DE102010042446A1

DE102010042446A1 - Elektrisches Mehrlagen-Bauelement, Beschichtungszusammensetzung und Verfahren zur Herstellung des elektrischen Bauelements

Info

Publication number: DE102010042446A1
Application number: DE102010042446A
Authority: DE
Inventors: Joseph A. N.Y. Swift; Stanley J. N.Y. Wallace; Roger Lee N.Y. Bullock
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2011-08-25
Also published as: CA2831517C; US8673416B2; CA2718232C; CN102054540B; CA2831517A1; MX2010011575A; JP2011095257A; KR101566039B1; KR20110046364A; BRPI1004058A2; US20110094777A1; US20140199474A1; JP5681443B2; CA2718232A1; CN102054540A

Abstract

Ein elektrisches Bauelement, das ein Substrat, das aus einem elektrisch leitenden Füllstoff in einem ersten polymeren Bindemittel besteht, und eine zumindest auf einem Teil der Substratoberfläche haftende Beschichtungsschicht umfasst, wobei die Beschichtungsschicht einen Füllstoff aus nanostrukturierten, elektrisch leitenden Partikeln umfasst, die im Wesentlichen in einem polymeren Bindemittel wie z. B. einem Epoxyharz dispergiert sind. Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung dieses Bauelements beschrieben.

