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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 verhindern.
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Aber
auch die zur Verbesserung der Kontaktwiderstände verwendeten Kontakt- oder
Wärmeleitpasten
haben ihre Grenzen bezüglich
des Strom- und Wärmeleitvermögens. Diese
Pasten bestehen aus einem Basismaterial meist auf Parafinöl- oder
Fettbasis, dem wärmeleitfähige Füllstoffe
z. B. aus Zinkoxid, Kupfer oder Silber zugemischt sind. Diese metallischen
Füllstoffe
rufen ungünstige
Langzeitfolgen hervor. So beginnen sie unter Temperatur- und Druckeinwirkung
zu fließen,
d. h. sie entfernen sich von dem ursprünglichen Aufbringungsort. Außerdem kann
es mit der Zeit und bei hohen Temperaturen zu einem Verdampfen flüssiger oder
flüchtiger
Bestandteile der Pasten kommen, sodass sich auch hierdurch die Eigenschaften
der Paste verschlechtern.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein thermisches und
elektrisches Kontaktmaterial der eingangs bezeichneten Art anzugeben,
das einfach an die jeweilige Applikation angepasst werden kann und
ein dauerhaft stabiles thermisches und elektrisches Leitvermögen an elektrischen
Kontakt- oder Verbindungsstellen gewährleistet.
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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 der erste Materialbestandteil
ein Phasenwechselmaterial ist, das ursprünglich einen flüssigen oder pastösen ersten
Phasenzustand hat und irreversibel in einen festen elas tischen zweiten
Phasenzustand überführbar ist,
der zweite Materialbestandteil durch einen thermisch und elektrisch
leitfähigen
Füllstoff gebildet
ist, und der thermisch und elektrisch leitfähige Füllstoff dem Phasenwechselmaterial
in dessen erstem Phasenzustand zugemischt wird und innerhalb des
Phasenwechselmaterials gleichmäßig verteilt
angeordnet ist.
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Das
erfindungsgemäße thermische
und elektrische Kontaktmaterial vereint die Vorteile eines flüssigen und
eines festen Werkstoffs. Im ersten flüssigen oder pastösen Phasenzustand
des Phasenwechselmaterials verhält
sich das erfindungsgemäße Kontaktmaterial
wie eine herkömmliche
Kontaktpaste. Es lässt
sich sehr gut in einen Zwischenraum zwischen zwei Kontaktflächen einer
elektrischen Kontaktstelle einbringen. Aufgrund seines in diesem
ersten Phasenzustand noch gegebenen Fließverhaltens füllt das
Phasenwechselmaterial, dem der thermisch und elektrisch leitfähige Füllstoff
zugesetzt ist, den Zwischenraum vollständig aus. Insbesondere auch ansonsten
nur schwer zugängliche
Hohlräume
werden praktisch komplett verfüllt.
Gegebenenfalls vorhandene Unebeneinheiten an den Kontaktflächen werden
ebenfalls automatisch mit erfasst und vollständig durch das erfindungsgemäße Kontaktmaterial
ausgeglichen.
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Im
zweiten Phasenzustand des Phasenwechselmaterials, also dem festen,
insbesondere elastischen oder elastisch-plastischen Phasenzustand,
verhält
sich das erfindungsgemäße Kontaktmaterial
dagegen wie ein fester Stoff. Insbesondere kann es aufgrund der
festen Einbettung des Füllstoffs in
das dann ausgehärtete
elastische Phasenwechselmaterial auch nach einer thermomechanischen Beanspruchung
und/oder nach einer gewissen Betriebszeit zu keiner Trennungs- oder
Entmischungsreaktion zwischen dem Phasenwechselmaterial und dem
thermisch und elektrisch leitfähigen
Füllstoff kommen.
Weder das Basismaterial, also das Phasenwechselmaterial, noch der
für das
thermische und elektrische Verhalten verantwortliche Füllstoff können sich
von dem ursprünglichen
Aufbringungsort entfernen. Es findet auch nach langer Betriebszeit kein
Wegfließen,
Ver dampfen oder „Ausbluten" von Bestandteilen
des erfindungsgemäßen Kontaktmaterials
statt. Der vorzugsweise erst vor Ort, also nach dem Befüllen des
Zwischenraums zwischen den Kontaktflächen mit dem Kontaktmaterial
in seinem ersten Phasenzustand, eingeleitete Phasenübergang
ist irreversibel, d. h. nicht umkehrbar. Der Phasenübergang
ist nur einmal möglich – und zwar
in Richtung vom flüssigen
in den festen Zustand. Hat dieser Wechsel stattgefunden, ist der
zweite Phasenzustand dauerhaft stabil. Bei dem erfindungsgemäßen Kontaktmaterial
ist somit ein gleich bleibend gutes thermisches und elektrisches
Leitvermögen über eine
lange Betriebszeit hinweg 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 Phasenwechselmaterial mittels einer Energiezufuhr
vom ersten in den zweiten Phasenzustand überführbar ist. Eine solche Energiezufuhr
ist beispielsweise mittels einer Mikrowellen-, Licht-, Ultraschall- oder Wärmeeinstrahlung
problemlos möglich.
