DE102011109578B4

DE102011109578B4 - Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Materials, elektrisch leitendes Material sowie Strahler mit elektrisch leitendem Material

Info

Publication number: DE102011109578B4
Application number: DE102011109578.4A
Authority: DE
Inventors: Sven Linow; Maike Klumpp
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2031-08-06
Also published as: HK1199143A1; EP2740146A2; CN104040682A; EP2740146B1; US9269560B2; KR20140040867A; US20140191651A1; WO2013020620A3; CN104040682B; WO2013020620A2; KR101585351B1; DE102011109578A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Materials (5), wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet: a. Bereitstellen einer Carbonfaser (3), b. Bereitstellen einer von der Carbonfaser (3) verschiedenen Kunststofffaser (4), c. Herstellen einer Mischung (1) in Form eines flächigen Non-woven (2) aus der Carbonfaser (3) und der Kunststofffaser (4), d. gegebenenfalls Trocknen der Mischung (1), e. Konsolidieren der Mischung (1), f. gegebenenfalls Zuschneiden der Mischung (1), g. Carbonisieren der Mischung, wobei die carbonisierten Kunststofffasern (4) eine kohlenstoffbasierte, elektrische Leitfähigkeit aufweisende Matrix (6) bilden, welche die Carbonfasern (3) mindestens teilweise umgibt und wobei bezogen auf eine Schnittebene (11) durch den Verbund aus der Gesamtzahl der durch die Schnittebene (11) verlaufenden Carbonfasern (3) mehr als 20% der durch die Schnittebene (11) verlaufenden Carbonfasern (3) keine weitere durch dieselbe Schnittebene (11) verlaufende Carbonfaser (3) kontaktieren.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Materials, ein elektrisch leitendes Material sowie einen Strahler, welcher ein elektrisch leitendes Material beinhaltet.
Die hier in Rede stehenden elektrisch leitenden Materialien kommen insbesondere als elektrisch beheizte Elemente für den Einsatz in Glühlampen oder Infrarotstrahlern in Betracht. Demnach eignen sich solche elektrisch leitenden Materialien insbesondere zur zielgerichteten Emission von Strahlen im sichtbaren und insbesondere auch im nicht sichtbaren Wellenlängenbereich.
Derartige elektrisch leitende Materialien sind oftmals kohlenstoffbasiert oder bestehen überwiegend aus Kohlenstoff. Elektrisch leitende Materialien der hier in Rede stehenden Art können jedoch als Ausgangsmaterial alternativ oder zusätzlich von Kohlenstoff verschiedene Materialien aufweisen, welche eine elektrische Leitfähigkeit bereitstellen.
In gebrauchsfertiger, konfektionierter Form werden in Rede stehende elektrisch leitende Materialien gegebenenfalls auch als Glühfaden, Glühdraht, Glühwendel, Heizstab und insbesondere als Filament bezeichnet. Sofern im Folgenden von Filamenten die Rede ist, ist hierbei stets auch das elektrisch leitende Material umfasst, aus welchem das Filament aufgebaut ist.
Die Herstellung elektrisch leitender Materialien, insbesondere von kohlenstoffbasierten Materialien, für den Einsatz als elektrisch beheiztes Element für den Einsatz in Glühlampen oder Infrarotstrahlern ist seit langem bekannt. Solche elektrisch leitenden Materialien unterlaufen eine Vielzahl von Fertigungsschritten, die darauf abgestellt sind, die Materialien für einen dauerhaften Einsatz bei Temperaturen oberhalb von 800°C vorzubereiten.
Dabei besteht im Allgemeinen die Schwierigkeit, stets alle Materialien bzw. Filamente eines Fertigungsloses trotz Schwankungen der Eigenschaften des Ausgangsmaterials in einem definierten Toleranzbereich in Bezug auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften zu fertigen und so konstante, gleichbleibende Eigenschaften der Strahlenquelle zu gewährleisten. Die elektrischen Eigenschaften sind dabei im Allgemeinen so einzustellen, dass die erwünschte Leistung (bei Infrarotstrahlung) oder die Farbtemperatur (bei Glühlampen) bei vorgegebener Nennspannung und vorgegebenen Abmessungen der Strahlungsquelle erreicht werden. Des Weiteren soll das elektrisch leitende Material eine ausreichende mechanische Festigkeit und Formbeständigkeit aufweisen. Schließlich sollen sich der Aufwand und die Kosten für die Herstellung des elektrisch leitenden Materials in einem vertretbaren Rahmen bewegen.
Je nach gewünschtem Einsatzzweck hier in Rede stehender elektrisch leitender Materialien werden im Allgemeinen die oben aufgezeigten Anforderungen variieren, und verschiedene technische Lösungen zur Einhaltung dieser Anforderungen werden vom zuständigen Fachmann gewählt werden. Ein Überblick über die Herstellung genannter elektrisch leitender Materialien ist dabei John W. Howell, Henry Schroeder: History of the Incandescent Lamp, The Maqua Company, Schenectady, NY 1927, entnehmbar.
Beispielsweise lassen sich genannte elektrisch leitende Materialien herstellen, indem Fasern, welche eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, mit einem geeigneten Umgebungsmaterial umgeben werden. Dieses Umgebungsmaterial kann daraufhin eine geeignete Matrix für die elektrisch leitenden Fasern bereitstellen, und zwar insbesondere nach Durchführung einer Hitzebehandlung.
Es liegt auf der Hand, dass der Fachmann zur Erzielung konkreter Eigenschaften gemäß oben dargelegtem Anforderungsprofil bestrebt sein wird, die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials zielgerichtet zu variieren. Dazu sind aus dem Stand der Technik eine Reihe von Ansätzen bekannt.
Zunächst ist eine Variation der Querschnittsfläche des elektrisch leitenden Materials, insbesondere in konfektionierter Form als Filament, bei gleichbleibender Oberfläche denkbar. Bei elektrisch leitenden Materialien, welche als gestreckte Bänder ausgestaltet sind, lassen sich so bei annähernd konstantem Umfang und abnehmender Dicke die elektrischen Werte über einen weiten Bereich einstellen. Sollen jedoch längere Strahler bei üblichen Spannungen betrieben werden, erweisen sich solche als elektrisch leitendes Material verwendeten gestreckten Bänder als zu dünn, zu brüchig und zu rissanfällig.
Aus der EP 0 700 629 B1 sind elektrisch leitende Materialien, insbesondere als Filament konfektioniert, bekannt, welche hohe Leistungen bei großer Strahlerlänge und gleichzeitig vertretbarer Stabilität des elektrisch leitenden Materials, nämlich des Filaments, bereitstellen. Allerdings ist dort der elektrische Widerstand der vorgeschlagenen Filamente zu gering, um kurze oder sehr lange Strahler bei industriell üblichen elektrischen Spannungen betreiben zu können. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass eine Variation der Sorte der elektrisch leitenden Fasern innerhalb des elektrisch leitenden Materials oder der Harzsorte als Matrixbildner keine entscheidende Veränderung dieser Eigenschaft bereitstellt, wenn das Filament aus elektrisch leitender Material gleichzeitig sicher verarbeitbar sein soll.
Alternativ oder zusätzlich ist bekannt, Ausgangsstoffe des elektrisch leitenden Materials zu dotieren, um bestimmte elektrische Eigenschaften zu erreichen. So kann ein elektrisch leitendes Material beispielsweise aus kristallinem Kohlenstoff, amorphem Kohlenstoff und weiteren Substanzen zum Einstellen der Leitfähigkeit hergestellt werden, wie beispielsweise Stickstoff. und/oder Bor. Solche Materialien werden in US 6,845,217 B2 beschrieben. US 6,627,144 B1 schlägt die Verwendung organischer Resine, Kohlenstoff-Pulver, Silicium-Carbid und Bor-Nitrid vor.
Auf diese Arten hergestelltes elektrisch leitendes Material besitzt jedoch die Eigenschaft, dass hieraus erhaltene Filamente bzw. Heizstäbe eine gewisse nicht unerhebliche Dicke nicht unterschreiten dürfen. Des Weiteren ist die Länge solcher Filamente bzw. Heizstäbe nach oben eng begrenzt. Der aus diesen mechanischen Anforderungen resultierende Querschnitt der Filamente hat jedoch eine hohe Leitfähigkeit bei geringer Oberfläche zur Folge. Außerdem macht die geringe mechanische Stabilität solcher Filamente eine industrielle Verarbeitung schwierig oder sogar unmöglich.
Um eine gute mechanische Stabilität bei geringerer Leitfähigkeit zu erhalten, ist die Verwendung elektrisch leitender Materialien für Lampen oder Strahler auf der Basis von Fasern oder faserhaltigem Material bekannt. Dabei können geringe Dicken des konfektionierten elektrisch leitenden Materials (beispielsweise als Filament oder Heizstab) bei gleichzeitig großen Oberflächen erreicht werden, so dass eine im Vergleich zu amorphem Grafit höhere Leitfähigkeit in den Fasern ausgeglichen werden kann. Solche Filamente werden üblicherweise mittels einer Carbonisierung und gegebenenfalls einer Grafitisierung gefertigt.
Das Carbonisieren erfolgt üblicherweise bei Temperaturen zwischen 400°C und 1500°C unter inerter Atmosphäre, wobei Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff und gegebenenfalls weitere vorhandene Elemente insbesondere aus dem die elektrisch leitenden Fasern umgebenden Material (Umgebungsmaterial) eliminiert werden, so dass ein elektrisch leitendes Material mit hohem Kohlenstoffgehalt entsteht. Das Umgebungsmaterial wird dabei zur Matrix, welche die elektrisch leitenden Fasern umgibt.
Ein Grafitisieren erfolgt bei Temperaturen zwischen 1500°C und 3000°C unter inerter Atmosphäre bei Atmosphärendruck oder auch im Vakuum, wobei nach dem Carbonisieren gegebenenfalls noch vorhandene kohlenstofffremde Bestandteile aus den elektrisch leitenden Fasern und der sie umgebenden Matrix ausgasen und dadurch die Mikrostruktur des elektrisch leitenden Materials beeinflusst wird. Als Matrix wird in diesem Zusammenhang das carbonisierte, die elektrisch leitenden Fasern umgebende Material (d. h. das carbonisierte Umgebungsmaterial) verstanden.