Description

Die hierin offenbarten Ausführungsformen betreffen elektrische Bauelemente sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Bauelemente.
Die automatisierte Prüfung von Bauelementen von integrierten Schaltkreisen sowie anderen aktiven und passiven Schaltkreiselementen einschließlich von Platinen wird häufig unter Verwendung einer Kontaktsonde durchgeführt, die den Prüfling (DUT, Device under Test) vorübergehend mit einem Prüfgerät verbindet. Von der Kontaktsonde wird über eine geeignete Verbindung, die elektrische Kabel, Schaltdrähte, Steckverbindungen und dergleichen umfassen kann, ein Signal an das Gerät übermittelt, das interessierende Einzelheiten bezüglich des/der interessierenden Signals/Signale verarbeiten und/oder anzeigen kann. Das Instrument kann ein beliebiges verwendbares Prüfgerät sein, einschließlich eines Voltmeters, eines Amperemeters, eines Ohmmeters, eines Multimeters, eines Oszilloskops und dergleichen. Das aus dem DUT stammende, interessierende Signal kann aus dem Betrieb der Vorrichtung unter tatsächlichen Anwendungsbedingungen, unter Simulations- oder Belastungsbedingungen oder unter einem Einbrennprüfungsprotokoll herrühren. Andererseits kann das Gerät oder ein verwandtes Schaltsystem dem DUT ein Referenzsignal oder Leistung liefern, während gleichzeitig ein rücklaufendes Probensignal für die Charakterisierung oder Anzeige extrahiert wird. Häufig wird mehr als eine Sonde verwendet, um gleichzeitig mehr als ein Signal und/oder mehr als einen Ort zu überwachen. Die Anzahl an Sonden kann im Bereich von 10 bis 100 oder mehr liegen. In diesem Fall können einzelne Sonden zu einer Sondengruppierung angeordnet werden, die unter solchen Begriffen wie ein „Nadelbett” bekannt sein können.
Für heutige, weit verbreitet eingesetzte Sonden sind Sondenelemente charakteristisch, die über Kontaktspitzen verfügen, die vorwiegend aus Metall hergestellt werden. Der Nachteil der Verwendung von Sonden mit Metallspitzen ist, dass der typische Metall-Metall-Kontakt zwischen der Sonde und dem Schaltelement unter bestimmten Bedingungen, insbesondere bei Wechselstrommessungen, möglicherweise eine unerwünschte elektrische Vorspannung oder sogar einen Spannungsstoß in die Messung einführen kann und zwar aufgrund einer Kapazität und/oder Induktivität, welche die Metallspitze in den Prüfschaltkreis einführt. In diesem Fall werden ungenaue Ergebnisse erzeugt. Weitere Nachteile der Verwendung von Sonden mit Metallspitzen umfassen mechanische Schäden an der Sonde oder dem Schaltelement wie z. B. die Verursachung von Kratzern, Dellen oder Löchern und sogar das Schweißen unter Hochstrombedingungen, Verunreinigungen des DUT aufgrund des Transfers von Metalloberflächenoxiden und dergleichen. Ein weiterer Nachteil von in großen Gruppierungen verwendeten Metallsonden ist, dass sie im Allgemeinen schwer sind und kostspielige Stützstrukturen zur Aufrechterhaltung der Lagegenauigkeit benötigen.
Elektrische Sonden werden auch in der medizinischen Industrie und im Bereich der medizinischen Forschung als vorübergehende Kontakte zu einem breiten Bereich an Materialien und Oberflächen eingesetzt. Diese umfassen solche Materialien wie menschliche oder tierische Haut, innere Organe von Mensch und Tier, Zellen, oder Zellgruppierungen und dergleichen. Häufig werden diese Sonden aus leitfähigen Nichtmetallmaterialien hergestellt, wie z. B. anorganischen Salzen in einem geeigneten Haftmittel oder Gelmedium, das die interessierende Oberfläche haftend mit einem Prüfgerät, wie z. B. einem Elektrokardiogrammmonitor, einem Hautleitfähigkeitsprüfer und dergleichen, verbinden kann und dadurch eine Verbindung zwischen beiden herstellt. Der Nachteil dieser nichtmetallischen Sonden ist, dass zwischen dem Prüfobjekt und der kontaktierenden Sonde eine unerwünschte chemische Reaktion oder eine allergische Reaktion auftreten kann.
Bestimmte elektrische Bauelemente, die in elektrostatographischen Druckmaschinen verwendet werden, werden aus Verbundstoffen, einschließlich Verbundkunststoffen, hergestellt, die mindestens einen Füllstoff umfassen, der in der Form feiner Partikel oder Fasern vorliegen kann. Die Verbundstoffe können aus einem nichtmetallischen, pultrudierten Verbundelement mit mehreren Kohlenstofffasern, die im Allgemeinen einen kreisrunden Querschnitt haben, in einer Polymermatrix gebildet werden.
Verschiedene Dokumente beschreiben Polymerverbundstoffe, die Kohlenstoffpartikel enthalten. US-Patent Nr. 6,426,134 offenbart Polymerzusammensetzungen mit einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen. US-Patent Nr. 5,643,990 beschreibt eine Vielzahl an Kohlenstofffibrillen enthaltende Harze.
Es ist bekannt, leitfähige Nanopartikel in Beschichtungen zu verwenden. Die veröffentlichte US-Patentanmeldung Nr. 2008/0195187 beschreibt einen medizinischen elektrischen Leiter mit einer von einer Isolierschicht bedeckten Leiterbahnanordnung und einer Abschirmabdeckung, die aus einem Polymermatrixverbundstoff gebildet wurde, der eine oder mehrere Metallstrukturen in Nanogrößen enthielt. Die veröffentlichte US-Patentanmeldung Nr. 2003/0158323 beschreibt einen elektrisch leitfähigen, optisch transparenten Polymer/Kohlenstoffnanoröhrchen-Verbund. Der Verbund wird durch Dispergieren der Nanopartikel in einem organischen Lösungsmittel und nachfolgender Zugabe von einem oder mehreren Monomeren gebildet. Alternativ kann die Sequenz umgedreht werden, sodass das Monomer oder Polymer in einem Lösungsmittel oder Verdünnungsmittel dispergiert wird und die Nanopartikel anschließend zugegeben und darin dispergiert werden.
Es wäre von Nutzen, neue Zusammensetzungen, elektrische Bauelemente und Verfahren zur Herstellung von Zusammensetzungen und elektrischen Bauelementen zu entwickeln, die für das digitale Ultrahochfrequenz-Abtasten und für Sondenanwendungen von Nutzen sind.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Ausführungsform ist ein elektrisches Bauelement, das ein Substrat umfasst, das aus einem elektrisch leitenden Füllstoff in einem polymeren Bindemittel und einer zumindest auf einem Teil der Substratoberfläche haftenden Beschichtungsschicht besteht, wobei die Beschichtungsschicht einen Füllstoff aus nanostrukturierten, elektrisch leitenden Partikeln und ein Polymerharz umfasst. In Ausführungsformen, ist der Füllstoff im Wesentlichen gleichmäßig im Harz dispergiert.
Eine weitere Ausführungsform ist ein elektrisches Bauelement, das ein Substrat umfasst, das aus einem elektrisch leitenden Füllstoff in einem ersten polymeren Bindemittel und einer zumindest auf einem Teil der Substratoberfläche haftenden Beschichtungsschicht besteht, wobei die Beschichtungsschicht einen Füllstoff aus nanostrukturierten, elektrisch leitenden Partikeln umfasst, die im Wesentlichen gleichmäßig in einem zweiten polymeren Bindemittel dispergiert sind, wobei die Haftfestigkeit zwischen der Beschichtungsschicht und dem Substrat mindestens 10% der Kohäsionsfestigkeit des Substrats beträgt. In Ausführungsformen kann die Haftung zwischen Beschichtungsschicht und Substrat gleich, oder annähernd gleich, der Kohäsionsfestigkeit der Substratschicht sein und in weiteren Ausführungsformen ist die Haftung zwischen den Schichten so ausreichend, dass sich unter dem gesamten Bereich an Kräften, die sich während der Verwendung des Bauelements in der beabsichtigten Anwendung darauf auswirken, die Beschichtung weder vom Substrat ablöst noch delaminiert. In einer Ausführungsform ist der Oberflächenwiderstand der Beschichtungsschicht im Allgemeinen der gleiche wie der Volumenwiderstand des Substrats und das elektrische Bauelement umfasst eine Sondenspitze, in einer weiteren Ausführungsform ist das Bauelement Teil eines Satzes von elektrischen Bauelementen und jedes Bauelement hat einen elektrischen Widerstand innerhalb von 1% des Widerstands von jedem der anderen elektrischen Bauelemente in dem Satz. Gemäß einer weiteren Ausführungsform verbindet das Bauelement einen Sensor und ein Prüfvorrichtung und das Substrat und das Beschichtungsmaterial werden so ausgewählt, dass eine im Wesentlichen verzerrungsfreie Übermittlung eines niedrigen elektrischen Signals durch das Bauelement von der Prüfvorrichtung zur Sonde gewährleistet wird.
Noch eine weitere Ausführungsform ist ein Verfahren, das den Erhalt eines aus einem elektrisch leitenden Füllstoff in einem polymeren Bindemittel bestehenden Substrats, das Dispergieren eines Füllstoffs aus nanostrukturierten, elektrisch leitenden Partikeln in einer mindestens ein Lösungsmittel und ein reaktives Verdünnungsmittel umfassenden Flüssigkeit zur Bildung einer Dispersion, das Mischen der Dispersion mit einem Flüssigharz zur Bildung einer Beschichtungsmischung, das Aufbringen der Beschichtungsmischung auf das Substrat und das Vernetzen der aufgebrachten Beschichtungsmischung zur Bildung eines beschichteten Substrats umfasst.
Eine weitere Ausführungsform ist ein Verfahren, das den Erhalt eines aus einem elektrisch leitenden Füllstoff in einem polymeren Bindemittel bestehenden Substrats, das Dispergieren eines Füllstoffs aus nanostrukturierten, elektrisch leitenden Partikeln in einem Verdünnungsmittel oder Lösungsmittel zur Bildung einer Dispersion, das Mischen der Dispersion mit einem Flüssigharz zur Bildung einer Beschichtungsmischung, das Aufbringen der Beschichtungsmischung auf das Substrat und das Vernetzen der aufgebrachten Beschichtungsmischung zur Bildung eines Beschichtungsschicht auf dem Substrats umfasst. In Ausführungsformen beträgt die Haftfestigkeit zwischen der Beschichtungsschicht und dem Substrat mindestens 10% der Kohäsionsfestigkeit des Substrats.