Bevorzugt ist das Phasenwechselmaterial mittels einer Erwärmung über eine
Schwelltemperatur vom ersten in den zweiten Phasenzustand überführbar. Eine
solche Erwärmung über eine
Schwelltemperatur, ab der der Phasenwechsel bei dem Phasenwechselmaterial
abläuft, ist
besonders einfach zu bewerkstelligen.
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Weiterhin
kann das Phasenwechselmaterial vorzugsweise auch aus zwei oder mehr
Phasenwechselmaterialkomponenten zusammenmischbar und mittels einer
physikalischen oder chemischen Reaktion nach einem Zusammenbringen
der mindestens zwei Phasenwechselmaterialkomponenten vom ersten
in den zweiten Phasenzustand überführbar sein.
Auch die Aushärtung
eines Mehrkomponentenmaterials durch Zusammenbringen der Materialkomponenten
lässt sich
einfach und ohne großen
technischen Aufwand realisieren.
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Gemäß einer
anderen günstigen
Variante besteht das Phasenwechselmaterial aus einem viskosen, tixotropen
oder vernetzenden Material. Derartige Materialien haben die vorteilhafte
Eigenschaft, nach Einleitung eines Aushärtungsvorgangs, also des Phasenwechselvorgangs,
aus einer flüssigen Ausgangsmaterialstruktur
eine feste, elastische bis plastische Endmaterialstruktur zu bilden.
Vorzugsweise ist das Phasenwechselmaterial ein silikon-, polyacrylat-,
epoxydharz- oder polyurethanhaltiges Material. Solche Materialien
haben zum einen das gewünschte
Phasenwechselverhalten und sind zum anderen am Markt frei verfügbar.
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Vorzugsweise
ist es außerdem
vorgesehen, dass der thermisch und elektrisch leitfähige Füllstoff Partikelform
hat und einen mittleren Partikeldurchmesser von bis zu 100 μm aufweist.
Bei einem solchen partikelförmigen
Füllstoff
handelt es sich insbesondere um einen herkömmlichen Füllstoff, wie er auch bei bisher
bekannten Wärmeleit-
oder Kontaktpasten zum Einsatz kommt. Die Partikel des thermisch
und elektrisch leitfähigen
Füllstoffs
bestehen vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer, Silber oder Graphit.
Diese Materialien haben eine sowohl thermisch als auch elektrisch
gute Leitfähigkeit.
Ihre Wärmeleitzahlen
bewegen sich typischerweise im Bereich zwischen einigen 10 und einigen
100 W/mK bei 20°C.
Ihre elektrische Leitfähigkeit
beträgt
jeweils mindestens 1 (Ωcm)–1.
Zugleich sind die genannten Materialien preiswert verfügbar. Dies
gilt insbesondere auch für
Füllstoffe
mit der angegebenen Partikelgröße. Füllstoffpartikel
bis zu der genannten bevorzugten Durchmesserobergrenze lassen sich
sehr gut und gleichmäßig innerhalb
des Phasenwechselmaterials verteilen, sodass das Kontaktmaterial
ein homogen verteiltes thermisches und elektrisches Leitvermögen hat.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Variante ist der thermisch und elektrisch
leitfähige
Füllstoff
des zweiten Materialbestandteils durch 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, gebildet. Derartige faserförmige Füllstoffe zeichnen
sich durch ein gutes thermisches, elektrisches sowie mechanisch
und chemisch stabiles Verhalten aus.
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Bevorzugt
bestehen die Fasern aus einem metall-, kohlenstoff- oder keramikhaltigen
Material. Diese Stoffe haben eine sehr gutes thermisches Absorptions-
und Transportverhalten. Außerdem
leiten sie den elektrischen Strom sehr gut. Als keramikhaltiges
Material kommt beispielsweise eine Siliciumcarbid (SiC)- oder eine
Molybdändisilicid
(MoSi2)-Keramik in Frage. Denkbare kohlenstoffhaltige
Materialien sind Kohlenstofffasern oder Kohlenstoffnanofasern. 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
Phasenwechselmaterial auch sehr gute elektrische Eigenschaften,
wie eine hohe elektrische Leitfähigkeit.