Zur Einstellung gewünschter elektrischer Eigenschaften ist im Zusammenhang mit solchen elektrisch leitenden Materialien bekannt, das elektrisch leitende Material zu dotieren. In US 487,046 wird die Zugabe von Stoffen aus der Gasphase, nämlich insbesondere von Carbiden, zum Einbau in das elektrisch leitende Material beschrieben. Dadurch verändern sich die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials. Dieses Verfahren benötigt jedoch eine aufwändige dritte Wärmebehandlung, wobei jedes einzelne Filament behandelt werden muss. Des Weiteren wird durch die Dotierung mit Carbiden ein sehr sprödes elektrisch leitendes Material erzeugt, welches sich nicht für den Einsatz in Strahlern, die in für industrielle Infrarot-Bestrahlungen geeigneten oder relevanten Abmessungen eingesetzt werden, eignet.
Die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials lassen sich bereits auch während eines Grafitisierungsschritts beeinflussen. Die maximale Temperatur der Grafitisierung sowie deren Dauer beeinflussen dabei in einem gewissen Maß die Leitfähigkeit des entstehenden elektrisch leitenden Materials. Dieser Effekt wird in H. O. Pierson: Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerenes, Noyes Publications, Park Ridge, NJ 1993 beschrieben. Da jedoch die bei einer Grafitisierung herrschenden hohen Temperaturen den Widerstand des elektrisch leitenden Materials absenken, ist dieser Effekt bei der Herstellung elektrisch leitenden Materials für lange Strahler gerade kontraproduktiv, da für lange Strahler elektrisch leitende Materialien mit hohen Widerständen bei hohen Filamenttemperaturen benötigt werden.
Dasselbe gilt für eine Abscheidung von zusätzlichem Kohlenstoff auf der Oberfläche des elektrisch leitenden Materials durch Pyrolyse, wie beispielsweise in US 248,437 A vorgeschlagen wurde. Ein solches Verfahren kann zwar das Auffüllen von Fehlstellen im elektrisch leitenden Material bzw. im Filament bewirken, führt jedoch stets zu einer Reduzierung des Widerstands, so dass auch hier keine Eignung des elektrisch leitenden Materials für den Einsatz in langen oder bei hoher Nennspannung betriebenen Strahlern erzielt wird.
GB 659,992 A schlägt ein Verfahren zur Verringerung des Querschnitts von Filamenten aus einem kohlenstoffbasierten elektrisch leitenden Material vor. Dabei wird ein Ätzprozess in der Gasphase verwendet. Diese Ätzbehandlung ist jedoch sehr aufwändig und umfasst neben dem Carbonisierungs- und Grafitisierungsschritt mehrere zusätzliche Schritte. Des Weiteren lassen sich mit dem Ätzprozess nur elektrisch leitende Materialien bzw. Filamente behandeln, welche noch nicht mit elektrischen Kontakten versehen sind. Bei Filamenten, welche hohe elektrische Ströme aufnehmen sollen, werden diese jedoch bereits vor dem ersten Wärmeprozess endgültig angebracht. Daher lässt sich auch dieses Verfahren nicht einsetzen, um elektrisch leitende Materialien für Strahler mit großen Längen herzustellen.
Die DE 23 05 105 A beschreibt ein poröses Heizelement aus verfilzten Kohlenstoff- oder Graphitfäden zum Erhitzen von Gasen und Flüssigkeiten, wobei die Kohlenstoff- oder Graphitfasern in idealer Anordnung in Filz- oder Faservliesschichten angeordnet sind.
Die US 5,595,801 A beschreibt das Vermischen von Carbonfasern mit thermoplastischen Kunstfasern sowie das Herstellen eines elektrisch leitfähigen Vliesstoffes.
In der DE 10 2009 014 079 B3 werden Carbonbänder für Carbonstrahler beschrieben, die jedoch der Haltbarkeitsverlängerung und Flexibilität der Herstellung von Strahlern dienen.
Der genannte Stand der Technik beschreibt jedoch nicht das Konsolidieren durch Mischung der Fasern.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass es bei bisher bekannten elektrisch leitenden Materialien bzw. bei Verfahren zu deren Herstellung kaum gelingt, die elektrischen Eigenschaften des Materials, insbesondere als Filament, durch die Auswahl von elektrisch leitenden Bestandteilen des Materials, insbesondere von elektrisch leitenden Fasern, zu beeinflussen. Zur Einstellung bestimmter elektrischer Eigenschaften ist es daher bisher üblich, die Länge und/oder die Querschnittsfläche des elektrisch leitenden Materials zu variieren, und/oder das elektrisch leitende Material auf eine der oben beschriebenen Arten während und/oder nach der Herstellung zu verändern, was die Zusammensetzung und/oder den Aufbau betrifft.
Auch geht eine Einstellung bestimmter elektrischer Eigenschaften gemäß Stand der Technik oft einher mit der Durchführung zusätzlicher Wärmebehandlungen des elektrisch leitenden Materials, was die Herstellung verkompliziert und verteuert. Allerdings wird auch mit solchen Verfahren im Allgemeinen keine Einstellung elektrischer Eigenschaften in einer ausreichenden Bandbreite erreicht.
So ist auch die Verfügbarkeit von elektrisch leitenden Materialien bzw. von Verfahren zu deren Herstellung unbefriedigend, was den Einsatz von elektrisch leitenden Materialien in Strahlern mit großer Länge bei üblichen Werten der elektrischen Spannung angeht.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Beitrag zur Überwindung zumindest einer der sich aus dem Stand der Technik ergebenden und vorstehend beschriebenen Nachteile im Zusammenhang mit der Verfügbarkeit von elektrisch leitenden Materialien zu leisten.
Insbesondere lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch leitendes Material sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welches den Betrieb von Strahlern, insbesondere von Infrarotstrahlern, beliebiger Länge bei üblichen Netzspannungen erlaubt.
Auch lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch leitendes Material bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welches sich für den Einsatz in Strahlern, insbesondere in Infrarotstrahlern, und insbesondere in Carbon-Infrarotstrahlern, eignet, und welches sich in großen Längen, d. h. größer als 0,25 m, vorzugsweise größer als 0,5 m, bevorzugt größer als 1,0 m und besonders bevorzugt größer als 2,0 m, herstellen lässt.
Des Weiteren lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch leitendes Material bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welches bei sonst gleicher Ausgestaltung (Länge, Durchmesser) im Vergleich zu bisher bekannten elektrisch leitenden Materialien einen höheren elektrischen Widerstand aufweist.
Einen Beitrag zur Lösung mindestens einer der vorstehend genannten Aufgaben leistet ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Materials, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet:

a. Bereitstellen einer Carbonfaser,
b. Bereitstellen einer von der Carbonfaser verschiedenen Kunststofffaser,
c. Herstellen einer Mischung in Form eines flächigen Geleges, welches als ein Non-woven ausgebildet ist, aus der Carbonfaser und der Kunststofffaser,
d. gegebenenfalls Trocknen der Mischung,
e. Konsolidieren der Mischung,
f. gegebenenfalls Zuschneiden der Mischung,
g. Carbonisieren der Mischung, wobei die carbonisierten Kunststofffasern eine kohlenstoffbasierte, elektrische Leitfähigkeit aufweisende Matrix bilden, welche die Carbonfasern mindestens teilweise umgibt und wobei bezogen auf eine Schnittebene durch den Verbund aus der Gesamtzahl der durch die Schnittebene verlaufenden Carbonfasern mehr als 20% der durch die Schnittebene verlaufenden Carbonfasern keine weitere durch dieselbe Schnittebene verlaufende Carbonfaser kontaktieren.

Die Mischung in Form eines flächigen Geleges bildet vorzugsweise ein so genanntes Non-Woven. Bevorzugt wird das Gelege aus Carbonfasern und Kunststofffasern mit jeweils kurzer Faserlänge gebildet.
Der elektrische Widerstand des erfindungsgemäß herstellbaren elektrisch leitenden Materials orientiert sich vor allem an dem Verhältnis der Anzahl bzw. der jeweiligen Masse der Carbonfasern sowie der Kunststofffasern, der Länge der Fasern, insbesondere der Carbonfasern, an der Ausrichtung der Fasern zueinander und an der spezifischen Anzahl der Berührungspunkte zwischen unterschiedlichen Carbonfasern innerhalb des Materials.
In besonders raffinierter Weise ist erfindungsgemäß erreicht, dass ein in einer beliebigen möglichen Stromrichtung orientierter Stromfluss durch das elektrisch leitende Material zwangsweise zumindest bereichsweise durch die Matrix verläuft, welche die elektrisch leitenden Fasern zumindest teilweise umgibt. So können die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials in bisher unerreichter Weise zum einen sehr zielgerichtet und exakt und zum anderen in einer überraschend großen Bandbreite variiert werden.
Zunächst lässt sich insbesondere über Anzahl, Länge und Ausrichtung der Carbonfasern bestimmen, welcher Anteil des Stromflusses zwangsweise durch das Matrixmaterial verläuft.
Zum anderen kann über eine zielgerichtete Auswahl des Matrixmaterials, welches eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, insgesamt eine sehr genaue und reproduzierbare Auslegung der elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials erfolgen. Dazu kann beispielsweise ein Matrixmaterial mit einer eher geringen oder auch mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit ausgewählt werden. Das Matrixmaterial entsteht dabei aus der Carbonisierung der für die Herstellung der Mischung eingesetzten Kunststofffasern.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene zwangsweise Einbeziehung des Matrixmaterials in den elektrischen Stromfluss ist das aus dem Stand der Technik bekannte Problem, wonach die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials ganz überwiegend durch die elektrisch leitenden Fasern vorgegeben werden, wirksam überwunden worden.