1 zeigt schematisch ein elektrisches Bauelement gemäß einer Ausführungsform.
2 zeigt schematisch weitere Einzelheiten des Aufbaus des in 1 dargestellten, elektrischen Bauelements.
3 zeigt ein beschichtetes, teilweise weg geschnittenes Bauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform.
4 ist eine Schnittansicht des Kernbereichs des beschichteten Bauelements von 3.
5 ist eine Schnittansicht des Kernbereichs eines beschichteten Bauelements mit einer darauf gebildeten Mehrlagenbeschichtung.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Bildung eines beschichteten Bauelements gemäß einer Ausführungsform darstellt.
Es werden ein elektrisches Bauelement, eine Beschichtungszusammensetzung und damit zusammenhängende Verfahren bereitgestellt, welche die Verwendung von Verbundmaterialien umfassen, die effizient unter Verwendung einer Reihe von kostengünstigen Produktionsverfahren integriert werden, um elektrische Bauelemente mit einer einzigartigen Kombination aus Leistungseigenschaften zu schaffen. Die Verwendung des hier beschriebenen Verfahrens ermöglicht die ökonomische Herstellung von Bauelementen, die eine durchgehende Qualität und einen hohen Grad an Präzision ihrer elektrischen und mechanischen Eigenschaften aufweisen. Das Verfahren zur Herstellung der Verbundsubstrate ist für die Herstellung von elektrisch leitenden Schichten mit variierenden Dicken auf Bauelementen mit verschiedenen Größen von Nutzen ist, einschließlich relativ dicker leitfähiger Schichten, die zur Verbesserung der Langlebigkeit eines Gegenstands gedacht sind, sowie dünner Filmschichten für Bauelemente, die klein sind und mit sehr genauen Spezifikationen ausgeführt werden. Im Gegensatz zu Metallbeschichtungsverfahren, welche die Oberfläche von polymeren Substraten behandeln, integriert das hier beschriebene Verfahren elektrisch leitende Nanopartikel in die Beschichtungslösung. Das Bauelement und das Herstellungsverfahren können zur Herstellung von Kontaktelementen, Steckverbindungen, Kontakten, Kontaktgruppierungen, Verschaltungen und dergleichen verwendet werden, die zum Beispiel für Signalübermittlungen, abtastende oder schaltende Verbindungen sowie für medizinische und elektronische Prüfgerätesonden verwendet werden, einschließlich Geräten zum Prüfen von Hochgeschwindigkeits-IC-Schaltkreisanwendungen mit gemischten Signalen und für andere Anwendungen, in denen elektrische Bauelemente benötigt werden, die sehr präzise Spezifikationen in Bezug auf den elektrischen Widerstand und Abmessungen erfüllen müssen.
Wie hier verwendet ist „ein elektrisches Bauelement” ein Bauelement oder Element, das den Durchgang von elektrischem Strom, Ladung oder Spannung ermöglicht. Elektrische Bauelemente umfassen elektronische und elektrostatische Bauelemente, sind aber nicht darauf beschränkt. Der Begriff „Widerstand” wie hier verwendet, bezieht sich auf den elektrischen Widerstand, sofern nicht anders spezifisch angegeben. Der Begriff „Bindemittel” oder „Bindemittelharz”, wie hier verwendet, bezieht sich auf ein Matrixmaterial, das den Füllstoff an seinem Platz hält und ein oder mehrere mechanische oder strukturelle Merkmale des Substrats, der Beschichtung oder des Bauelements bieten kann. Ein „elektrischer Kontakt”, wie hier verwendet, bezieht sich auf ein ohmsches elektrisches Bauelement, das einen Stromfluss zwischen leitenden Teilen erlaubt, die innerhalb eines Zielbereichs gesteuert werden sollen, einschließlich Kontakten, die zur Signalübermittlung, in Sensorsonden und anderen analogen Hochfrequenz- oder digitalen elektrischen Verbindungen verwendet werden, ist aber nicht darauf beschränkt. „Ohmscher elektrischer Kontakt”, wie hier verwendet, bezieht sich auf einen elektrischen Kontakt mit einer spezifischen und sorgfältig kontrollierten elektrischen Leitfähigkeit.
Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff „Verbundstoff” auf ein Polymer, das mit mindestens einem Füllstoff kombiniert ist. Die Füllstoffkonzentration im Harz kann bei einer Ladung von 0,1 Gewichtsteilen pro Hundert (die im gesamten Dokument auch als Gewichtsprozent oder Gew.-% bezeichnet werden) oder mehr liegen. Eine „im Wesentlichen homogene Zusammensetzung” wie hier verwendet, ist eine, in der alle Bestandteile im Wesentlichen gleichmäßig im Material dispergiert sind. Ein „Füllstoff”, wie hier verwendet, ist ein Material oder eine Mischung aus Materialien wie z. B. Partikeln, Splittern, Plättchen, Schläuchen, Fibrillen, Fasern oder Filamenten, die jegliche geeignete Abmessung(en) aufweisen können und zur Bildung eines Verbundstoffes mit dem Polymer kombiniert werden können, das hier auch als ein Harz oder Bindemittelharz bezeichnet wird. Die Füllstoffe lösen sich nicht in den verwendeten Lösungsmitteln. In vielen Fällen copolymerisieren die Füllstoffe nicht mit dem Polymer. Der Begriff „funktionalisierter Füllstoff” bezieht sich auf ein Füllstoffmaterial wie oben beschrieben, das mit den Elementen des Verbundstoffs reagieren oder copolymerisieren kann. Wie hier verwendet ist ein „polymeres Material” ein Polymer, Monomer oder eine Polymervorstufe, die beim Härten und/oder Verdampfen eines Lösungsmittels oder Verdünnungsmittels ein Polymer bildet. In einigen Fällen wird das Polymermaterial in einer Flüssigkeit vorliegen, wenn es erhalten wird, und daher muss nicht immer eine separate Flüssigkeit zugegeben werden. In einigen Fällen kann das Polymer, wenn es in seiner endgültigen Form vorliegt, ein steifer Festkörper, ein halbsteifer Festkörper, ein flexibler Festkörper wie z. B. ein Kautschuk oder ein Elastomer, oder ein Schaum sein.
Wie in diesem Dokument verwendet, sollen die Begriffe Faser und Filament auf fadenähnliche Strukturen aus Metall, Polymer, Glas und Keramik hinweisen, die synthetische, polymerbasierte, fadenähnliche Monofilamentstrukturen einschließlich Verbundfasern, wie z. B. kohlenstoffgefüllte Polymere, sowie natürliche Fasern, wie z. B. fadenähnliche Strukturen aus Seide oder Baumwolle, umfassen. Ein „Filament” wie hier verwendet, ist im Wesentlichen eine kontinuierliche Faser.
Wird ein Bauelement mit einem „niedrigen Durchgangswiderstand” für die Anwendung in einer Gerätesonde hergestellt, dient/dienen die Beschichtungsschicht(en) auf dem Substrat als Kontaktpunkt(e) zwischen Sonde und Prüfling. Vorrichtungen dieser Art werden typischerweise aus Stäben gebildet, die sehr geringe Querschnittsdurchmesser aufweisen und einen sich verjüngenden Durchmesser oder eine andere Form haben können, um mindestens ein punktförmiges Ende (nicht dargestellt), zu bilden. So kann die Gesamtmenge an Beschichtungsmaterial am Ende des Stabes sehr klein sein. Sonden oder ganz allgemein elektrische Bauelemente dieser Art können als „Miniatur”- oder „Mikrominiatur”-Vorrichtungen bezeichnet werden.
Um ultrahochleistungsfähige elektrische Kontakte herzustellen, sind Herstellungsverfahren erforderlich, die sehr enge Toleranzen, insbesondere für enge Spezifikationsbereiche von Eigenschaften wie z. B. dem elektrischen Widerstand bieten. Offensichtlich erfordert dies, dass sehr enge Toleranzen und allgemein enge Spezifikationsbereich für Schlüsseleigenschaften wie z. B. den elektrischen Widerstand kontrolliert werden. Im Allgemeinen sind die betreffenden Bauelemente von sehr geringer Größe und müssen eine ausreichende Festigkeit besitzen, um den Anforderungen der beabsichtigen Anwendung zu genügen. Für bestimmte Endanwendungen erfordert ein elektrischer Kontakt einen Widerstand mit einer Toleranz von +/–0,5% oder weniger. Die kommerzielle Norm für Widerstandstoleranzen von nichtmetallischen Kontakten beträgt jedoch +/–100 bis 1000% für kommerziell erhältliche elektrische Kontakte.
Das hier beschriebene elektrische Bauelement umfasst ein Substrat mit mehreren angeordneten Fasern und einem Bindemittel. Das Substrat wird hergestellt, indem ein Segment eines faserigen Bauelementmaterials, das zur Bildung eines strukturell festen, steifen oder halbsteifen Strukturelements innerhalb eines geeigneten Bindemittelmaterials gehalten wird, erhalten wird, dieses Element auf eine Länge geschnitten wird, die geringfügig länger als die gewünschte Endlänge ist, das faserige Bauelementmaterial in die Form eines elektrischen Bauelements montiert wird, der Widerstand des Bauelements gemessen wird und das Bauelement unter Verwendung einer präzisen Schneidetechnik zurecht gestutzt wird, um den gewünschten Widerstandswert zu erhalten. Dann wird eine elektrisch leitende Schicht auf einen Teil des Bauelements aufgebracht.
