DE102010005020A1 - Wärmeleitendes Kompositmaterial, Formkörper hieraus sowie Verwendungszwecke - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kompositmaterial, das, eingebettet in ein Matrixmaterial, das auf einem Polymeren und/oder einem Copolymeren basiert, mindestens einen ersten Füllstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit beinhaltet. Weiter betrifft die Erfindung einen aus diesen Materialien hergestellten Formkörper, insbesondere eine Folie mit einer Dicke zwischen 1 μm und 10 mm, sowie Verwendungen des Formkörpers.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kompositmaterial, das, eingebettet in ein Matrixmaterial, das auf einem Polymeren und/oder einem Copolymeren basiert, mindestens einen ersten Füllstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit beinhaltet. Weiter betrifft die Erfindung einen aus diesen Materialien hergestellten Formkörper, insbesondere eine Folie mit einer Dicke zwischen 1 μm und 10 mm, sowie Verwendungen des Formkörpers.
- In Hybrid-, Plug-In-Hybrid- und Elektrofahrzeugen können elektrochemische Energiespeichersysteme als Komponenten zur Energiespeicherung eingesetzt werden. Diese Energiespeichersysteme basieren zumeist auf elektrochemischen Zellen mit Nickel-Metallhydrid (NiMH) oder Lithium-Ionen(Li-Ion)-Technologie. Es können auch weitere elektrochemische Technologien als Energielieferanten und Speicher Anwendung finden, wie beispielsweise Doppelschichtkondensatoren, Blei-Säure- oder Nickel-Zink-Batterien oder auch luftatmende Batterien, wie Zink/Luft oder Lithium/Luft.
- Hybridfahrzeuge weisen eine Verbrennungskraftmaschine, eine elektrische Maschine und einen oder mehrere elektrochemische Energiespeicher auf. Die gespeicherte Energiemenge erlaubt maximal ein rein elektrisches Fahren von wenigen Kilometern.
- Plug-In-Hybridfahrzeuge sind analog zu Hybridfahrzeugen aufgebaut, weisen jedoch einen größeren elektrochemischen Energiespeicher auf, der es erlaubt, größere Energiemengen zu speichern und somit eine rein elektrische Fahrweise auf mittleren Entfernungen ermöglicht. Die eingesetzten elektrochemischen Energiespeicher können am Stromnetz aufgeladen werden.
- Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die eingesetzten elektrochemischen Energiespeicher speichern üblicherweise Energiemengen, die eine Reichweite von mehr als 100 Kilometern erlauben.
- Allen genannten Fahrzeugtypen ist gemein, dass große Mengen elektrischer Energie bereitgestellt und transferiert werden müssen.
- Zur Konstruktion von Energiespeichern gehört im Allgemeinen ein Kühlsystem, das Verlustwärme aus dem Energiespeicher abführt, um die elektrochemischen Zellen entsprechend vor Überhitzung zu schützen. Zwischen dem Kühlsystem und den elektrochemischen Zellen wird ein Bauteil benötigt, das sowohl stark elektrisch nichtleitend als auch gut wärmeleitend ist. Üblicherweise werden hierfür dünne Folien aus organischen Polymeren verwendet. Diese weisen jedoch nicht immer die gewünschten Wärmeleitfähigkeiten auf, die für die oben genannten Anwendungen notwendig sind. Typische Wärmeleitfähigkeiten von Polymeren liegen je nach Herstellung im Bereich von 0,02 bis maximal 1 Watt pro Meter und Kelvin [Wm–1K–1].
- Ebenfalls bekannt ist u. a. die Einbettung von Bornitrid-Partikeln in Polymerfolien. Dies ergibt eine deutlich verbesserte Wärmeleitfolie als reine Polymerfolien.
- Jedoch sind die Wärmeleitfähigkeiten von handelsüblichen Wärmeleitfolien meist kleiner als 10 Watt pro Meter und Kelvin [Wm–1K–1].
- Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kompositmaterial mit deutlich erhöhter Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen. Ebenso war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen entsprechenden Formkörper sowie Verwendungszwecke des Formkörpers anzugeben.
- Diese Aufgabe wird bezüglich des Kompositmaterials mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, bezüglich des Formkörpers mit den Merkmalen des Patentanspruches 9 sowie bezüglich der Verwendungszwecke mit den Merkmalen des Patentanspruches 11 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
- Erfindungsgemäß wird somit ein Kompositmaterial bereitgestellt, das
- a) mindestens ein Polymer, Copolymer oder einen Blend aus mehreren Polymeren und/oder Copolymeren, sowie
- b) mindestens einen ersten Füllstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit ≥ 40 Wm–1K–1, gemessen gemäß DIN-EN 821-2,
- Die polymeren Materialien bringen die elektrische Isolationsfähigkeit, die elektrische Durchschlagsfestigkeit und die mechanische Stabilität mit, während die wärmeleitenden Partikel die gute Wärmeleitung bei ausreichendem elektrischem Widerstand einbringen. Das entstehende Kompositmaterial kombiniert auf diese Weise Materialeigenschaften, die in den Einzelstoffen nicht erreichbar sind. Einfache Materialien weisen entweder eine hohe Wärmeleitfähigkeit bei hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise bei Metallen, oder geringe Wärmeleitfähigkeiten bei hohem elektrischem Widerstand, wie z. B. bei Polymeren, auf. Wünschenswert sind jedoch Materialien, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit bei hohem spezifischem elektrischem Widerstand und hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit aufweisen.