Ein elektrisch leitendes Material im Sinne der Erfindung umfasst dabei einerseits ein Grundmaterial, welches sich für eine weitere Verarbeitung und/oder Formgebung eignet. Insbesondere umfasst der Begriff des elektrisch leitenden Materials im Sinne der Erfindung jedoch auch Materialien, welche bereits eine bestimmte Konfektionierung erfahren haben; und umfasst im Speziellen auch ein Filament, einen Glühfaden, einen Glühdraht, eine Glühwendel, einen Heizstab, oder dergleichen. Des Weiteren kann das elektrisch leitende Material bereits über elektrische Anschlüsse verfügen.
Insbesondere, jedoch nicht einschränkend, bezieht sich das elektrisch leitende Material der Erfindung auf Materialien oder Filamente, insbesondere flächige Filamente, für Hellstrahler, insbesondere Lampen oder Infrarot-Strahler, deren Filamenttemperatur die Oxidationsgrenze von Carbon an Luft deutlich übersteigt, und die daher im Vakuum oder unter einer Schutzatmosphäre, insbesondere unter Argon, betrieben werden.
Ein Gelege im Sinne der vorliegenden Anmeldung beschreibt eine Mischung aus einer Vielzahl von Einzelfäden, nämlich Fasern, welche im Vergleich zum Flechten oder Weben zufällig abgelegt werden. Ein solches Gelege entsteht insbesondere bei dem Mischen und Ablegen von verschiedenen Fäden bzw. Fasern mit jeweils kurzer Länge. In Abgrenzung hierzu entstehen Gewebe im Allgemeinen, indem ein oder mehrere Schussfäden durch eine Reihe von Kettfäden geführt werden. In der Regel stehen Kett- und Schussfäden in einem Winkel von etwa 90° zueinander. Im Fall eines Geflechts werden mindestens drei Fäden umeinander gelegt. In der Regel stehen diese mindestens drei Fäden in einem von etwa 90° abweichenden Winkel zueinander. Im Vergleich zum Weben und Flechten erfolgt bei Gelegen jedoch keine Führung des Einzelfadens.
Innerhalb der Mischung in Form eines flächigen Geleges können die Kunststofffasern auch als Umgebungsmaterial bezeichnet werden, welches die Carbonfasern umgibt. Dieses Umgebungsmaterial kann die Carbonfasern beschichten, binden, halten oder imprägnieren.
Die Mischung in Form eines flächigen Geleges aus der Carbonfaser und der Kunststofffaser, insbesondere in konsolidierter Form, kann auch als Verbund aus Carbonfasern und Kunststofffasern bezeichnet werden.
Innerhalb der Mischung aus Carbonfasern und Kunststofffasern können weitere Zusatzstoffe vorliegen, sofern dies zweckdienlich erscheint. Eine solche Ausgestaltung des Verbundes zwischen Carbonfasern und Kunststofffasern stellt daher kein Abweichen von dem allgemeinen Erfindungsgedanken dar.
Die Carbonfasern werden im Folgenden auch als elektrisch leitende Fasern bezeichnet. Diese Bezeichnungen werden synonym verwendet.
Ein Konsolidieren der Mischung im Sinne der Anmeldung beschreibt eine mechanische Verfestigung bzw. eine Kompaktierung der Mischung aus der Carbonfaser und der Kunststofffaser. Die Konsolidierung kann dabei mit einer Wärmeeinwirkung einhergehen. Eine Konsolidierung kann beispielsweise durch Walzen oder Erhitzen der Mischung, oder beidem, realisiert werden.
Das Carbonisieren der Mischung zur Umwandlung der Kunststofffasern in eine kohlenstoffbasierte, elektrische Leitfähigkeit aufweisende Matrix umfasst die Hochtemperaturbehandlung der konsolidierten Mischung in einem Temperaturbereich von 600°C bis 1500°C. Besonders bevorzugt ist dabei ein Temperaturbereich von 800°C bis 1200°C. Während des Carbonisierens entsteht aus den Kunststofffasern bzw. aus dem Umgebungsmaterial eine kohlenstoffbasierte Matrix, welche eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Die Matrix umgibt die Carbonfasern zumindest teilweise, welche während des Carbonisierungsschritts im Wesentlichen keine Umwandlung erfahren. Gegebenenfalls kann auf eine Carbonisierung eine Grafitisierung folgen. Beide Prozessschritte sind auch bereits obenstehend erläutert worden.
Der Begriff einer möglichen Stromrichtung oder Stromflussrichtung durch das elektrisch leitende Material beschreibt zunächst jede beliebige Richtung, in welcher Strom durch das elektrisch leitende Material gemäß der Erfindung leitbar ist. Vorzugsweise betrifft eine bevorzugte Stromflussrichtung dabei jedoch eine Längserstreckungsrichtung des elektrisch leitenden Materials. Eine solche Längserstreckungsrichtung kann insbesondere mit der Längsachse eines Strahlergehäuses zusammenfallen, in welches das elektrisch leitende Material, insbesondere als Filament, einbringbar ist. Dabei ist jedoch stets möglich, dass das elektrisch leitende Material wendel- oder mäanderförmig aufgebaut ist, so dass in dieser Hinsicht eine Längserstreckungsrichtung des elektrisch leitenden Materials von einer Längsachse eines umgebenden Gehäuses abweichen kann. Insbesondere betrifft eine mögliche Stromflussrichtung die Längserstreckungsrichtung eines Filaments.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt der Massenanteil von Carbonfasern bezogen auf die Mischung 1 Massen-% (Ma.-%) bis 70 Ma.-%. Bevorzugt beträgt der Massenanteil 30 Ma.-% bis 60 Ma.-%, besonders bevorzugt 45 Ma. -% bis 55 Ma.-%.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Mischung ein Faserflächengewicht von 75 g/m² bis 500 g/m² auf. Besonders bevorzugt ist dabei ein Faserflächengewicht von 120 g/m² bis 260 g/m². Diese Angaben bevorzugter Faserflächengewichte beziehen sich dabei auf eine noch nicht carbonisierte, jedoch bereits konsolidierte Mischung.
Als zweckmäßig erweist sich eine Ausgestaltung des Verfahrens, wobei innerhalb der Mischung die Carbonfasern und die Kunststofffasern sich in ihrer Länge um maximal 50%, bezogen auf die Länge der Carbonfasern, unterscheiden. Bevorzugt unterscheiden sich die Carbonfasern und die Kunststofffasern in der Länge um maximal 10%, besonders bevorzugt um maximal 5%, jeweils bezogen auf die Länge der Carbonfasern. Als jeweilige Faserlänge ist dabei eine mittlere Faserlänge der jeweiligen Spezies zu verstehen, welche über bekannte statistische Methoden ermittelbar ist. Eine möglichst gleiche Länge von Carbonfasern und Kunststofffasern erleichtert zunächst das Herstellen einer homogenen Mischung. Des Weiteren sind die elektrischen Eigenschaften des später hergestellten elektrisch leitenden Materials unter dieser Voraussetzung besser einstellbar und somit genauer vorhersagbar.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung des Erfindungsgedankens weisen innerhalb der Mischung die Carbonfaser oder die Kunststofffaser oder beide eine Faserlänge von 3 mm bis 30 mm auf. Bevorzugt wird dabei eine Faserlänge in einem Bereich von 10 mm bis 25 mm, und besonders bevorzugt in einem Bereich von 15 mm bis 20 mm. Im Rahmen dieser Ausgestaltung wird alternativ oder zusätzlich zur letztgenannten Ausführungsform ebenfalls eine bessere Mischbarkeit der Komponenten sowie eine genaue Einstellbarkeit der elektrischen Eigenschaften des später hergestellten elektrisch leitenden Materials erhalten.
Die Carbonfaser wird vorzugsweise aus Polyacrylnitril (PAN), Teer oder Viskose, oder einer Mischung aus mindestens zwei hiervon, erhalten. Die Carbonfaser weist bevorzugt eine PAN-basierte Faser und/oder eine Faser ohne Beschichtung der Oberfläche auf. Falls die Oberfläche beschichtet ist, wird eine Beschichtung bevorzugt, welche bei einer weiteren Carbonisierung einen Kohlenstoffrest hinterlässt, zumindest jedoch nicht die Carbonfaser beschädigt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Kunststofffaser einen thermoplastischen Kunststoff beinhaltet. Bevorzugt beträgt der Anteil von Thermoplasten an der Kunststofffaser mindestens 40 Ma.-%, vorzugsweise mindestens 80 Ma.%, und besonders bevorzugt mindestens 95 Ma.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse der Kunststofffaser. Eine Kunststofffaser, welche thermoplastische Anteile aufweist oder vollständig aus Thermoplasten besteht, erweist sich als besonders geeignet zur Mischung mit einer Carbonfaser und zur Herstellung eines flächigen Geleges. Des Weiteren werden aus Thermoplasten nach der Carbonisierung hohe Kohlenstoffanteile erzielt. Auch die thermische Konsolidierung von Mischungen, welche Thermoplasten aufweisen, ist erleichtert.
Der thermoplastische Kunststoff kann Polyethersulfon (PES), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polyethylenterephthalat (PET), Polyphthalamid (PPA), Polyphenylensulfid (PPS) oder Polyimid (PI), oder eine Mischung aus mindestens zwei hiervon, beinhalten. Besonders bevorzugt sind dabei PEEK und/oder PET, welche nach der Carbonisierung einen hohen Kohlenstoffanteil bereitstellen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird zusätzlich zu der Kunststofffaser aus thermoplastischem Kunststoff eine weitere Kunststofffaser aus duroplastischem Kunststoff eingesetzt. Dieser duroplastische Kunststoff kann vorzugsweise ein Vinylesterharz, ein Phenolharz oder ein Epoxidharz, oder eine Mischung aus mindestens zwei hiervon, beinhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das elektrisch leitende Material mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 95 Ma.-% hergestellt. Ein bevorzugter Kohlenstoffgehalt beträgt insbesondere mehr als 96 Ma.-%, besonders bevorzugt mehr als 97 Ma.-%. Eine bevorzugte Obergrenze für den Kohlenstoffgehalt beträgt hingegen 99,6 Ma.-%.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Matrix eine geringere spezifische elektrische Leitfähigkeit als die elektrisch leitenden Fasern auf. Durch einen erfindungsgemäß erzwungenen Stromfluss durch zumindest einen Teilbereich der Matrix kann so eine Erhöhung des elektrischen Widerstands des elektrisch leitenden Materials insgesamt erreicht werden.