In Bezug auf die 1 und 2 ist eine Art von Bauelement aus Verbundstoff, ein elektrisches Bauelement, dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Das Bauelement umfasst ein rundes Stabelement aus fasergefülltem Verbundpolymer 12 in einer Halterung 14, das im Querschnitt gezeigt ist. Auf mindestens einem Ende des Stabes 12 ist eine Beschichtungsschicht 22 oder eine Dünnschicht gebildet. Der Stab 12 enthält mehrere angeordnete Bindemittelfasern 16, die in 2 (ohne die Beschichtungsschicht 22) dargestellt sind und durch das Bindemittel 20 zusammengehalten werden.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines elektrischen Bauelements, allgemein als 30 bezeichnet. Das Bauelement besitzt einen Kern 36, der aus Bindemittel und Fasern gebildet ist, ähnlich dem in 2 dargestellten Aufbau. Eine Manschettenschicht 33 umgibt den Kern 36 um mindestens einen Teil seiner Länge. Ein Teil der Manschettenschicht wurde entfernt, um das terminale Ende 38 des Kerns 36 freizulegen. Der Widerstand der Manschettenschicht kann geringer sein als der Widerstand des faserigen Kernmaterials oder er kann größer sein als der des faserigen Kerns, was von den spezifischen Materialzusammensetzungen der beiden Schichten abhängt. Die Verwendung des zweischichtigen Bauelements ermöglicht eine sehr präzise Steuerung des Widerstands der Reihenschaltung oder anders ausgedrückt, des elektrischen Gesamtwiderstands, der von einem Punkt am terminalen Ende zum anderen Ende des Bauteils 30 oder von einem Ende zu einem Punkt an der Seite gemessen werden kann. Diese Steuerung wird dadurch erreicht, dass eine spezifische Menge der Manschettenschicht 33 weggeschnitten wird und die Länge des Kerns 36, die sich zwischen der Manschette 33 und dem terminalen Ende 38 erstreckt, kontrolliert wird. Eine Beschichtungsschicht 42 (in 3 als teilweise weggeschnitten dargestellt, um das Ende von Kern 36 freizulegen) haftet am terminalen Ende 38 des Kerns 36 und an einem benachbarten Bereich der Außenfläche des Kerns 36.
4 zeigt eine Schnittansicht des äußeren Endes des Kerns 36. Die Beschichtungsschicht 42 weist in seiner Dicke eine allgemein gleichmäßige Zusammensetzung auf. In einigen Fällen wird die Beschichtung in einem einzigen Schritt aufgebracht, während in anderen Fällen mehrere Dünnschichten des gleichen Materials nacheinander aufgebracht werden.
5 zeigt eine Ausführungsform eines Kerns 36' mit einem äußeren Ende mit zwei verschiedenen Arten von Beschichtungen, die nacheinander darauf aufbracht wurden. Die innere Beschichtungsschicht 42' weist eine erste Zusammensetzung auf und die äußere Beschichtungsschicht 43 weist eine zweite Zusammensetzung auf. Diese Art von Konfiguration kann von Nutzen sein, um Haftung und/oder Festigkeit der Baugruppe zu unterstützen, einen bestimmten gewünschten Satz oder eine einzigartige Kombination aus elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften zu erhalten, dickere Hüllenschichten aufzubauen, Automatisierung oder Vereinfachung des Herstellungsverfahrens zu erleichtern, das Erreichen einer gleich bleibenden Qualität zu erleichtern und dergleichen mehr.
Die in den 1–5 dargestellten elektrischen Bauelemente können so entworfen werden, dass sie einen breiten Bereich an eng gesteuerten elektrischen, mechanischen, dimensionalen und physikalischen Eigenschaften aufweisen. Die Art und Menge des/der Harze(s) und Bindemittel(s) im Substrat und in der Beschichtung kann so ausgewählt werden, um zu den gewünschten Eigenschaften zu führen; zum Beispiel hängt eine gute Haftung gewöhnlich vom Erreichen spezifischer Grenzflächenbedingungen an der Verbindung zwischen der Beschichtungsschicht und dem Substrat ab, die wiederum von solchen Faktoren wie Grenzflächenreinheit, Verträglichkeit der Harze und Lösungsmittel, Oberflächenenergie und Oberflächenspannung der Beschichtung 42 und dem Substrat 36 und dergleichen abhängen. Diese gewünschten Grenzflächenbedingungen können für eine große Auswahl an Füllstoffen, Füllstoffmengen, Füllstoffgemischen und Polymerarten erhalten werden.
Der Polymeranteil des Substrats kann ein duroplastisches oder thermoplastisches Polymer sein. Geeignete, duroplastische und/oder thermoplastische Polymere für die Anwendung bei der Herstellung des Bauteils umfassen Epoxide, Acetale, ionische und nichtionische Polyurethane, Polyimide, Polyester, Silikone, synthetische und natürliche Kautschuke (ionisch und nichtionisch), Polyethersulfone, Polysulfone, Polybutylphthalate, Polyether-Etherketone, Polyetherimide, Polystyrole, Polyolefine, Polyethylenterephthalate (PETs), Polyamide, Polyvinylchloride, Polyphenylenoxide, Polycarbonate, ABS, Fluorpolymere sowie die oben aufgeführten Polymere enthaltenden Gemische und Copolymere, sind aber nicht darauf beschränkt. Wie oben angegeben muss das Polymer, das Monomer oder dessen Präpolymer entweder eine Flüssigkeit sein und/oder in einem flüssigen Lösungsmittel und/oder Verdünnungsmittel dispergierbar sein und sich beim Trocknen, Kühlen und/oder Vernetzen verfestigen. Das Polymer ist basierend auf 100 Gewichtsteilen des Polymers und des Füllstoffs in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 99 Gewichtsteilen, oder etwa 1 bis etwa 75 Gewichtsteilen oder etwa 2 bis etwa 20 Gewichtsteilen vorhanden.
Wenn das Polymer duroplastisch ist, wird unter Verwendung eines geeigneten Vernetzungsmittels vernetzt, wie z. B. einer Substanz, die bei Anwendung von Hitze, Druck oder Strahlung oder einer Kombination von diesen eine Vernetzung induziert. Ein Vernetzungsmittel kann in einer Menge von, zum Beispiel, etwa 0,1 bis etwa 10, oder etwa 0,5 bis etwa 2 Gewichtsteilen pro Hundert (pph) basierend auf dem Gewicht des Polymers eingesetzt werden.
Bei dem Füllstoff für das Substrat kann es sich um Fasern oder Filamente handeln, einschließlich Kohlenstofffasern, Kohlenstofffilamenten, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstoffnanofasern, Kohlenstoffnanofilamenten oder Glasfasern oder metallbeschichteten Fasern wie z. B. metallisierte Kohlenstofffasern oder metallisierte Glasfasern, sowie polymere Arten, entweder synthetische oder natürliche Fasern oder Filamente wie z. B. Nylon, Polyester, Seide und dergleichen. Es können metallisierte Polymerfasern verwendet werden. Es können Füllstoffgemische verwendet werden. Zusätzliche, den Erfindungsbereich nicht einschränkende Beispiele für Substratfüllstofffasern und -filamente, die verwendet werden können, sind Kohlenstoffschwarz, ionische Salze einschließlich quartärer Ammoniumverbindungen, Bornitrid sowie kurze, leitfähige Kohlenstofffasern. In vielen Fällen sollten die Fasern eine hohe Zug- und Biegefestigkeit aufweisen. Eine geeignete Faser umfasst mehrere Kohlenstofffasern in einer Polymermatrix und ist als CarbonConX^TM (Xerox Corp.) bekannt. Ein beispielhaftes Verfahren, das zur Bündelung einer großen Anzahl an Kohlenstofffasern, zum Beispiel Tausenden von Fasern, verwendet werden kann, um innerhalb eines geeigneten Bindemittelharzes am Kontaktpunkt Redundanz zu gewährleisten, ist Strangziehen bei niedrigem Druck. Dieses Verfahren umfasst häufig das Ziehen von Kohlenstofffasern und einem thermoplastischen oder duroplastischem Polymer durch eine Form und Härten oder durch eine Verfestigungsdüse. Die Bauelemente sind durch eine hohe Dichte von gleichmäßig verteilten Leitfähigkeitsstellen, eine hohe Immunität gegenüber der Bildung von nicht leitfähigen Filmen und eine hohe Kontaktintegrität in Kontakte verringernden Umgebungen gekennzeichnet. Die Auswahl eines Füllstoffs für das Substrat und die Beschichtung hängt teilweise vom gewünschten elektrischen Widerstand und den Anforderungen der beabsichtigten Anwendung ab.
Für eine Art von Faserfüllstoff für das Substrat ist, zum Beispiel, ein Polyacrylnitril (PAN) die Vorstufenfaser und wird durch eine Carbonisierung bei kontrollierter Temperatur behandelt. Die Einzelheiten dieses Verfahrens werden im auf übliche Weise zugeordneten US-Patent 4,553,191 bereitgestellt.
In einigen Ausführungsformen ist der Füllstoff im Verbundstoff, basierend auf 100 Gewichtsteilen des Polymers und des Füllstoffs, in einer Menge von mindestens 1,0 vorhanden und ist üblicherweise mit etwa 1 bis etwa 99,9 Gewichtsteilen, oder etwa 25 bis etwa 99 Gewichtsteilen oder etwa 80 bis etwa 98 Gewichtsteilen vorhanden. Die hier beschriebenen Verfahren sind insbesondere für die Herstellung von gefüllten Polymerbauelementen von Nutzen, auf denen eine Metallbeschichtung nicht haften wird, wenn herkömmliche Elektrobeschichtungsverfahren eingesetzt werden. Es können verschiedene Füllstoffe und sogar verschiedene Polymere kombiniert und zusammen in einem einzigen Substrat genutzt werden.
Die Flüssigkeit, in der das Polymer und der Füllstoff dispergiert werden, ist typischerweise ein Lösungsmittel und kann in einigen Fällen ein Verdünnungsmittel oder eine Mischung oder Kombination davon sein. Allgemein gesagt ist ein „Verdünnungsmittel” ein verdünnendes Mittel, das einem flüssigen Polymer erlaubt, dünner, weniger konzentriert und/oder weniger viskos zu werden. Ein „funktionelles Verdünnungsmittel”, wie hierin verwendet, ist ein Verdünnungsmittel, das mindestens eine chemisch reaktive (oder funktionelle) Einheit aufweist, die der Molekülkette hinzugefügt wurde, wodurch eine Vernetzung zwischen dem/den Verdünnermolekül(en) und den Molekülen eines Polymers auftreten kann. Ein Lösungsmittel ist eine Flüssigkeit, in der ein Feststoff zumindest teilweise gelöst werden kann.
Weist das Bauelement eine darüber liegende Manschette auf, wie in der in 3 dargestellten Ausführungsform, kann die Manschettenschicht ein beliebiges, nichtmetallisches Material sein, das über der Kernschicht abgeschieden werden und darauf haften kann, um den gewünschten endgültigen Widerstandswert zu liefern. Nicht einschränkende Beispiele für geeignete Beschichtungsmaterialien umfassen Aquadag^®, sowie die mit Kohlenstoff oder Graphit pigmentierten Kompositbeschichtungen, die als „DAGs”^® bekannt sind, einschließlich, aber nicht beschränkt auf DAG^® 305, DAG^® EB-30 und DAG^® T-502, Electrodag^® 154 Widerstandsbeschichtung, Electrodag^® 402A, 403A und 404A, Baytron^® antistatische Beschichtungen CPP301D, CPP 105, CPP 4531 und dergleichen. Aquadag, Electrodag und DAG sind geschützte Produkte, die von Acheson Colloid, Port Huron, MI, USA geliefert werden. Baytron ist ein eingetragenes Warenzeichenprodukt, das von H. C. Starck, GmbH & Co KG (Deutschland) hergestellt wird.