- In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Wärmeleitfähigkeit des mindestens einen Füllstoffs ≥ 45 Wm–1K–1, bevorzugt zwischen 45 und 200 Wm–1K–1, besonders bevorzugt zwischen 45 und 130 Wm–1K–1, jeweils gemessen gemäß DIN EN 821-2.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens eine erste Füllstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
- a) Siliciumcarbid SiC, Borcarbid B4C, Titandiborid TiB2, Calciumhexaborid CaB6, Zirkondiborid ZrB2 und/oder Mischungen hieraus, und/oder
- b) verkapselten Füllstoffen vom Kern-Schale-Typ, wobei der Kern ein Metall oder eine Metalllegierung und die Schale ein keramisches Material enthält oder hieraus besteht, wobei das Kernmaterial bevorzugt Kupfer, Silber und/oder Aluminium und das keramische Material bevorzugt die unter a) genannten Materialien ist.
- Als wärmeleitende Partikel kommen somit insbesondere Materialien in Frage, die eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 45 Watt pro Meter und Kelvin [Wm–1K–1] und einen spezifischen elektrischen Widerstand von mindestens 1 Ohm Zentimeter [Ωcm], vorzugsweise jedoch größer als 100 Ohm Zentimeter [Ωcm], besitzen.
- Als wärmeleitende Materialien können somit auch erfindungsgemäß keramische Materialien, wie Siliziumcarbid SiC (125 Wm–1K–1), Borcarbid B4C (45 Wm–1K–1), Titandiborid TiB2 (54 Wm–1K–1), Calciumhexaborid CaB6 (70 Wm–1K–1) und Zirkondiborid (100 Wm–1K–1) und andere Boride eingesetzt werden. Diese keramischen Materialien sind als Reinstoffe, als deren Gemische oder als Gemische mit weiteren keramischen Materialien, wie beispielsweise Aluminiumoxid Al2O3, Siliziumoxid SiO2, Zirkondioxid ZrO2, Titandioxid TiO2, Siliziumnitrid Si3N4, Bornitrid BN und anderen einsetzbar. Die Partikelgrößen der keramischen Materialien liegen im Bereich von 1 Nanometer [nm] bis zur Schichtdicke der herzustellenden Folie. Bei asymmetrischen Partikeln kann die größte Kantenlänge über der Schichtdicke der herzustellenden Folie liegen.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann zusätzlich zum ersten Füllstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit noch ein weiterer Füllstoff in das Kompositmaterial eingearbeitet werden. Der zweite Füllstoff ist in diesem Fall bevorzugt ausgewählt aus keramischen Materialien, insbesondere Aluminiumoxid Al2O3, Siliciumdioxid SiO2, Zirkondioxid ZrO2, Titandioxid TiO2, Siliciumnitrid Si3N4, Bornitrid BN und/oder Kombinationen hieraus.
- Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, wärmeleitende Partikel zu verwenden, die aus einem metallischen Kern und einer dünnen, ausreichend isolierenden keramischen Beschichtung bestehen. Dadurch wird die Wärmeleitfähigkeit der eingelagerten Partikel und der resultierenden Wärmeleitfolie weiter gesteigert. Als Werkstoffe für den Kern sind prinzipiell alle metallischen Werkstoffe einsetzbar, besonders bevorzugt sind jedoch Metalle mit hohen Wärmeleitfähigkeiten, wie Silber, Kupfer und Aluminium und deren, Legierungen. Als Beschichtung sind prinzipiell alle isolierenden keramischen Werkstoffe einsetzbar, besonders bevorzugt sind jedoch die oben genannten keramischen Werkstoffe mit hohen Wärmeleitfähigkeiten. Die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von metallischen und keramischen Materialien sind bei der Herstellung der Partikel aufeinander abzustimmen.
- Weiter ist es bevorzugt, wenn der mindestens eine erste und/oder der mindesten eine weitere Füllstoff in partikulärer Form vorliegt, mit einem bevorzugten mittleren Durchmesser d50 zwischen 1 nm bis 10 mm, weiter bevorzugt zwischen 1 nm und 1 mm, besonders bevorzugt zwischen 10 nm und 100 μm.
- Das als Komponente a) verwendete Polymer und/oder Copolymer ist dabei vorteilhafterweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyalkylenen, insbesondere Polyethylen, Polypropylen und/oder Polystyrol; Polyurethanen; Polyestern; Polyethern; Polyamiden; Polycarbonaten; Polyimiden; Polysulfiden; Polyacrylaten; Stärke und deren Derivaten; Cellulose und deren Derivaten; teil- oder komplett fluorierten und/oder chlorierten Polymeren, insbesondere Polyvinylchlorid oder Polyfluorethylenen; und/oder Kombinationen hieraus.