Vorzugsweise weist die Matrix eine um einen Faktor von mindestens 5, vorzugsweise mindestens 10, geringere spezifische elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu den elektrisch leitenden Fasern auf.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht die Verwendung von Carbonfasern, insbesondere von PAN-basierten Carbonfasern, vor, welche bei Raumtemperatur einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1,0 × 10^–3 bis 1,7 × 10^–3 Ω cm, besonders bevorzugt von 1,6 × 10^–3 Ω cm, aufweisen. Zusätzlich oder für sich gesehen ist die Verwendung von Kunststofffasern bevorzugt, welche einen spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 10⁷ Ω cm, besonders bevorzugt von mehr als 10¹⁶ Ω cm, bei Raumtemperatur aufweisen. Aus diesen Kunststofffasern wird in einem nachfolgenden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die elektrische Leitfähigkeit aufweisende Matrix hergestellt.
Wie bereits ausgeführt, ist die Herstellung einer Matrix aus Kunststofffasern mit thermoplastischen und/oder duroplastischen Anteilen bevorzugt. Zu dem thermoplastischen und/oder duroplastischen Material innerhalb dieses Umgebungsmaterials können jedoch weitere Füllstoffe, wie anorganische Teilchen, vorzugsweise Oxide, Sulfate oder Aluminate; oder Mischungen hiervon, zugesetzt werden.
Generell ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt, in der die Kunststofffaser als Umgebungsmaterial und Grundlage für die Matrix ein thermoplastisches Material umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann das Umgebungsmaterial jedoch auch ein duroplastisches Material aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Gelege vor dem Carbonisieren erneut durch Erwärmen verformbar gemacht und verformt, insbesondere durch Ziehen und/oder Strecken in der Ebene des Geleges und/oder durch Deformation senkrecht zur Ebene des Geleges und/oder durch Verdrillen des Geleges. So ist eine zielgerichtete Beeinflussung der elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften des später hergestellten elektrisch leitenden Materials ermöglicht.
Alternativ oder zusätzlich kann das Gelege vor dem Carbonisieren, insbesondere vor dem Zuschneiden oder dem Konsolidieren oder dem Trocknen, durch zumindest eine Lage aus Carbonfasern verstärkt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Material vor dem Carbonisieren, insbesondere vor dem Zuschneiden oder dem Konsolidieren oder dem Trocknen, durch zumindest ein Carbonfaser-Roving verstärkt werden.
Carbonfaser-Rovings sind Bündel aus Carbonfasern, welche bevorzugt sehr große Längen aufweisen. Des Weiteren sind Rovings vorzugsweise nicht verdrillte Faserbündel. Handelsübliche Rovings werden beispielsweise mit 12000, 3000 und seltener mit 1000 Fasern pro Roving angeboten. Der Durchmesser einer einzelnen Carbonfaser beträgt dabei im Allgemeinen ca. 5 μm bis ca. 8 μm.
Das sehr begrenzte Angebot von Rovings mit einer unterschiedlichen Anzahl von Fasern verdeutlicht erneut die bisher gemäß Stand der Technik festzustellende Begrenzung technisch möglicher Variationen von unterschiedlichen elektrisch leitenden Materialien bzw. Filamenten, da breit variierende Widerstandswerte bisher mit den wenigen kommerziell angebotenen Rovings nicht abdeckbar sind.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird das Gelege vor dem Verstärken mit zumindest einer Lage oder zumindest einem Roving aus Carbonfasern thermisch konsolidiert, und wird nach dem Verstärken und vor dem Carbonisieren erneut thermisch konsolidiert.
Hinsichtlich einer weiteren wünschenswerten Erhöhung des Widerstands des elektrisch leitenden Materials wird eine Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, bei der Kohlenstoff von dem elektrisch leitenden Material abgetragen wird. Dieser Abtragvorgang findet vorzugsweise nach der Fertigstellung des elektrisch leitenden Materials statt. Besonders bevorzugt ist hierbei eine Behandlung des elektrisch leitenden Materials mit einem reaktiven Fluid, insbesondere Wasserstoff und/oder Wasserdampf. Zusätzlich kann bei der Behandlung ein Schutzgas eingesetzt werden, vorzugsweise Argon.
Einen Beitrag zur Lösung der eingangs genannten Aufgaben leistet auch ein elektrisch leitendes Material, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, beinhaltend einen Verbund, welcher beinhaltet:

a. eine erste Carbonfaser und eine weitere Carbonfaser; und
b. eine die erste Carbonfaser und die weitere Carbonfaser jeweils mindestens teilweise umgebende Matrix, wobei die Matrix eine geringere elektrische Leitfähigkeit als die Carbonfasern aufweist,

Dieses elektrisch leitende Material kann insbesondere zur Erzeugung von Infrarotstrahlung dienen, und eignet sich insbesondere zur Bereitstellung von Filamenten, Glühfäden, Glühdrähten, Glühwendeln oder Heizstäben als Strahlungsquellen, insbesondere für Infrarotstrahler. Es wird auf die Ausführungen das erfindungsgemäße Verfahren betreffend verwiesen.
Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausgestaltung, in der mehr als 40% der durch die Schnittebene verlaufenden Carbonfasern keine weitere durch dieselbe Schnittebene verlaufende Carbonfaser kontaktieren.
Die Angabe des Anteils jener Carbonfasern, welche keine weitere durch dieselbe Schnittebene verlaufende Carbonfaser kontaktieren, ist dabei ein Maß für den spezifischen elektrischen Widerstand des elektrisch leitenden Materials. Je weniger Carbonfasern in beschriebener Weise andere Carbonfasern kontaktieren, desto höher wird der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Materials. Dies gilt unter der Voraussetzung, dass die Matrix einen geringeren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist als die Carbonfasern, was im Rahmen der Erfindung bevorzugt ist. Je geringer der Anteil der Carbonfasern ist, welche sich gegenseitig kontaktieren, desto höher wird der Anteil des Stromflusses, welcher zwangsweise durch die Matrix verläuft.
Durch eine Variation des kontaktierenden Anteils von Carbonfasern sind die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials in einer grollen Bandbreite und mit erheblicher Genauigkeit einstellbar. Der Anteil der kontaktierenden Carbonfasern kann mit statistischen Methoden bestimmt werden. Dabei können mikroskopische Schnittaufnahmen des elektrisch leitenden Materials zugrunde gelegt werden.
Bevorzugt wird eine genannte Schnittebene durch das elektrisch leitende Material so definiert, dass die Schnittebene orthogonal zu einer möglichen Stromflussrichtung durch das Material orientiert ist. Der Begriff einer möglichen Stromflussrichtung durch das elektrisch leitende Material ist bereits definiert worden. Zweckmäßig ist insbesondere die Festlegung einer Schnittebene, welche orthogonal zu einer Längserstreckungsrichtung des elektrisch leitenden Materials orientiert ist, insbesondere wobei das elektrisch leitende Material langgestreckt, bevorzugt als Filament, ausgebildet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Materials weist mindestens eine der folgenden Eigenschaften auf:

i. die Matrix weist eine definierte spezifische elektrische Leitfähigkeit auf,
ii. die Matrix gibt eine Ausrichtung der Carbonfasern vor,
iii. die Matrix gibt eine spezifische Anzahl von Berührungspunkten zwischen Carbonfasern vor,
iv. die Carbonfasern sind in der Matrix so verteilt und/oder ausgerichtet, dass ein Stromfluss durch das Material zwingend zumindest durch einen Teilbereich der Matrix verläuft.

Besonders bevorzugt ist ein elektrisch leitendes Material, welches mehrere der oben angeführten Eigenschaften aufweist, ganz besonders bevorzugt ist ein Material, welches sämtliche dieser Eigenschaften aufweist.
Das erfindungsgemäße elektrisch leitende Material lässt sich wahlweise auch direkt als Filament herstellen, welches bereits über elektrische Endkontakte verfügt. Weist die Kunststofffaser einen thermoplastischen Kunststoff auf, wird dabei folgendes Teilverfahren vorgeschlagen: a) Zuschneiden des Geleges, b) Anbringen der elektrischen Endkontakte, c) Carbonisierung, d) Grafitisierung. Anschließend kann das Filament zu einem Strahler verarbeitet werden.
Weist die Kunststofffaser einen duroplastischen Kunststoff auf, wird folgendes Teilverfahren bevorzugt: a) Zuschneiden des Geleges, b) Anbringen der elektrischen Endkontakte, c) gegebenenfalls Oxidation, d) Carbonisierung, e) Grafitisierung. Anschließend kann das Filament zu einem Strahler verarbeitet werden.
Einen Beitrag zur Losung der eingangs genannten Aufgaben leistet auch ein Strahler, welcher beinhaltet:

a. ein transparentes oder transluzentes Gehäuse;
b. ein in diesem Gehäuse angeordnetes elektrisch leitendes Material gemäß der vorliegenden Erfindung.

Das in dem Strahler angeordnete elektrisch leitende Material kann dabei insbesondere als Filament konfektioniert sein, und/oder die Form eines Glühdrahts, eines Glühfadens, einer Glühwendel, eines Heizstabs oder einer Heizplatte aufweisen.
Bevorzugt ist ein Strahler, in dem das elektrisch leitende Material eine solche Flexibilität aufweist, dass es kreisförmig und über dessen gesamte Länge um einen Radius von 1,0 m, bevorzugt geringer als 1,0 m, besonders bevorzugt von 0,25 m, gebogen werden kann, ohne dass es zu Brüchen der Carbonfasern und/oder der Matrix und/oder zur Trennung von Carbonfasern und der Matrix kommt. In allen Fällen sollte das elektrisch leitende Material das Bestreben aufweisen, nach dem Biegen wieder in die ihm aufgeprägte gestreckte Form zurückzukehren.