Die Beschichtungsschicht oder Schichten, die auf mindestens einem Teil der Substratoberfläche abgeschieden werden, unterscheiden sich funktionell typischerweise von der Substratschicht, sind aber funktionell synergistisch dazu. Zum Beispiel weist die Substratoberfläche im Allgemeinen vielleicht nicht die gewünschten Oberflächeneigenschaften auf, die für die beabsichtigte Anwendung benötigt werden, wie z. B. Glätte, Härte, Weichheit, Glanz, Abnutzungs- oder Stoßfestigkeit, chemische Beständigkeit oder Korrosionsfestigkeit und dergleichen. Darüber hinaus sind die elektrischen Eigenschaften des Substrats vielleicht nicht ausreichend, um den Anforderungen der beabsichtigen Anwendung zu genügen und müssen eventuell auf geeignete Weise und/oder lokal angepasst werden, um die Anforderung(en) zu erfüllen. Die Eigenschaften der Beschichtungsschicht können so ausgewählt werden, um dem Bauelement auf eine konsistente und qualitativ hochwertige Weise die gewünschten Eigenschaften zu verleihen.
Die Beschichtung umfasst einen geeigneten Gehalt mindestens eines Füllstoffs aus nanostrukturierten, elektrisch leitenden Partikeln, die in einem geeigneten polymeren Bindemittel dispergiert sind. In einigen Fällen liegt der Füllstoff im Wesentlichen gleichmäßig im Bindemittel dispergiert vor. In einer Ausführungsform wird die Art und der Gehalt an im Substrat und Beschichtung eingesetzten Bindemittel(n) und Polymer so ausgewählt, dass entweder ein spezifischer Unterschied zwischen Volumen- und Oberflächenleitfähigkeiten von Beschichtungsschicht und Substrat oder eine Äquivalenz oder annähernde Äquivalenz dazwischen, sowie eine starke mechanische Kopplung zwischen der Beschichtung und dem Substrat besteht. Bei Verwendung zur Bildung einer Sondenspitze kann die Beschichtung verwendet werden, um eine herkömmliche und kostspielige 3schichtige Kupfer/Nickel/Gold-Spitzenbeschichtung einer herkömmlichen Sonde zu ersetzen und diese mit mehreren wichtigen neuen Funktionen und Eigenschaften auszustatten. Die Beschichtungsschicht 42 kann von einer beliebigen Dicke und Konfiguration sein, welche den Anforderungen der beabsichtigten Anwendung genügt. Die Dicke kann in einem Bereich von weniger als einem Mikrometer oder sogar wenigen Ångström bis zu 3 mm oder mehr liegen. Die Beschichtung weist häufig eine Dicke im Bereich der Molekülgröße des Polymers bis zu 2 mm auf. Wie oben angegeben, kann die Beschichtung eine einzelne Schicht oder mehrere Schichten umfassen. Weitere Einzelheiten der Ausführungsformen, einschließlich primärerer und alternativer Materialien und Formulierungsvariationen werden unten gegeben.
Ähnlich wie das Bindemittel im Substrat kann das in der Beschichtung verwendete polymere Bindemittel ein duroplastisches oder thermoplastisches Polymer sein. Geeignete, duroplastische und/oder thermoplastische Polymere für die Anwendung bei der Herstellung des Bauteils umfassen Epoxide, Acetale, ionische und nichtionische Polyurethane, Polyimide, Polyester, Silikone, synthetische und natürliche Kautschuke (ionisch und nichtionisch), Polyethersulfone, Polysulfone, Polybutylphthalate, Polyether-Etherketone, Polyetherimide, Polystyrole, Polyolefine, Polyethylenterephthalate (PETs), Polyamide, Polyvinylchloride, Polyphenylenoxide, Polycarbonate, ABS, Fluorpolymere sowie Gemische und Copolymere davon, sind aber nicht darauf beschränkt. Ein geeignetes Verdünnungsmittel oder Lösungsmittel wird eingesetzt, um eine Verdünnung und/oder Auflösung des Polymers, Monomers oder Präpolymers sowie eine Viskositätseinstellung zu gestatten, um eine Dünnschicht-Beschichtung auf dem Substrat zu ermöglichen. Nicht einschränkende Beispiele für geeignete Verdünnungsmittel oder Lösungsmittel umfassen organische aromatische Lösungsmittel wie z. B. Toluol, Cyclohexan und Benzol sowie aliphatische organische Lösungsmittel wie z. B. Aceton, Methylisobutylketon, Methylethylketon und dergleichen und Verdünnungsmittel wie z. B. Diglycidylether von Butandiolen (z. B. Heloxy 76, hergestellt von Hexion Specialty Chemicals), und polyfunktionelle Glycidylether (z. B. Heloxy 67 (difunktionell), Heloxy 68 (difunktionell) und Heloxy 76 (trifunktionell)). Wie oben angegeben muss das Polymer, das Monomer oder dessen Präpolymer in einer Flüssigkeit dispergierbar sein und sich beim Trocknen, Kühlen und/oder Vernetzen verfestigen. Das Polymer ist basierend auf 100 Gewichtsteilen des Polymers und des Füllstoffs, welche die Zusammensetzung ausmachen, in einer Menge von etwa 0,5 bis etwa 99 Gewichtsteilen, oder etwa 5 bis etwa 98 Gewichtsteilen oder etwa 20 bis etwa 90 Gewichtsteilen vorhanden. Im Allgemeinen kann das für die Beschichtungsschichtzusammensetzung ausgewählte Polymer das gleiche oder ein anderes sein als das für die Substratzusammensetzung verwendete, weist aber typischerweise eine höhere Konzentration auf, als die im Substrat eingesetzte Konzentration. Zum Beispiel kann die Konzentration des Polymers der Beschichtung mindestens 1,5- bis 2-mal größer sein als die für die Substratzusammensetzung verwendete Konzentration.
Wenn das Beschichtungspolymer duroplastisch ist, wird es unter Verwendung eines geeigneten Vernetzungsmittels vernetzt, wie z. B. einer Substanz, die bei Anwendung von Hitze, Druck oder Strahlung oder einer Kombination von diesen eine Vernetzung induziert. Ein Vernetzungsmittel kann in einer Menge von, zum Beispiel, etwa 0,1 bis etwa 10, oder etwa 0,5 bis etwa 2 Gewichtsteilen pro Hundert (pph) basierend auf dem Gewicht der Polymere eingesetzt werden.
Der in der Beschichtung verwendete Füllstoff aus nanostrukturierten, elektrisch leitenden Partikeln ist ein nanogroßes Material wie z. B. Kohlenstoffnanoröhrchen, die gegebenenfalls funktionalisiert sind, Bornitridnanoröhrchen und/oder Nanopartikel aus Au, Ag, Sn, Cr, Cu, Ni, Zn, Be, Pt, Pd, Ti, Mo und/oder Mn, Metalloxide und dergleichen, oder Mischungen oder Gemische davon. Weitere geeignete Füllstoffe umfassen nanostrukturierte organische Salze, anorganische Salze und zerkleinerte Fasern. Der Füllstoff wird typischerweise in einer Menge von etwa 1 bis etwa 30 Gew.-% oder etwa 1,5 bis etwa 25 Gew.-% oder etwa 2 bis etwa 20 Gew.-% eingesetzt.
Der Füllstoff aus nanostrukturierten, elektrisch leitenden Partikeln weist typischerweise Partikel mit einer Größe von 1–300 nm auf und wenn der Füllstoff in Form einer Faser vorliegt, kann deren Längen im Bereich von 1–500 μm liegen. Nicht einschränkende Beispiele von geeigneten Füllstoffmaterialien umfassen mehrwandige Kohlenstoffnanoröhrchen in der Form von Fasern oder Fäden mit einem Außendurchmesser von 7–15 nm, einem Innendurchmesser von 3–6 nm und einer Länge von 3–200 mm, wie solche, die von Sigma-Aldrich und/oder Zyvex erhältlich sind, Silbernanopulver mit einer ellipsoiden oder kugeligen Form und einer Partikelgröße im Bereich von 3–100 nm, Palladiumnanopulver mit einer ellipsoiden oder kugeligen Form und einer Partikelgröße von 5–100 nm sowie Diamantnanopulver.
Zu der Beschichtung können zusätzliche Füllstoffe gegeben werden, um andere gewünschte Eigenschaften wie Festigkeit, Kratz- oder Stoßfestigkeit, geringe Reibung, chemische oder Kontaminationsbeständigkeit, Korrosionsfestigkeit, Glätte oder Weichheit, Glanz oder Farbe zu verleihen. Solche Füllstoffe umfassen Nanosiliciumdioxid, um Zähigkeit zu verleihen, Siliciumdioxid, um Härte und Kratzfestigkeit zu verleihen, Titanate wie zum Beispiel Bariumtitanat, um elektrische Eigenschaften wie z. B. dielektrische Eigenschaften zu verleihen, Fluorpolymere oder Stearate wie z. B. Zinkstearat, um die Oberflächenreibung und Kontaminationen zu verringern, sowie Farbmittel.
In Ausführungsformen haftet die Beschichtung mit einer Haftfestigkeit auf dem Substrat, die mindestens 10% oder mindestens 30% oder mindestens 50% der Kohäsionsfestigkeit des Substrats beträgt.
6 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Substrats gemäß einer Ausführungsform. Das Gesamtverfahren ist mit 50 bezeichnet. Bei 52 wird ein unbeschichtetes Bauelement erhalten und gegebenenfalls bei 54 teilweise maskiert. Das Bauelement wird bei 56 in eine erste Beschichtungslösung getaucht. Im Falle einer Mehrlagenbeschichtung wird das Bauelement bei 58 gegebenenfalls getrocknet und dann bei 60 in eine zweite Beschichtungslösung getaucht. Die Maske wird (falls zutreffend) bei 62 entfernt und das Bauelement wird bei 64 getrocknet. Alternativ kann die Maske nach dem letzten Trocknen entfernt werden. Das Verfahren kann verwendet werden, um Bauelemente mit präzisen elektrischen Eigenschaften, wie z. B. Widerstand, in großen Stückzahlen zu produzieren. In Ausführungsformen wird ein Satz elektrischer Bauelemente hergestellt, in denen der elektrische Widerstand von jedem Bauelement innerhalb von 1% des Widerstands von jedem der anderen elektrischen Bauelemente im Satz liegt. Gewöhnlich haben alle Bauelemente in dem Satz die gleiche Zusammensetzung.
Als Alternativen zur Tauchbeschichtung kann die Beschichtung durch Sprühbeschichten, Transferbeschichten, Kiss-Coating, Foulardieren, Walzenbeschichten, Schleuderbeschichten und dergleichen aufgebracht werden.
Die hier beschriebenen Verfahren können zur Herstellung von Bauelementen mit einer beliebigen Anzahl an Beschichtungsschichten in beliebiger Größe, einschließlich kleiner Beschichtungsschichten mit einer Oberfläche von etwa 1 μm² bis etwa 100 mm² verwendet werden. Die Serienfertigung von kleinen Bauelementen mit sehr präzise kontrollierten, mechanischen und elektrischen Eigenschaften kann erreicht werden.