Je nach Anwendungsfall und je nach vorgesehenem Phasenwechselmaterial
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 Phasenwechselmaterial 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 einfache Anpassung an die jeweilige Applikation
möglich
und ein stabi les thermisches und elektrisches Leitvermögen an elektrischen
Kontakt- oder Verbindungsstellen gegeben ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des Patentanspruchs 14. Erfindungsgemäß ist eine
Verwendung des vorstehend beschriebenen Kontaktmaterials so vorgesehen,
dass das Kontaktmaterial, insbesondere in seinem ersten Phasenzustand,
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.
Im ersten Phasenzustand ist das Phasenwechselmaterial noch flüssig, sodass
es sich sehr gut an die Konturen in dem Zwischenraum zwischen den
beiden Kontaktflächen
anpasst. Aufgrund des Fließverhaltens
wird der Zwischenraum praktisch vollständig mit dem Kontaktmaterial
befüllt.
Dadurch bleiben nach dem Phasenwechsel keine unbefüllten Hohlräume zurück, die
ansonsten das elektrische und thermische (Übergangs-)Verhalten verschlechtern
würden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verwendung des thermischen
und elektrischen Kontaktmaterials ergeben sich aus den Merkmalen
der von Anspruch 14 abhängigen
Ansprüche.
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Günstig ist
eine Ausgestaltung, bei der die irreversible Überführung von dem ersten in den
zweiten Phasenzustand nach dem Einbringen des Kontaktmaterials zwischen
die beiden Kontaktflächen vorgenommen
wird. Dadurch resultiert eine besonders gute und dauerhafte Befüllung des
Zwischenraums mit dem Kontaktmaterial.
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Vorzugsweise
ist es außerdem
vorgesehen, dass eine für
die irreversible Überführung von
dem ersten in den zweiten Phasenzustand benötigte Energie einem zwischen
den beiden Kon taktflächen übertragenen
Wärmefluss
entzogen wird. Dies kann insbesondere während einer Funktionsprüfung, einer Inbetriebnahme
oder des erstmaligen Betriebs einer fertig montierten Anlage, die
die elektrische Kontakt- oder Verbindungsstelle mit den beiden Kontaktflächen sowie
das im flüssigen
Phasenzustand zwischen die Kontaktflächen eingebrachte Kontaktmaterial
umfasst, erfolgen. Damit vollzieht sich der Phasenwechsel vom flüssigen zum
festen Zustand im Kontaktmaterial insbesondere ohne, dass von außen gezielt
eine Energie zugeführt
werden müsste.
Die hierfür
benötigte
Energie entstammt vorzugsweise der Verlustwärme, die bei dem Betrieb der
Anlage ohnehin entsteht und die darüber hinaus abzuführen ist. Der
Anlage wird durch den Phasenwechselvorgang im Kontaktmaterial also
keine an anderer Stelle benötigte
Energie entzogen. Diese Vorgehensweise ist somit besonders effizient.
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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 Phasenwechselmaterial
ein einkomponentiges Polyurethan, dem als thermisch und elektrisch
leitfähiger
Füllstoff Kohlenstoffnanofasern
(= Kohlenstoffnanoröhrchen) in
einer Konzentration von beispielsweise etwa 30% zugesetzt sind.
Die Kohlenstoffnanofasern werden dem Phasenwechselmaterial noch
in dessen flüssigem
Phasenzustand zugemischt.
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Im
hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wechseln
das als Phasenwechselmaterial eingesetzte Polyurethan (PU) und damit
auch das Kontaktmaterial insgesamt von einem flüssigen, pastösen ersten
Phasenzustand in einen festen elastischen zweiten Phasenzustand,
sobald das Kontaktmaterial erstmalig über eine Schwelltemperatur
(z. B. 40°C)
erwärmt
wird. Bei Erreichen oder Überschreiten
dieser Schwelltemperatur findet ein irreversibler Phasenwechsel
in Form einer Aushärtung
des Polyurethans statt. Die Schwelltemperatur, ab der dieser Pha senwechsel
einsetzt, ist abhängig
von den Zusammensetzungen der verwendeten Polyurethan-Basismaterialien.
Ein mögliches
Phasenwechselmaterial ist das PU-Material, das von der Firma CeraCon
GmbH, Weikersheim, Deutschland unter der Produktbezeichnung „Pengui
Foam 3151" vertrieben
wird. Dieses PU-Material
härtet
ab einer Schwelltemperatur von etwa 80°C aus. Ein auf Basis eines solchen
Polyurethans realisiertes Kontaktmaterial hat einen Temperatureinsatzbereich
von etwa –50°C bis etwa 200°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 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. Möglich ist auch ein Schichtaufbau
aus mehreren derartiger Schichten. 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 kann außerdem
auch mit weiteren Zusatzstoffen versehen sein, um besondere Zusatzeigenschaften
einzustellen. So können insbesondere
Metalldeaktivatoren, Rostschutzmittel, Antioxidationsmittel und/oder
Viskositätsindexverbesserer
zugemischt sein.