Der Strahler kann ein elektrisch leitendes Material aufweisen, welches eine elektrische Leitfähigkeit, gemessen als elektrische Betriebsspannung je Länge des elektrisch leitenden Materials, insbesondere des Filaments, in einem Bereich größer 150 V/m, bevorzugt größer 300 V/m, aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand nicht limitierender Figuren und konkreter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Im Folgenden werden die angefügten Figuren und die darin gezeigten Ausführungsbeispiele zunächst generell erläutert. Nachfolgend werden eine Anzahl von zusätzlichen Ausführungsbeispielen konkret dargelegt.
1 zeigt schematisch dargestellt eine stark vergrößerte Schnittansicht einer Mischung 1 in Form eines flächigen Geleges 2, wobei die Mischung 1 innerhalb einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Vorstufe des erfindungsgemäß erhältlichen elektrisch leitenden Materials verkörpert, Das flächige Gelege 2 ist dabei eine Mischung 1 aus im Wesentlichen zufällig abgelegten Carbonfasern 3 (ausgefüllt dargestellt) und Kunststofffasern 4 (umrandet dargestellt), welche jeweils eine kurze Faserlänge im Bereich zwischen ca. 3 mm bis ca. 30 mm aufweisen. Des Weiteren unterscheiden sich gemäß vorliegendem Beispiel innerhalb der Mischung 1 die Carbonfasern 3 und die Kunststofffasern 4 in ihrer Länge um maximal 50%, bezogen auf die Länge der Carbonfasern 3.
Die Kunststofffasern 4 beinhalten vorliegend einen thermoplastischen Kunststoff. Dabei wird insbesondere PEEK und/oder PET bevorzugt.
Gemäß dem weiteren Ablauf der hier in Bezug genommenen, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt nach einem gegebenenfalls notwendigen Trocknungsschritt ein Konsolidieren der Mischung 1, nämlich des flächigen Geleges 2. Danach kann die Mischung 1 bevorzugt ein Faserflächengewicht von 75 g/m² bis 500 g/m² aufweisen.
Nach einem gegebenenfalls vorgenommenen Zuschneiden des Geleges 2 erfolgt dann ein Carbonisieren der Mischung 1, wobei die carbonisierten Kunststofffasern 4 in eine kohlenstoffbasierte, elektrische Leitfähigkeit aufweisende Matrix umgewandelt werden, welche die Carbonfasern 3 mindestens teilweise umgibt. Diese Matrix ist erst im erfindungsgemäß erhältlichen, elektrisch leitenden Material ausgebildet und demnach in 1 noch nicht dargestellt.
2 hingegen zeigt in einer ebenfalls schematisierten, stark vergrößerten Schnittansicht einen Ausschnitt aus einer bevorzugten Ausführungsform des elektrisch leitenden Materials 5 gemäß der Erfindung, welches durch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erhältlich ist. Nach wie vor ausgefüllt dargestellt sind die Carbonfasern 3. Aus den Kunststofffasern ist hingegen durch Carbonisieren der Mischung eine kohlenstoffbasierte, elektrische Leitfähigkeit aufweisende Matrix 6 gebildet worden, welche die Carbonfasern 3 umgibt. Daher sind die Kunststofffasern in 2 nicht mehr dargestellt.
Das erfindungsgemäße elektrisch leitende Material 5 ist in diesem Beispiel als Filament 7 ausgebildet, von dem ein mittlerer Abschnitt dargestellt ist. Das elektrisch leitende Material 5, nämlich das Filament 7, erstreckt sich in einer Längserstreckungsrichtung 8, die während des späteren Betriebs des Filaments 7 mit der Stromflussrichtung 9 zusammenfällt.
Aus der schematischen Darstellung gemäß 2 wird deutlich, dass ein Stromfluss durch das elektrisch leitende Material 5, insbesondere in Richtung der Längserstreckungsrichtung 8, stets zwangsweise durch zumindest einen Teilbereich der Matrix 6 verläuft.
Die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials 5 werden u. a. durch die Länge der Carbonfasern 3 und/oder der Kunststofffasern 4 (s. 1), die Ausrichtung der Carbonfasern 3, das Massenverhältnis der Fasern 3, 4, die definierte spezifische elektrische Leitfähigkeit von Carbonfasern 3 und Matrix 6 und die spezifische Anzahl von Berührungspunkten 10 zwischen verschiedenen Carbonfasern 3 innerhalb der Matrix 6 bestimmt.
Demgemäß verdeutlicht 2 zusätzlich eine Betrachtung zur quantitativen Bestimmung der Anzahl von Berührungspunkten 10 zwischen Carbonfasern 3 innerhalb der Matrix 6. Es wird zunächst willkürlich eine Schnittebene 11 durch das elektrisch leitende Material 5 festgelegt. Die Schnittebene 11 ist zweckmäßigerweise orthogonal zu einer möglichen Stromflussrichtung 9 orientiert. Bei dem vorliegenden Filament 7 ist die Stromflussrichtung 9 durch die Längserstreckungsrichtung 8 des Filaments 7 vorgegeben, so dass die Schnittebene 11 orthogonal zur Längserstreckungsrichtung 8 des Filaments 7 orientiert ist.
Es werden nun sämtliche Carbonfasern 3 betrachtet, welche durch die Schnittebene 11 verlaufen. Dann wird bestimmt, welcher Anteil der Gesamtzahl der durch die Schnittebene 11 verlaufenden Carbonfasern 3 keine weitere durch dieselbe Schnittebene 11 verlaufende Carbonfaser 3 kontaktiert. Je weniger Berührungspunkte 10 zwischen verschiedenen Carbonfasern 3 innerhalb der Matrix 6 vorliegen, desto höher wird der Anteil des Stromflusses, welcher zwingend zumindest durch einen Teilbereich der Matrix 6 verlaufen muss. Dementsprechend steigt der elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Materials 5 an. Beim vorliegenden, schematisch dargestellten Beispiel berühren zwei von insgesamt 6 durch die Schnittebene 11 verlaufenden Carbonfasern 3 keine weitere durch dieselbe Schnittebene 11 verlaufende Carbonfaser 3. Der Anteil der nicht berührenden Carbonfasern 3 beträgt damit ca. 33%.
3 zeigt eine Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strahlers 12, welcher hier als Infrarotstrahler ausgebildet ist. Der Strahler 12 umfasst ein elektrisch leitendes Material 5, welches als langgestrecktes Filament 7 ausgebildet ist. Das Filament 7 ist dabei aus einem elektrisch leitenden Material 5 gemäß der vorliegenden Erfindung gefertigt. Das Filament 7 wird von einem transparenten Gehäuse 13 umgeben, welches auch als Hüllrohr bezeichnet werden kann. In dem Gehäuse 13 befindet sich ein Schutzgas, nämlich Argon. Alternativ kann das Filament 7 in dem Gehäuse 13 unter Vakuum betrieben werden.
Das Filament 7 ist mittels Kontaktelementen 14 mit elektrischen Zuleitungen 15 verbunden. Zwischen den Kontaktelementen 14 und den elektrischen Zuleitungen 15 ist jeweils ein spiralförmiges Ausgleichselement 16 angeordnet, um die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Gehäuses 13 und des Filaments 7 kompensieren zu können. Die elektrischen Zuleitungen 15 sind vakuumdicht aus dem Gehäuse 13 herausgeführt. Dazu können Quetschverbindungen oder beliebige andere zweckmäßige Techniken zur vakuumdichten Durchführung Verwendung finden.
MESSMETHODEN
Spezifischer elektrischer Widerstand
Die angegebenen Werte des spezifischen elektrischen Widerstands beziehen sich auf eine Bestimmung durch ein Messverfahren nach DIN IEC 60093:1983; Prüfverfahren für Elektroisolierstoffe; Spezifischer Durchgangswiderstand und spezifischer Oberflächenwiderstand von festen, elektrisch isolierenden Werkstoffen.
Elektrische Leitfähigkeit, spezifische elektrische Leitfähigkeit und elektrischer Widerstand Die Leitfähigkeit des elektrisch leitenden Materials kann im kalten Zustand und/oder vor dem Einbau in einen Strahler o. ä. mittels eines Widerstandsmessgeräts oder eines Leitfähigkeitsmessgerätes erfolgen, wobei aus den mittels Maßband oder Messschieber bestimmten geometrischen Abmessungen (Länge, Breite, Dicke) des elektrisch leitenden Materials, insbesondere als Filament, und dem gemessenen elektrischen Widerstand auch der spezifische elektrische Widerstand (s. o.) errechnet werden kann.
Der elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Materials, eingebaut in einen Strahler und/oder während des bestimmungsgemäßen Betriebs, kann aus einer Messung des Spannungsabfalls über den Strahler und der Messung des Stroms, der durch den Strahler fließt, mittels des Ohmschen Gesetzes berechnet werden. Sind zudem vor dem Einbau des elektrisch leitenden Materials in den Strahler die geometrischen Abmessungen des elektrisch leitenden Materials bestimmt worden, so lässt sich auf diese Weise zudem der temperaturabhängige Wert des spezifischen elektrischen Widerstands des elektrisch leitenden Materials berechnen. Diese Methode zur Berechnung des spezifischen elektrischen Widerstands ist bevorzugt, da hierbei die Messung nicht durch Kontaktwiderstände verfälscht werden kann.
Spezifische Leitfähigkeit der Fasern und des Matrixmaterials
Eine Bestimmung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit kann dadurch erfolgen, dass die elektrisch leitenden Fasern (nämlich die Carbonfasern) vor deren Einsatz zur Herstellung des elektrisch leitenden Materials und das Matrixmaterial (nämlich die carbonisierten Kunststofffasern) gesondert vermessen werden. Das Matrixmaterial ohne elektrisch leitende Fasern kann erhalten werden, indem z. B. 50 g der Kunststofffasern (z. B. ein thermoplastisches Polymer) unter Luftausschluss für ca. 60 min bei ca. 980°C wärmebehandelt werden.