Eine nutzbringende Art von elektrischem Bauelement umfasst ein Substrat mit einer hohen Zuladung von Kohlenstofffasern, die durch ein duroplastisches oder thermoplastisches Polymerbindemittel zusammengehalten werden. Eine besondere Konfiguration eines Substrats umfasst ein Epoxyharzbindemittel, ein Vernetzungsmittel und einen Kohlenstofffasern enthaltenden Füllstoff. Die Beschichtungslage wird auf dem Verbundstoff abgeschieden. In dieser Ausführungsform wird das Epoxyharz basierend auf 100 Gewichtsteilen des Harzes und des Füllstoffs in einer Menge von etwa 1 bis etwa 90 Gewichtsteilen, oder etwa 2 bis etwa 60 Gewichtsteilen oder etwa 2 bis etwa 10 Gewichtsteilen eingesetzt. Die Kohlenstofffasern sind basierend auf 100 Gewichtsteilen des Harzes und des Füllstoffs in einer Menge von etwa 1 bis etwa 99 Gewichtsteilen, oder etwa 80 bis etwa 98 Gewichtsteilen oder etwa 90 bis etwa 98 Gewichtsteilen vorhanden. Bei einigen Anwendungen kann auch nur eine einzige Faser als der Füllstoff verwendet werden. Ein den Erfindungsgedanken nicht einschränkendes Beispiel eines Vernetzungsmittels zur Verwendung mit Epoxiden in einer Menge von 0,1 bis etwa 2,0 Gewichtsteilen basierend auf 100 Gewichtsteilen Harz ist ein heterocyclisches Amin, Lindax (Lindau Chemicals, Inc., Columbia, SC, USA). Der elektrische Widerstand und die mechanische Festigkeit der resultierenden Bauelemente kann exakt eingestellt werden, um den Anforderungen der beabsichtigten Anwendung zu genügen. Eine Art von auf dem Substrat abgeschiedener Beschichtung, die im vorhergehenden Absatz beschrieben wurde, wird aus einwandigen oder mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen und einem Epoxybindemittel gebildet.
Eine den Erfindungsgedanken nicht einschränkende, beispielhafte Endanwendung von Bauelementen mit einem Aufbau wie in den 1–5 gezeigt, ist als Sonde von elektrischen oder elektronischen Geräten, z. B. eine Oszilloskop-Sondenspitze, die aus einem Verbundstoff gebildet werden kann, der eine hohe Ladung (d. h. im Bereich von > 90 Gew.-%) einer resistiven Kohlenstofffaser (r-Faser), eine ausreichende Menge (d. h. im Bereich von 2 bis 10%) Bindemittelharz und (gegebenenfalls) ein geeignetes Vernetzungsmittel umfasst. Die Zusammensetzung kann dann mittels eines Wärme und Druck einsetzenden Strangziehverfahrens in einem kontinuierlichen Prozess zum Formen und Verfestigen der Konfiguration in einen festen, runde Stab oder eine andere gewünschte Konfiguration umgewandelt werden, wobei das Bindemittelharz in dieser Zeit vernetzt und aushärtet. Die Beschichtung wird auf einem Teil des Stabs aufgebracht.
Die folgenden Beispiele sollen den Erfindungsbereich darstellen und diesen nicht einschränken.
Vergleichsbeispiel 1 – Bauelement mit einer metallbeschichteten Spitze
Ein Satz aus pultrudierten Verbundstäben wurde hergestellt, wobei jeder Stab eine Länge von etwa 1,27 cm (0,5 inch) und einen Durchmesser von 0,254 mm (0,010 inch) bis 0,33 mm (0,013 inch) aufwies. Die Stäbe enthielten hohe Ladungen (> 90 Gew.-%) r-Fasern, d. h. resistive PAN-basierte 3K-Kohlenstofffasern (Hexcel Corp., Stamford, CT, USA) in einem flüssigen Harz Epon 862 mit geringer Viskosität (Hexion Specialty Chemicals, Houston, TX, USA). Epon 862 ist ein Diglycidylether von Bisphenol F. Die Vernetzung des Epoxyharzes wurde mit einem 1-(2-Hydroxypropylimidazol)-Vernetzungsmittel, Lindax-1 (Lindau Chemicals, Inc, Columbia, SC, USA) initiiert. Die Enden und oder Seiten einiger der Proben wurden unter Verwendung eines Eximer-Lasers (Resonetics, Inc., Nashua, NH, USA) beschnitten und/oder gefräst. Der Oberflächenbereich der Spitze der Verbundstabprobe wurde unter Verwendung eines herkömmlichen stromlosen Beschichtungsverfahrens mit Gold beschichtet. Der beschichtete Bereich von jedem Stab umfasste das Ende des Stabes, das einen Durchmesser von etwa 0,285 mm (0,011 inch) aufwies, und erstreckte sich über Länge von etwa 0,2 mm entlang der Seite des Stabes vom Ende aus.
Es wurde eine Auswahl an physikalischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften gemessen und die Ergebnisse von frühen Untersuchungen zum elektrischen Betriebsverhalten und der Handhabung ergaben, dass die Goldspitze anfangs recht gute Betriebseigenschaften zeigte und den Erwartungen gerecht zu werden schien. Im weiteren Verlauf der Untersuchung wurden die elektrischen Ergebnisse immer verrauschter und dann wurde ein beträchtlicher Abfall der Betriebseigenschaften festgestellt. Es wurde eine Korrelation zwischen dem Abfall der Betriebseigenschaften und dem Abblättern der Goldbeschichtung von den Proben hergestellt. In anderen gleichartigen Untersuchungen, die zur weiteren Bestätigung der Ursache für den Abfall der Betriebseigenschaften durchgeführt wurden, ergaben mechanische Untersuchungen, dass die Haftung von Gold auf diesen Prüfkörpern gering war, wie durch den beträchtlichen Verlust an Goldbeschichtung in den Seitenbereichen gezeigt wurde, in denen die Goldbeschichtung ohne Weiteres entfernt werden konnte.
Beispiel 1
Es wurden mehrere Proben mit beschichteten Spitzen unter Verwendung eines Substrats wie im Vergleichsbeispiel 1 beschrieben hergestellt, aber ohne eine Gold beschichtete Spitze. Das Substrat wurde aus Epoxyharz (EPON 862) gebildet und es wurde die gleiche resistive Kohlenstofffaser wie in Vergleichsbeispiel 1 verwendet. Die Vernetzung des Epoxyharzes wurde mit einem 1-(2-Hydroxypropylimidazol)-Vernetzungsmittel, Lindax-1 (Lindau Chemicals, Inc, Columbia, SC, USA) initiiert. Anstelle einer Goldbeschichtung wurde jedoch eine Kohlenstoffnanoröhrchen enthaltende Beschichtung mittels Eintauchen und Rotieren in einem ungehärteten polymeren Epoxygemisch auf der Spitze abgeschieden. Die Beschichtung wurde aus einer Zusammensetzung aus 0,4 Gramm mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen (MWCNT) (Produktnr. 694185, Sigma-Aldrich, St Louis, MO, USA) gebildet, die mechanisch und mittels Ultraschall in 3 Gramm eines Diglycidylethers von 1,4-Butandiol (Heloxy 67) dispergiert und dann mit 10 Gramm Epoxyharz (EPON 862) und 0,3 Gramm Vernetzungsmittel (Lindax-1) vermischt wurden. Gemäß der Literatur weist Epon 862 ein Gewicht pro Epoxid von 165–173 g/äq (ASTM D1652), eine Viskosität bei 25°C von 25–45 P (ASTM D445) und eine Dichte bei 25°C von 9,8 lb/gal (1,17 kg/l) (ASTM D1475) auf und der Heloxymodifizierer 67 weist ein Epoxidäquivalentgewicht von 123,4–136,6 g/äq, eine Viskosität bei 25°C von 10–20 mPas, eine Dichte von 9,10–9,30 lbs/gal 1,09–1,11 kg/l) und einen Flammpunkt (Setaflash) von mehr als 200°F (93,3°C) auf. Die Literatur gibt an, dass die verwendeten MWCNT eine 95%ige Kohlenstoffbasis mit einem Außendurchmesser von 6–16 nm, einem Innendurchmesser von 2–7 nm und einer Länge von 0,5–200 μm aufweisen. Mehrere der Substrate wurden mit einer Dünnschicht des Beschichtungsmaterials sowohl auf dem gefrästen Spitzenende als auch auf dem gegenüberliegenden Stabende mit dem vollen Durchmesser beschichtet. Die mit Kohlenstoffnanoröhrchen beschichteten Substrate wurde mit den Gold beschichteten Substraten verglichen. Es erwies sich, dass die mit Kohlenstoffnanoröhrchen beschichteten Substrate eine längere Nutzungsdauer aufweisen als Gold beschichtete Substrate. Die goldbeschichteten Substrate delaminierten nach wenigen Dutzend mechanischer Betätigungen mit einer Kraft von 15–40 g. Die modifizierten Polymerspitzen bewahrten ihre Betriebseigenschaften auch nach vielen Dutzenden Betätigungen und die Beschichtung versagte durch Delamination nur beim Entfernen mit einer scharfen Messerklinge, die auch die grundlegende Stabstruktur beschädigte.
Vergleichsbeispiel 2 – Unbeschichtetes Substrat
Aus einem Epoxyharz, Epon 862 (Hexion Specialty Chemicals, Columbus, OH, USA), das resistive PAN-basierte 3K-Kohlenstofffasern enthielt, wurde ein Satz aus pultrudierten, stabförmigen Substraten mit einem ungefähren Durchmesser von 0,56 mm (0,022 inch) und einer Länge von 3,3 cm (1,3 inch) gebildet. Die Vernetzung des Epoxyharzes wurde mit einem 1-(2-Hydroxypropylimidazol)-Vernetzungsmittel, Lindax-1 (Lindau Chemicals, Inc, Columbia, SC, USA) initiiert. Die gehärteten Substrate enthielten > 85 Gew.-% Fasern. Der Widerstand der Stäbe wurde unter Anlegen einer Spannung von 1 V Gleichstrom gemessen. Der gemessene Widerstand betrug 800 Ohm/cm.
Beispiele 2–6
Ein Satz an stabförmigen Substraten wurde auf die gleiche Weise wie im Vergleichsbeispiel 2 hergestellt. In diesen Beispielen wurden jedoch beide Enden der Stäbe mittels Eintauchen der Spitze und Rotieren in ungehärteten polymeren Epoxygemischen mit den in der unten folgenden Tabelle 1 angegebenen Formulierungen beschichtet und anschließend 2 Stunden lang bei 200°C in einem Ofen getrocknet. In Beispiel 6 wurden die Bestandteile in einem Toluol-Lösungsmittel vorgemischt. Der beschichtete Bereich von jedem Stab umfasste das Ende des Stabs und eine Länge von etwa 0,2 mm entlang der Seite des Stabs vom Ende aus.
Der Durchgangsoberflächenwiderstand der jeweiligen Beschichtungszusammensetzung wurde durch Herstellung von 1 cm³ großen Teststücken des Beschichtungsmaterials und Messen von deren Widerstand nach 15sekündigem Eintauchen in eine 70%ige (Gew.-%) Salpetersäurelösung gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Um den Widerstand des jeweiligen beschichteten stabförmigen Substrats zu messen, wurden die Proben 15 Sekunden lang in eine 70 Gew.-% Salpetersäure und 30 Gew.-% Wasser enthaltende Lösung eingetaucht. Die Widerstandswerte sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Um die Haftung der Beschichtung auf dem Substrat zu bewerten, wurde die folgende Skala verwendet.
Beschichtungshaftung
Bewertung Beschreibung