- Als polymere Materialien kommen somit alle organischen Substanzen und ihre Mischungen in Frage, die in der Lage sind, die wärmeleitenden Partikel einzubetten und die nötige Festigkeit mitbringen.
- Vorteilhafterweise beträgt der spezifische elektrische Widerstand des erfindungsgemäßen Kompositmaterials, gemessen gemäß DIN EN 50239, mindestens 1 Ωcm, bevorzugt mindestens 10 Ωcm, besonders bevorzugt mindestens 100 Ωcm.
- Diese vorteilhafte Ausführungsform ermöglicht alle Anwendungen des Kompositmaterials als Isolationsmaterial, da es eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
- Erfindungsgemäß wird ebenso ein Formkörper, der aus dem zuvor genannten Kompositmaterial hergestellt ist, bereitgestellt. Insbesondere ist dieser Formkörper dabei eine Folie mit einer bevorzugten Dicke zwischen 1 um und 10 mm.
- Ebenso wird erfindungsgemäß die Verwendung dieses Formkörpers bereitgestellt, als Verwendungszwecke kommen insbesondere die Verwendung des Formkörpers zur Wärmeleitung, Wärmeableitung, als wärmeleitendes Material, zur Wärmeableitung in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, zum Abführen von Verlustwärme aus Energiespeichern und/oder als Kühlsystem oder Kühlkörper in Frage.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN-EN 821-2 [0012]
- DIN EN 821-2 [0014]
- DIN EN 50239 [0023]
Claims (10)
- Kompositmaterial, enthaltend a) mindestens ein Polymer, Copolymer oder einen Blend aus mehreren Polymeren und/oder Copolymeren, sowie b) mindestens einen ersten Füllstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit ≥ 40 Wm–1K–1, gemessen gemäß DIN-EN 821-2.
- Kompositmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des mindestens einen Füllstoffs ≥ 45 Wm–1K–1 ist, bevorzugt zwischen 45 und 200 Wm–1K–1, besonders bevorzugt zwischen 45 und 130 Wm–1K–1, jeweils gemessen gemäß DIN EN 821-2 beträgt.
- Kompositmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Füllstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus a) Siliciumcarbid SiC, Borcarbid B4C, Titandiborid TiB2, Calciumhexaborid CaB6, Zirkondiborid ZrB2 und/oder Mischungen hieraus, und/oder b) verkapselten Füllstoffen vom Kern-Schale-Typ, wobei der Kern ein Metall oder eine Metalllegierung und die Schale ein keramisches Material enthält oder hieraus besteht, wobei das Kernmaterial bevorzugt Kupfer, Silber und/oder Aluminium und das keramische Material bevorzugt die unter a) genannten Materialien ist.
- Kompositmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum mindestens einen ersten Füllstoff mindestens ein weiterer Füllstoff ausgewählt aus keramischen Materialien, insbesondere Aluminiumoxid Al2O3, Siliciumdioxid SiO2, Zirkondioxid ZrO2, Titandioxid TiO2, Siliciumnitrid Si3N4, Bornitrid BN und/oder Kombinationen hieraus enthalten ist.
- Kompositmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste und/oder der mindesten eine weitere Füllstoff in partikulärer Form vorliegt, mit einem bevorzugten mittleren Durchmesser d50 zwischen 1 nm bis 10 mm, weiter bevorzugt zwischen 1 nm und 1 mm, besonders bevorzugt zwischen 10 nm und 100 μm.
- Kompositmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Polymer und/oder Copolymer ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyalkylenen, insbesondere Polyethylen, Polypropylen und/oder Polystyrol; Polyurethanen; Polyestern; Polyethern; Polyamiden; Polycarbonaten; Polyimiden; Polysulfiden; Polyacrylaten; Stärke und deren Derivate; Cellulose und deren Derivate; teil- oder komplett fluorierte und/oder chlorierte Polymere, insbesondere Polyvinylchlorid oder Polyfluorethylene; und/oder Kombinationen hieraus.
- Kompositmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen spezifischen elektrischen Widerstand gemessen gemäß DIN EN 50239 von mindestens 1 Qcm, bevorzugt mindestens 10 Ωcm, besonders bevorzugt mindestens 100 Ωcm aufweisen.
- Formkörper, enthaltend oder bestehend aus einem Kompositmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
- Formkörper nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Folie ist, mit einer bevorzugten Dicke zwischen 1 μm und 10 mm.
- Verwendung eines Formkörpers nach einem der Ansprüche 0 bis 0 zur Wärmeleitung, Wärmeableitung, als wärmeleitendes Material, zur Wärmeableitung in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, zum Abführen von Verlustwärme aus Energiespeichern und/oder als Kühlsystem oder Kühlkörper.
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