Faserlängenverteilung
Die Faserlängen sind vor der Verarbeitung zu einem Gelege geometrisch bestimmbar. Aus diesen Werten können die durchschnittliche Faserlänge sowie die Faserlängenverteilung abgeleitet werden. Die Faserlängen ändern sich durch das Zuschneiden der Filamente im Mittel in einer vorhersagbaren Weise.
Flexibilität des elektrisch leitenden Materials
Die Flexibilität ist bestimmbar, indem das elektrisch leitende Material kreisförmig und über dessen gesamte Länge um einen Radius, welcher vorzugsweise einen Wert von ca. 0,25 m–1,0 m aufweisen kann, gebogen wird. Das Nichtauftreten von Brüchen der Carbonfasern und/oder der Matrix und/oder das Nichtauftreten einer Trennung von Carbonfasern und der Matrix ist dabei ein Maß für die Flexibilität des elektrisch leitenden Materials. Als besonders flexibel gelten beispielsweise elektrisch leitende Materialien, falls sie um ein Kreisprofil mit einem Radius von 0,25 m gebogen werden können. Um den Flexibilitätstest bei einem konkreten Radius zu bestehen, sollte das elektrisch leitende Material stets das Bestreben aufweisen, wieder in die ihm zuvor aufgeprägte gestreckte Form zurückzukehren.
Im Folgenden werden nicht limitierende Ausführungsbeispiele der Erfindung, insbesondere des erfindungsgemäßen Verfahrens und somit auch des erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Materials, näher erläutert.
BEISPIELE
Ausführungsbeispiel 1
Zur Herstellung des elektrisch leitenden Materials, hier in Form eines Filaments, wird zunächst ein so genanntes Non-Woven Material hergestellt, aus dem dann die Filamente in den benötigten Abmessungen zugeschnitten werden.
Das Non-Woven Material setzt sich aus zu 3–12 mm Länge geschnittenen Carbonfasern und etwa gleichlang geschnittenen Fasern aus einem Thermoplast, in diesem Falle PEEK, zusammen. Der Einsatz von PET ist auch möglich, dann muss jedoch gegebenenfalls ein abweichendes Verhältnis von Carbonfasern zu thermoplastischen Fasern gewählt werden.
Die Carbonfasern und die Kunststofffasern, hier in Form von thermoplastischen Fasern, werden gleichzeitig und homogen auf einer Fläche verteilt. Die gleichmäßige Verteilung erfolgt z. B. über einen Rüttler, der die Fasern auf ein ablaufendes Band verteilt. Der Rüttler weist bevorzugt eine Spurweite von 300 mm auf. Die Carbonfasern und die thermoplastischen Fasern sind dabei vorzugsweise a) in gleichmäßiger Dichte über der Fläche verteilt, so dass auch kleinräumig eine homogene Verteilung von thermoplastischen Fasern und Carbonfasern erfolgt, und b) sich vermischend und gegenseitig überdeckend auf der Fläche verteilt. Es sollte vermieden werden, dass auf der Fläche unterscheidbare Schichten aus Carbonfasern und Kunststofffasern übereinander und nicht homogen vermischt vorliegen. Eine auch kleinräumig vorliegende homogene Verteilung bedeutet dabei, dass vorzugsweise auf einer Fläche von 10 mm × 10 mm, bevorzugt 4 mm × 4 mm, eine homogene Verteilung vorliegt.
In diesem Verarbeitungsschritt werden die späteren elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials definiert. Die elektrische Leitfähigkeit kann dabei u. a. über das Flächengewicht, d. h. die Masse je Fläche des konsolidierten Materials, die Anzahl der Berührungspunkte der Carbonfasern untereinander je Flächeneinheit, und über den Volumenanteil an Kunststofffasern in der konsolidierten Mischung eingestellt werden. Je weniger Berührungspunkte von Carbonfasern untereinander vorhanden sind und je höher der Anteil an Kunststofffasern ist, desto höher wird der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Materials.
Die konsolidierte Mischung wird nun, falls notwendig, getrocknet und wird anschließend thermisch konsolidiert. Beim Konsolidieren wird das geschüttete Material zunächst aufgeheizt, was vorzugsweise mittels Infrarotstrahlung geschieht. Dadurch wird der aus den Kunststofffasern gebildete Anteil der Mischung, hier aus Thermoplasten bestehend, verformbar und wird direkt im Anschluss an den Aufheizprozess zwischen heißen und mit Druck beaufschlagten Walzen zusammengepresst.
Aus diesem konsolidierten Ausgangsmaterial, nämlich der konsolidierten Mischung, werden dann die benötigten Filamente in der gewünschte Breite und Länge zugeschnitten.
Im Anschluss werden an den Filamenten elektrische Kontakte angebracht, die Filamente werden carbonisiert und bei Bedarf anschließend grafitisiert.
Anschließend können diese Filamente mit elektrischen Zuleitungen versehen werden, in Quarzrohre eingebracht werden und diese Quarzrohre geeignet verschlossen werden, so dass sich im Inneren des gebildeten Strahlerrohrs eine Schutzgasatmosphäre, bevorzugt aus Argon, befinden kann. Abschließend werden außen je nach Bedarf Keramiken und elektrische Zuleitungen angebracht. Diesbezüglich wird lediglich beispielhaft auf die Darstellung und Beschreibung gemäß 3 verwiesen.
Ausführungsbeispiel 2
Zur Herstellung des elektrisch leitenden Materials, hier in Form eines Filaments, wird zunächst ein so genanntes Non-Woven Material hergestellt, aus dem dann die Filamente in den benötigten Abmessungen zugeschnitten werden.
Das Non-Woven Material setzt sich aus zu 3–12 mm Länge geschnittenen Carbonfasern und etwa gleichlang geschnittenen Fasern aus einem Thermoplast, in diesem Falle PEEK, zusammen. Der Einsatz von PET ist auch möglich, dann muss jedoch gegebenenfalls ein abweichendes Verhältnis von Carbonfasern zu thermoplastischen Fasern gewählt werden.
Die Carbonfasern und die Kunststofffasern, hier in Form von thermoplastischen Fasern, werden gleichzeitig und homogen auf einer Fläche verteilt. Die gleichmäßige Verteilung erfolgt z. B. über einen Rüttler, der die Fasern auf ein ablaufendes Band verteilt. Der Rüttler weist bevorzugt eine Spurweite von 300 mm auf. Die Carbonfasern und die thermoplastischen Fasern sind dabei vorzugsweise a) in gleichmäßiger Dichte über der Fläche verteilt, so dass auch kleinräumig eine homogene Verteilung von thermoplastischen Fasern und Carbonfasern erfolgt, und b) sich vermischend und gegenseitig überdeckend auf der Fläche verteilt. Es sollte vermieden werden, dass auf der Fläche unterscheidbare Schichten aus Carbonfasern und Kunststofffasern übereinander und nicht homogen vermischt vorliegen. Eine auch kleinräumig vorliegende homogene Verteilung bedeutet dabei, dass vorzugsweise auf einer Fläche von 10 mm × 10 mm, bevorzugt 4 mm × 4 mm, eine homogene Verteilung vorliegt.
In diesem Verarbeitungsschritt werden die späteren elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials definiert. Die elektrische Leitfähigkeit kann dabei u. a. über das Flächengewicht, d. h. die Masse je Fläche des konsolidierten Materials, die Anzahl der Berührungspunkte der Carbonfasern untereinander je Flächeneinheit, und über den Volumenanteil an Kunststofffasern in der konsolidierten Mischung eingestellt werden. Je weniger Berührungspunkte von Carbonfasern untereinander vorhanden sind und je höher der Anteil an Kunststofffasern ist, desto höher wird der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Materials.
Die konsolidierte Mischung wird nun, falls notwendig, getrocknet und wird anschließend thermisch konsolidiert. Beim Konsolidieren wird das geschüttete Material zunächst aufgeheizt, was vorzugsweise mittels Infrarotstrahlung geschieht. Dadurch wird der aus den Kunststofffasern gebildete Anteil der Mischung, hier aus Thermoplasten bestehend, verformbar und wird direkt im Anschluss an den Aufheizprozess zwischen heißen und mit Druck beaufschlagten Walzen zusammengepresst.
Aus diesem konsolidierten Ausgangsmaterial, nämlich der konsolidierten Mischung, werden dann die benötigten Filamente in der gewünschte Breite und Länge zugeschnitten.
In einer Abwandlung von Ausführungsbeispiel 1 werden diese Filamente nun mittels Wärme erneut plastifiziert und umgeformt. So ist es möglich, das Band (Filament) lokal zu ziehen und auch in der Ebene zu deformieren. So lassen sich gewünschte elektrische Eigenschaften des späteren elektrisch leitenden Materials zielgerichtet auslegen.
Ausführungsbeispiel 2.1
In einer ersten Unterausführung von Ausführungsbeispiel 2 wird das Band (Filament) nachträglich in die Länge gestreckt, um so eine bevorzugte Ausrichtung der Fasern in Längsrichtung des Bandes zu ermöglichen. Dabei wird der Widerstand des Bandes selber im Wesentlichen nicht mehr verändert, da dieser durch die Länge der Leitungsstrecke und die Anzahl der Berührungspunkte zwischen den Carbonfasern im Wesentlichen festgelegt ist. Allerdings wird die spezifische, auf die Filamentlänge bezogene elektrische Leistungsabgabe (typischerweise angegeben in W/cm) variiert.
Ausführungsbeispiel 2.2
In einer zweiten Unterausführung von Ausführungsbeispiel 2 wird das Band (Filament) nachträglich in die Breite gereckt, um so eine bevorzugte Ausrichtung der Fasern in Querrichtung des Bandes zu ermöglichen. Hierdurch wird der Widerstand des Bandes selber im Wesentlichen nicht mehr verändert, allerdings wird die spezifische Leistungsabgabe (typischerweise angegeben in W/cm) verändert.
In beiden Fällen (Ausführungsbeispiele 2.1 und 2.2) ist sicherzustellen, dass es zu keiner Rissbildung oder Delaminierung im Filament kommt. Daher sollten diese Methoden auf Dehnungsfaktoren bis zu einem Wert von höchstens 2 beschränkt werden.
