkeit Konvektions-, Strahlungs- oder
leitungsgebundene Wärmeenergie
schnell von elektrischen Bauelementen abzuleiten oder in solche Bauelemente
einzuleiten.
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Aufgrund
der guten elektrischen Leitfähigkeit des
Kontaktmaterials reduziert sich verglichen mit herkömmlichen
Kontaktmaterialien der erzielbare Kontaktwiderstand. Dadurch verringert
sich die thermische Belastung der elektrischen Kontakt- oder Verbindungsstelle.
Die zudem sehr gute thermische Leitfähigkeit des Kontaktmaterials
trägt zusätzlich zu
der Reduzierung der thermische Belastung bei. Insgesamt erhöht sich
die Leistungsfähigkeit
der elektrischen Kontakt- oder Verbindungsstelle deutlich, sodass
die Materialquerschnitte an den Kontaktflächen verkleinert werden können. Dies
führt zu
Material- und Kosteneinsparungen.
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Mittels
des Kontaktmaterials lassen sich also sehr vorteilhafte elektrische
Kontakte oder Verbindungen realisieren. Derartige elektrische Kontaktstellen
umfassen mindestens zwei Kontaktflächen, zwischen denen sich im
endmontierten Zustand eine Zwischenschicht aus dem Kontaktmaterial
befindet. Die elektrische Kontaktstelle zeichnet sich durch eine dauerhaft
hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit aus, die wesentlich
durch die diesbezüglich
sehr günstigen
Eigenschaften des Kontaktmaterials bestimmt ist.