1

Beschichtung wird ohne Weiteres durch Gleiten oder durch einen Kollisionskontakt mit einer harten Oberfläche entfernt

2

Beschichtung delaminiert oder blättert ab nach 1–2 Dutzend mechanischer Kompressionsbetätigungen mit 15–40 g Kraft

3

Beschichtung haftet gut; 2 Dutzend mechanische Betätigungen bei einer Sondenkraft von 40 g erzeugte keine Delamination.

In den Beispielen 2–6 splitterte die Spitze nur, wenn die Beschichtung mit der scharfen Messerklinge eines Exakto-Messers entfernt wurde, was zeigt, dass die Haftung der Beschichtung auf dem Substrat sehr stark war.
Für Anwendungen, in denen es erwünscht ist, den Widerstand des unbeschichteten Stabs anzupassen, sind die besten Beispiele solche mit einem niedrigen Widerstandswert, d. h. die Beispiele 3 und 5. Mittlere und/oder hohe Widerstandswerte können jedoch von Nutzen sein, wenn es wünschenswert ist, die Leitfähigkeit des Substrats für eine Steuerung der Bauelementisolierung und/oder Widerstandsanpassung zu verringern. So wird die Auswahl einer Beschichtung teilweise von der gewünschten Endleitfähigkeit des beschichteten Substrats abhängen.
Beispiele 7–8

Stabförmige Substrate wurden auf eine Weise wie im Vergleichsbeispiel 1 beschrieben hergestellt. Anstelle einer Beschichtung mit einer Epoxybeschichtung von der in den Beispielen 2–6 verwendeten Art wurde jedes Ende eines ersten Satzes an Stäben mit einer kommerziell erhältlichen, elektrisch leitenden Silberfarbe (Beispiel 7) und jedes Ende eines zweiten Satzes an Stäben unter Verwendung eines Gasphasenabscheidungsverfahrens mit Gold beschichtet (Beispiel 8). Die Stäbe wurden 15 Sekunden lang in 70%ige (Gew.-%) Salpetersäure eingetaucht und ihr Widerstand wurde unter Anlegen einer Spannung von 1 V Gleichstrom gemessen. Der gemessene Widerstand war in beiden Fällen gering. Die Silberfarbe wurde durch Kontakt mit einer harten Oberfläche leicht entfernt. Die Goldbeschichtung wurde durch mechanische Manipulation entfernt. Tabelle 1 – Beschichtungszusammensetzung und Bauelementwiderstand

Bestandteile der Beschichtung	Bsp. 2	Bsp. 3	Bsp. 4	Bsp. 5	Bsp. 6	Bsp. 7	Bsp. 8	Vergl.bsp. 2
	Teile	Teile	Teile	Teile	Teile
Epon 862 Anteil von Zyvex (a)	9,8	2,45	2,45	2,45	2,45			Keines
MWCNT Anteil von Zyvex (a)	0,2	0,05	0,05	0,05	0,05			Keines
MWCNT (b)		0,5	0,5		1			Keines
Lindax-1	0,3	0,075	0,075	0,075	0,075			Keines
Ag Nano (c)			0,5	0,5	0,8			Keines
Toluol (d)					1,3			Keines

Farbe						Silber		Keines
Gasphasenabscheidung von Metall							Gold	Keines
Widerstandsmess.
Durchgangsoberflächen-R/cm von Beschichtungsmaterial ohne angelegte Spannung	60 Kohm/cm	52 Kohm/cm	15,6 ohm/cm	60 Kohm/cm	300 ohm/cm	0,001 ohm/cm	0,001 ohm/cm
Durchgangsoberflächen-R/cm mit angelegter Spannung von 1 V Gleichstrom	964 ohm/cm	479 ohm/cm	413 ohm/cm	545 ohm/cm	313 ohm/cm	280 ohm/cm	342 ohm/cm	800 ohm/cm
Bewertung Beschichtungshaftung	3	3	3	3	3	1	2

(a) Das Zyvex (www.zyvexpro.com) enthielt 98 Gew.-% Epon 862 und 2 Gew.-% funktionalisierte MWCNT (vom Verkäufer bereitgestellte Daten)
(b) Nicht funktionalisierte CNT, Produkt von Sigma-Aldrich Nr. 694185 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA)
(c) Ag-Nanopartikel mit einer mittleren Größe von 40 nm mit einem hauptsächlichen Partikelgrößenbereich von 8–100 nm, zufällige Abmessungen
(d) Bestandteile wurden in Toluol vorgemischt.