Ausführungsbeispiel 2.3
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein gedrilltes Filament hergestellt. Hierzu wird das gestreckte und erwärmte Filament mittels geeigneter Walzen und Führungen in eine in sich gedrillte Form überführt. Die schraubenartige Form kann nach dem Abkühlen spannungsfrei im Material bestehen bleiben.
Im Anschluss werden an den Filamenten elektrische Kontakte angebracht und die Filamente werden carbonisiert. Dabei werden verdrillte Filamentbänder in ihrer Form stabilisiert mittels Halterungen im Ofen gelagert, damit die verdrillte Form der Bänder nicht verlorengeht. Nach dem Carbonisieren liegen dann verdrillte spannungsfreie Bänder vor, die nun bei Bedarf anschließend noch grafitisiert werden können.
Auch die Filamente gemäß Ausführungsbeispielen 2.1 und 2.2 werden nach den oben beschriebenen Schritten in bereits ausführlich beschriebener Weise carbonisiert.
Anschließend können diese Filamente mit elektrischen Zuleitungen versehen werden, in Quarzrohre eingebracht werden und diese Quarzrohre geeignet verschlossen werden, so dass sich im Inneren des gebildeten Strahlerrohrs eine Schutzgasatmosphäre, bevorzugt aus Argon, befinden kann. Abschließend werden außen je nach Bedarf Keramiken und elektrische Zuleitungen angebracht. Diesbezüglich wird lediglich beispielhaft auf die Darstellung und Beschreibung gemäß 3 verwiesen.
Ausführungsbeispiel 3
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein Non-Woven Material hergestellt, welches zusätzlich mit durchgehenden Carbonfasern verstärkt wird. Aus diesem verstärkten Material werden dann die Filamente in den benötigten Abmessungen zugeschnitten.
Das Non-Woven Material setzt sich aus zu 3–12 mm Länge geschnittenen Carbonfasern und etwa gleichlang geschnittenen Fasern aus einem Thermoplast, in diesem Falle PEEK, zusammen. Der Einsatz von PET ist auch möglich, dann muss jedoch gegebenenfalls ein abweichendes Verhältnis von Carbonfasern zu thermoplastischen Fasern gewählt werden.
Die Carbonfasern und die Kunststofffasern, hier in Form von thermoplastischen Fasern, werden gleichzeitig und homogen auf einer Fläche verteilt. Die gleichmäßige Verteilung erfolgt z. B. über einen Rüttler, der die Fasern auf ein ablaufendes Band verteilt. Der Rüttler weist bevorzugt eine Spurweite von 300 mm auf. Die Carbonfasern und die thermoplastischen Fasern sind dabei vorzugsweise a) in gleichmäßiger Dichte über der Fläche verteilt, so dass auch kleinräumig eine homogene Verteilung von thermoplastischen Fasern und Carbonfasern erfolgt, und b) sich vermischend und gegenseitig überdeckend auf der Fläche verteilt. Es sollte vermieden werden, dass auf der Fläche unterscheidbare Schichten aus Carbonfasern und Kunststofffasern übereinander und nicht homogen vermischt vorliegen. Eine auch kleinräumig vorliegende homogene Verteilung bedeutet dabei, dass vorzugsweise auf einer Fläche von 10 mm × 10 mm, bevorzugt 4 mm × 4 mm, eine homogene Verteilung vorliegt.
In diesem Verarbeitungsschritt werden die späteren elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials definiert. Die elektrische Leitfähigkeit kann dabei u. a. über das Flächengewicht, d. h. die Masse je Fläche des konsolidierten Materials, die Anzahl der Berührungspunkte der Carbonfasern untereinander je Flächeneinheit, und über den Volumenanteil an Kunststofffasern in der konsolidierten Mischung eingestellt werden. Je weniger Berührungspunkte von Carbonfasern untereinander vorhanden sind und je höher der Anteil an Kunststofffasern ist, desto höher wird der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Materials.
Dieses Non-Woven Material wird nun durch eine oder mehrere Carbonfaserlagen verstärkt, indem eine oder mehrere Carbonfaserlagen ein- oder beidseitig auf das Non-Woven Material aufgebracht werden. Eine Carbonfaserlage wird hergestellt, indem ein oder mehrere Carbonfaser-Rovings durch einen breiten, feinen Kamm geführt werden, so dass die Fasern weitestgehend parallel zueinander auf eine größere Fläche verteilt werden. In der so gewonnenen Carbonfaserlage sind über die Breite gesehen viele Fasern nebeneinander angeordnet, die Dicke ergibt sich dabei aus einzelnen oder wenigen übereinander angeordneten Carbonfasern.
Die Mischung wird nun gegebenenfalls getrocknet und wird anschließend thermisch konsolidiert. Beim Konsolidieren wird das geschüttete Material zusammen mit den auf- und gegebenenfalls untergelegten Carbonfasern zunächst aufgeheizt (bevorzugt mittels Infrarotstrahlung), so dass der Kunststoffanteil, hier aus Thermoplasten, verformbar wird, und wird direkt im Anschluss zwischen heißen und mit Druck beaufschlagten Walzen zusammengepresst.
Aus diesem Ausgangsmaterial werden dann die Filamente in der gewünschten Breite und Länge zugeschnitten.
Die weitere Verarbeitung erfolgt analog zu Ausführungsbeispiel 1, es sollte jedoch große Sorgfalt auf eine parallele Ausrichtung der verstärkenden Carbonfasern in Bezug auf die Zugrichtung gelegt werden. Des Weiteren sollte das Schneiden in Längsrichtung exakt parallel zu den verstärkenden Carbonfaser-Rovings erfolgen.
Ausführungsbeispiel 4
Zur Herstellung des elektrisch leitenden Materials, hier in Form eines Filaments, wird zunächst ein so genanntes Non-Woven Material hergestellt, welches zusätzlich mit durchgehenden Carbonfasern verstärkt wird. Aus diesem verstärkten Material werden dann die Filamente in den benötigten Abmessungen zugeschnitten.
Das Non-Woven Material setzt sich aus zu 3–12 mm Länge geschnittenen Carbonfasern und etwa gleichlang geschnittenen Fasern aus einem Thermoplast, in diesem Falle PEEK, zusammen. Der Einsatz von PET ist auch möglich, dann muss jedoch gegebenenfalls ein abweichendes Verhältnis von Carbonfasern zu thermoplastischen Fasern gewählt werden.
Die Carbonfasern und die Kunststofffasern, hier in Form von thermoplastischen Fasern, werden gleichzeitig und homogen auf einer Fläche verteilt. Die gleichmäßige Verteilung erfolgt z. B. über einen Rüttler, der die Fasern auf ein ablaufendes Band verteilt. Der Rüttler weist bevorzugt eine Spurweite von 300 mm auf. Die Carbonfasern und die thermoplastischen Fasern sind dabei vorzugsweise a) in gleichmäßiger Dichte über der Fläche verteilt, so dass auch kleinräumig eine homogene Verteilung von thermoplastischen Fasern und Carbonfasern erfolgt, und b) sich vermischend und gegenseitig überdeckend auf der Fläche verteilt. Es sollte vermieden werden, dass auf der Fläche unterscheidbare Schichten aus Carbonfasern und Kunststofffasern übereinander und nicht homogen vermischt vorliegen. Eine auch kleinräumig vorliegende homogene Verteilung bedeutet dabei, dass vorzugsweise auf einer Fläche von 10 mm × 10 mm, bevorzugt 4 mm × 4 mm, eine homogene Verteilung vorliegt.
In diesem Verarbeitungsschritt werden die späteren elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials definiert. Die elektrische Leitfähigkeit kann dabei u. a. über das Flächengewicht, d. h. die Masse je Fläche des konsolidierten Materials, die Anzahl der Berührungspunkte der Carbonfasern untereinander je Flächeneinheit, und über den Volumenanteil an Kunststofffasern in der konsolidierten Mischung eingestellt werden. Je weniger Berührungspunkte von Carbonfasern untereinander vorhanden sind und je höher der Anteil an Kunststofffasern ist, desto höher wird der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Materials.
Dieses Non-Woven Material wird nun durch eine oder mehrere Carbonfaserlagen verstärkt, indem eine oder mehrere Carbonfaserlagen ein- oder beidseitig auf das Non-Woven Material aufgebracht werden. Eine Carbonfaserlage wird hergestellt, indem ein oder mehrere Carbonfaser-Rovings durch einen breiten, feinen Kamm geführt werden, so dass die Fasern weitestgehend parallel zueinander auf eine größere Fläche verteilt werden. In der so gewonnenen Carbonfaserlage sind über die Breite gesehen viele Fasern nebeneinander angeordnet, die Dicke ergibt sich dabei aus einzelnen oder wenigen übereinander angeordneten Carbonfasern.
Dabei können die Carbonfasern entweder gleichmäßig verteilt als dünne Lagen eingesetzt werden, oder zielgerichtet als Rovings geringer Faserzahl an spezifischen Positionen eingelegt werden.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführung hat es sich bewährt, einen Roving mit 12000 Fasern pro Roving (12 k-Roving) auf 60 mm Breite auszulegen. Hierbei erreicht man eine ideale Verbindung von Zugverstärkung des Materials und einer noch geringfügigen Erhöhung der Leitfähigkeit des Filaments.
In einer zweiten Ausführung können Rovings mit 1000 Fasern pro Roving (1 k-Roving) bevorzugt so ausgelegt werden, dass zwei Rovings zumindest auf der Breite des zukünftigen Filaments liegen. Der Abstand der Rovings ist dabei durch die Geometrie des Filaments festgelegt.
Bei einem Filament mit 10 mm Breite wird beispielsweise ein Roving mit 2 mm Abstand und ein Roving mit 8 mm Abstand vom linken Rand des Filaments eingelegt. Hierbei erreicht man eine ideale Verbindung von Zugverstärkung des Materials und noch geringfügiger Erhöhung der Leitfähigkeit des Filaments.