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Durch
die Einbettung der wärmeleitfähigen Kohlenstoffnanofasern
in eine Matrix mit dem Polyurethan-Phasenwechselmaterial, dessen
mechanische Eigenschaften aufgrund des Phasenwechsels gezielt verändert werden
können,
ergibt sich ein Kontaktmaterial mit folgenden Vorteilen.
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Das
Kontaktmaterial hat sowohl eine günstiges thermisches und elektrisches
Leitvermögen
als auch weist es im festen zweiten Phasenzustand teilweise elastisches
Verhalten auf.
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Das
eingesetzte Phasenwechselmaterial (= Polyurethan) ermöglicht eine
Einbringung des Kontaktmaterials an seinen Einsatzort im flüssigen ersten Phasenzustand,
wobei auch schwer zugängliche Stellen,
Hohlräume
sowie Unebenheiten an Kontaktflächen
von elektrischen Kontaktstellen aufgrund des Fließverhaltens
des Kontaktmaterials vollständig
befüllt
bzw. benetzt werden. Überschüssiges,
nicht zum Strom- bzw. Wärme transport
benötigtes
Kontaktmaterial quillt insbesondere bei einem festen Verschrauben
oder Verklemmen der Kontaktstelle seitlich heraus. Es kann noch
während
des Montagevorgangs entfernt werden. Der irreversible Übergang
in den zweiten festen Phasenzustand, also die Aushärtung des
Kontaktmaterials, findet insbesondere erst nach dem Abschluss der
Montage statt. Vorzugsweise wird die zur Aushärtung benötigte Wärme während eines (Test-)Betriebs
oder einer Funktionsprüfung über die
Kontaktflächen
der Kontaktstelle zugeführt. Sie
stammt von der durch den Stromfluss bedingten Erwärmung der
Kontaktstelle selbst oder z. B. auch von einem nahe bei der Kontaktstelle
angeordneten zu kühlenden
Bauteil, wie z. B. einem elektronischen Hochleistungsbaustein. Aufgrund
der hohen elektromechanischen Beanspruchungen während eines Testbetriebs oder
einer Funktionsprüfung
erwärmen sich
die Bauteile stark. Es steht somit auch ohne gezielte Wärmezufuhr
von außen überall genügend Wärmeenergie
zur Verfügung,
um das Kontaktmaterial über
die Schwelltemperatur zu erwärmen
und den Phasenwechsel einzuleiten. Nach dessen Abschluss liegt das
Kontaktmaterial in seinem zweiten relativ elastischen Phasenzustand
vor, in welchem es seine pastösen
Eigenschaften vollständig
verloren, aber seine durch die eingebetteten Kohlenstoffnanofasern bedingte
besonders hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit beibehalten hat.
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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.
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Das
Kontaktmaterial ermöglicht
in seinem endgültigen
zweiten Phasenzustand gegenüber
den bisherigen Lösungen
einen deutlich verbesserten und über
eine lange Betriebsdauer hinweg gleich bleibend stabilen Strom-
und Wärmetransport über die
Kontaktstelle.
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In
dem festen Phasenzustand kann es bei dem Kontaktmaterial grundsätzlich zu
keinen Trennungsreaktionen und zu keinem Auslaufen von fließfähigen Materialbestandteilen
wie bei den herkömmlichen
Kontakt- oder Wärmeleitpasten
kommen. Ebenso entfallen die mit einem solchen Ausbluten einhergehenden
negativen Begleiterscheinungen, wie Verunreinigungen, chemische
Reaktionen der auslaufenden Materialbestandteile mit benachbarten Bauteilen
und die Kurzschlussgefahr.
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Da
die Faser-Füllstoffe
insbesondere im endgültigen
zweiten Phasenzustand fest in das dann elastische Phasenwechselmaterial
eingebettet sind, zeigen die Fasern auch unter Druck- und/oder Temperatureinwirkung,
zu der es während
des Betriebs kommen kann, kein unerwünschtes Kriech- und Fließverhalten.
Dies gilt auch dann, wenn die Fasern nicht aus hartem Kohlenstoff,
sondern aus einem duktilen Metall wie Aluminium, Silber oder Kupfer
bestehen.
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Im
ersten Phasenzustand ermöglicht
das Kontaktmaterial dagegen aufgrund des dann noch gegebenen Fließverhaltens
einen Ausgleich von Unebenheiten von bis zu einigen 100 μm zwischen
den Kontaktflächen.
Das Kontaktmaterial kann solche Unebenheiten problemlos überbrücken und
somit auch an solchen Stellen eine gute Strom- und Wärmeleitung
gewährleisten.
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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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. Dadurch 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
in dessen zweiten Phasenzustand 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. Vorteilhaft ist
auch das beschriebene mehrstufige Herstellungsverfahren für diese
Strom- und Wärme übertragende
Kontaktstelle.