Beispiel 9
Die Vorgehensweise aus Beispiel 2 wurde wiederholt, außer dass der in der Beschichtung eingesetzte Füllstoff ein Palladiumnanopulver mit ellipsoiden bis kugelförmigen Partikeln mit einem Größenbereich von etwa 4 bis etwa 58 nm war. Es wurde eine Haftungsbewertung der Beschichtung auf den Bauelementen von 3 nachgewiesen.
Beispiel 10
Die Vorgehensweise aus Beispiel 2 wurde wiederholt, außer dass der in der Beschichtung eingesetzte Füllstoff ein 50/50-Gemisch (Gew.-%) aus MWCNT und einem Palladiumnanopulver mit ellipsoiden bis kugelförmigen Partikeln mit einem Größenbereich von etwa 4 bis etwa 58 nm war. Es wurde eine Haftungsbewertung der Beschichtung auf den Bauelementen von 3 nachgewiesen.
Vorhersagebeispiel 11
Die Vorgehensweise aus Beispiel 2 wird wiederholt, außer dass der in der Beschichtung eingesetzte Füllstoff ein Diamantnanopulver ist, das in Kunststoffen eine verbesserte Kratzfestigkeit gewährleistet. Es ist zu erwarten, dass die Bauelemente eine Haftungsbewertung von 3 aufweisen werden.
Vorhersagebeispiel 12
Die Vorgehensweise aus Beispiel 1 wird wiederholt, außer dass das im Substrat und der Beschichtung verwendete Harz ein duroplastischer Polyester und ein organisches Peroxid ist. Es ist zu erwarten, dass die Bauelemente eine Haftungsbewertung von 3 aufweisen werden.
Vorhersagebeispiel 13
Die Vorgehensweise aus Beispiel 2 wird wiederholt, außer dass das im Substrat und der Beschichtung verwendete Harz ein thermoplastisches Polybutylphthalatharz ist und daher kein Vernetzungsmittel erforderlich ist. Es ist zu erwarten, dass die Bauelemente eine Haftungsbewertung von 3 aufweisen werden.
Vorhersagebeispiel 14
Die Vorgehensweise aus Beispiel 2 wird wiederholt, außer dass das im Substrat und der Beschichtung verwendete Harz ein elastomeres Fluorpolymer und ein Lösungsmittel ist. Ein geeignetes Fluorelastomerpolymer in Kautschukpolymerform, wie z. B. Viton^® A-100 von DuPont, wird mit einem Vernetzungsmittel wie z. B. Viton^® Curative #50 von DuPont kombiniert. Es ist zu erwarten, dass die Bauelemente eine Haftungsbewertung von 3 aufweisen werden.
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 Patentliteratur

US 6426134 [0006]
US 5643990 [0006]
US 4553191 [0034]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM D1652 [0054]
ASTM D445 [0054]
ASTM D1475 [0054]
www.zyvexpro.com [0062]

Claims

Elektrisches Bauelement, umfassend: ein Substrat, das einen elektrisch leitenden Füllstoff in einem polymeren Bindemittel umfasst, wobei das Substrat eine Oberfläche aufweist, und eine Beschichtungsschicht, die auf mindestens einem Teil der Substratoberfläche haftet, wobei die Beschichtungsschicht einen Füllstoff aus nanostrukturierten, elektrisch leitenden Partikeln sowie ein Polymerharz umfasst.
Bauelement gemäß Anspruch 1, wobei der Füllstoff aus nanostrukturierten, elektrisch leitenden Partikeln im Wesentlichen gleichmäßig in dem Harz dispergiert ist und/oder wobei die Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Substrat mindestens 10% der Kohäsionsfestigkeit des Substrats beträgt.
Bauelement gemäß Anspruch 1, wobei der Füllstoff aus nanostrukturierten, elektrisch leitenden Partikeln mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoffnanoröhrchen, Bornitridnanoröhrchen, Metallnanopartikeln, Metalloxiden, organischen Salzen, anorganischen Salzen und zerkleinerten Fasern umfasst.
Bauelement gemäß Anspruch 1, wobei das Harz mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Epoxiden, Acetalen, ionischen und nichtionischen Polyurethanen, Polyimiden, Polyestern, Silikonen, synthetischen und natürlichen Kautschuken (ionischen und nichtionischen), Polyethersulfonen, Polysulfonen, Polybutylphthalaten, Polyether-Etherketonen, Polyetherimiden, Polystyrolen, Polyolefinen, Polyethylenterephthalaten (PETs), Polyamiden, Polyvinylchloriden, Polyphenylenoxiden, Polycarbonaten, ABS, Fluorpolymeren sowie Mischungen und Copolymere davon, umfasst.
Bauelement gemäß Anspruch 1, wobei der elektrisch leitende Füllstoff des Substrats ausgerichtete Fasern umfasst oder gegebenenfalls ausgerichtete Kohlenstofffasern, oder wobei das Substrat etwa 25 bis etwa 99 Gewichtsteile Füllstoff basierend auf 100 Gewichtsteilen des polymeren Bindemittels und Füllstoffs enthält oder wobei die Beschichtungsschicht mindestens 0,5 Gew.-% Füllstoff aus nanostrukturierten elektrisch leitenden Partikeln enthält.
Bauelemente gemäß Anspruch 1, wobei das polymere Bindemittel im Substrat mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Epoxiden, Acetalen, Polyestern, Kautschuken, Polyurethanen, Polyethersulfonen, Polysulfonen, Polybutylphthalaten, Polyether-Etherketonen, Polyetherimiden, Polystyrolen, Polyethylenterephthalaten, Polyamiden, Polyimiden, Polyvinylchloriden, Polyphenylenoxiden, Polycarbonaten, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Terpolymeren, Silikonen, Fluorpolymeren und Polyolefinen, umfasst.
Bauelement gemäß Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine Manschettenschicht, die über einem Teil des Substrats gebildet wird, oder wobei die Haftfestigkeit zwischen der Beschichtungsschicht und dem Substrat größer ist als die Kohäsionsfestigkeit des Substrats.
Bauelement gemäß Anspruch 3, wobei die Beschichtung einen zweiten Füllstoff umfasst, der mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Verstärker, einem Kratzerverhinderer, einem Oberflächenreibungsverringerer, einem Zusatzstoff zur Härtekontrolle, einem Verunreinigungschutzmittel, einem Korrosionsschutzmittel oder einem Farbmittel umfasst.
Verfahren umfassend: Erhalten eines Substrats, umfassend einen elektrisch leitenden Füllstoff in einem polymeren Bindemittel, Dispergieren eines Füllstoffs mit nanostrukturierten elektrisch leitenden Partikeln in einer Flüssigkeit, die mindestens ein Lösungsmittel und ein reaktives Verdünnungsmittel umfasst, zur Bildung einer Dispersion, Mischen der Dispersion mit einem flüssigen Harz zur Bildung einer Beschichtungsmischung, Aufbringen der Beschichtungsmischung auf dem Substrat, und Vernetzen der aufgebrachten Beschichtungsmischung zur Bildung eines beschichteten Substrats.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Flüssigkeit ein reaktives Verdünnungsmittel umfasst und das reaktive Verdünnungsmittel einen Diglycidylether eines Diols umfasst, oder des Weiteren umfassend die Zugabe eines Vernetzungsmittels zu der Mischung, welche die Dispersion und das unvernetzte Harz enthält, oder wobei die Beschichtungsmischung zumindest aufgebracht wird durch Eintauchen, Sprühbeschichten, Schleuderbeschichten, Transferbeschichten, Kiss-Coating, Foulardieren und Walzenbeschichten.