Die Mischung wird nun gegebenenfalls getrocknet und wird anschließend thermisch konsolidiert. Beim Konsolidieren wird das geschüttete Material zusammen mit den auf- und gegebenenfalls untergelegten Carbonfasern zunächst aufgeheizt (bevorzugt mittels Infrarotstrahlung), so dass der Kunststoffanteil, hier aus Thermoplasten, verformbar wird, und wird direkt im Anschluss zwischen heißen und mit Druck beaufschlagten Walzen zusammengepresst.
Aus diesem Ausgangsmaterial werden dann die Filamente in der gewünschten Breite und Länge zurechtgeschnitten.
Die weitere Verarbeitung erfolgt analog zu Ausführungsbeispiel 1, es sollte jedoch große Sorgfalt auf eine parallele Ausrichtung der verstärkenden Carbonfasern in Bezug auf die Zugrichtung gelegt werden. Des Weiteren sollte das Schneiden in Längsrichtung exakt parallel zu den verstärkenden Carbonfaser-Rovings erfolgen.
Ausführungsbeispiel 5
Zur Herstellung des Filaments wird ein Non-Woven Material hergestellt, welches zusätzlich mit durchgehenden Carbonfasern verstärkt wird. Aus diesem verstärkten Material werden dann die Filamente in den gewünschten Abmessungen zugeschnitten.
Das Non-Woven Material setzt sich aus zu 3–12 mm Länge geschnittenen Carbonfasern und etwa gleichlang geschnittenen Fasern aus einem Thermoplast, in diesem Falle PEEK, zusammen. Der Einsatz von PET ist auch möglich, dann muss jedoch gegebenenfalls ein abweichendes Verhältnis von Carbonfasern zu thermoplastischen Fasern gewählt werden.
Die Carbonfasern und die Kunststofffasern, hier in Form von thermoplastischen Fasern, werden gleichmäßig und homogen auf einer Fläche verteilt. Die gleichmäßige Verteilung erfolgt z. B. über einen Rüttler, der die Fasern auf ein ablaufendes Band verteilt. Der Rüttler weist bevorzugt eine Spurweite von 300 mm auf. Die Carbonfasern und die thermoplastischen Fasern sind dabei vorzugsweise a) in gleichmäßiger Dichte über der Fläche verteilt, so dass auch kleinräumig eine homogene Verteilung von thermoplastischen Fasern und Carbonfasern erfolgt, und b) sich vermischend und gegenseitig überdeckend auf der Fläche verteilt. Es sollte vermieden werden, dass auf der Fläche unterscheidbare Schichten aus Carbonfasern und Kunststofffasern übereinander und nicht homogen vermischt vorliegen. Eine auch kleinräumig vorliegende homogene Verteilung bedeutet dabei, dass vorzugsweise auf einer Fläche von 10 mm × 10 mm, bevorzugt 4 mm × 4 mm, eine homogene Verteilung vorliegt.
In diesem Verarbeitungsschritt werden die späteren elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials definiert. Die elektrische Leitfähigkeit kann dabei u. a. über das Flächengewicht, d. h. die Masse je Fläche des konsolidierten Materials, die Anzahl der Berührungspunkte der Carbonfasern untereinander je Flächeneinheit, und über den Volumenanteil an Kunststofffasern in der konsolidierten Mischung eingestellt werden. Je weniger Berührungspunkte von Carbonfasern untereinander vorhanden sind und je höher der Anteil an Kunststofffasern ist, desto höher wird der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Materials.
Die konsolidierte Mischung wird nun, falls notwendig, getrocknet und wird anschließend thermisch konsolidiert. Beim Konsolidieren wird das geschüttete Material zunächst aufgeheizt, was vorzugsweise mittels Infrarotstrahlung geschieht. Dadurch wird der aus den Kunststofffasern gebildete Anteil der Mischung, hier aus Thermoplasten bestehend, verformbar und wird direkt im Anschluss an den Aufheizprozess zwischen heißen und mit Druck beaufschlagten Walzen zusammengepresst.
Zwischen Lagen aus diesem Non-Woven Material können nun eine oder mehrere Lagen aus Carbonfasern eingebracht werden, indem ein oder mehrere Carbonfaser-Rovings durch einen breiten, feinen Kamm geführt werden, so dass die Fasern weitestgehend parallel zueinander auf einer größeren Fläche verteilt werden. In der so gewonnenen Carbonfaserlage sind in der Breite gesehen viele Fasern nebeneinander angeordnet, die Dicke ergibt sich aus einzelnen oder wenigen übereinander angeordneten Carbonfasern.
Das so zusammengelegte Material wird nun erneut thermisch konsolidiert.
Aus diesem Ausgangsmaterial werden dann die benötigten Filamente in der gewünschten Breite und Länge zugeschnitten.
Die weitere Verarbeitung erfolgt analog zum Ausführungsbeispiel 1, es sollte jedoch große Sorgfalt auf eine parallele Ausrichtung der verstärkenden Fasern zur Zugrichtung gelegt werden. Außerdem sollte das Schneiden in Längsrichtung exakt parallel zu den verstärkenden Rovings erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Mischung
2: flächiges Gelege
3: Carbonfaser
4: Kunststofffaser
5: elektrisch leitendes Material
6: Matrix
7: Filament
8: Längserstreckungsrichtung
9: Stromflussrichtung
10: Berührungspunkte zwischen Carbonfasern
11: Schnittebene
12: Strahler
13: Gehäuse
14: Kontaktelement
15: elektrische Zuleitung
16: Ausgleichselement

Claims

Ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Materials (5), wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet: a. Bereitstellen einer Carbonfaser (3), b. Bereitstellen einer von der Carbonfaser (3) verschiedenen Kunststofffaser (4), c. Herstellen einer Mischung (1) in Form eines flächigen Non-woven (2) aus der Carbonfaser (3) und der Kunststofffaser (4), d. gegebenenfalls Trocknen der Mischung (1), e. Konsolidieren der Mischung (1), f. gegebenenfalls Zuschneiden der Mischung (1), g. Carbonisieren der Mischung, wobei die carbonisierten Kunststofffasern (4) eine kohlenstoffbasierte, elektrische Leitfähigkeit aufweisende Matrix (6) bilden, welche die Carbonfasern (3) mindestens teilweise umgibt und wobei bezogen auf eine Schnittebene (11) durch den Verbund aus der Gesamtzahl der durch die Schnittebene (11) verlaufenden Carbonfasern (3) mehr als 20% der durch die Schnittebene (11) verlaufenden Carbonfasern (3) keine weitere durch dieselbe Schnittebene (11) verlaufende Carbonfaser (3) kontaktieren.
Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Massenanteil von Carbonfasern (3) bezogen auf die Mischung (1) von 1 Massen-% bis 70 Massen-% beträgt.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mischung (1) ein Faserflächengewicht von 75 g/m² bis 500 g/m² aufweist.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb der Mischung (1) die Carbonfasern (3) und die Kunststofffasern (4) sich in ihrer Länge um maximal 50%, bezogen auf die Länge der Carbonfasern (3), unterscheiden.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb der Mischung (1) die Carbonfaser (3) oder die Kunststofffaser (4) oder beide eine Faserlänge von 3 mm bis 30 mm aufweisen.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kunststofffaser (4) einen thermoplastischen Kunststoff beinhaltet.
Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der thermoplastische Kunststoff Polyethersulfon (PES), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polyethylenterephthalat (PET), Polyphthalamid (PPA), Polyphenylensulfid (PPS) oder Polyimid (PI), oder eine Mischung aus mindestens zwei hiervon, beinhaltet.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzlich zu der Kunststofffaser (4) aus thermoplastischem Kunststoff eine weitere Kunststofffaser (4) aus duroplastischem Kunststoff eingesetzt wird.
Ein elektrisch leitendes Material (5), hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 8, beinhaltend einen Verbund, welcher beinhaltet: a. eine erste Carbonfaser (3) und eine weitere Carbonfaser (3); und b. eine die erste Carbonfaser (3) und die weitere Carbonfaser (3) jeweils mindestens teilweise umgebende Matrix (6), wobei die Matrix (6) eine geringere elektrische Leitfähigkeit als die Carbonfasern (3) aufweist, wobei bezogen auf eine Schnittebene (11) durch den Verbund aus der Gesamtzahl der durch die Schnittebene (11) verlaufenden Carbonfasern (3) mehr als 20% der durch die Schnittebene (11) verlaufenden Carbonfasern (3) keine weitere durch dieselbe Schnittebene (11) verlaufende Carbonfaser (3) kontaktieren.
Das elektrisch leitende Material (5) nach Anspruch 9, wobei die Schnittebene (11) orthogonal zu einer möglichen Stromflussrichtung (9) durch das Material orientiert ist.
Das elektrisch leitende Material (5) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, mit mindestens einer der Eigenschaften: i. die Matrix (6) weist eine definierte spezifische elektrische Leitfähigkeit auf, ii. die Matrix (6) gibt eine Ausrichtung der Carbonfasern (3) vor, iii. die Matrix (6) gibt eine spezifische Anzahl von Berührungspunkten (10) zwischen Carbonfasern (3) vor, iv. die Carbonfasern (3) sind in der Matrix (6) so verteilt und/oder ausgerichtet, dass ein Stromfluss durch das Material (5) zwingend zumindest durch einen Teilbereich der Matrix (6) verläuft.
Ein Strahler (12), beinhaltend: a. ein transparentes oder transluzentes Gehäuse (13); b. ein in diesem Gehäuse (13) angeordnetes elektrisch leitendes Material (5) nach einem der Ansprüche 9 bis 11.
Der Strahler (12) nach Anspruch 12, wobei das elektrisch leitende Material (5) eine solche Flexibilität aufweist, dass das elektrisch leitende Material (5) über dessen gesamte Länge kreisförmig um einen Radius von 1,0 m, bevorzugt von 0,25 m, biegbar ist, ohne dass es zu Brüchen der Carbonfasern (3) und/oder der Matrix (6) und/oder zur Trennung von Carbonfasern (3) und der Matrix (6) kommt.
Der Strahler (12) nach Anspruch 12 oder 13, wobei das elektrisch leitende Material (5) eine elektrische Leitfähigkeit, gemessen als elektrische Betriebsspannung je Länge des elektrisch leitenden Materials (5), von größer als 150 V/m aufweist.