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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtverbunds mit einem dielektrischen Substrat und einer an dem Substrat anhaftenden elektrisch leitfähigen Schicht. Ferner betrifft die Erfindung einen solchen Schichtverbund.
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Die
DE 297 24 855 U1 offenbart eine elektrisches Heizsystem mit einem Wärmestrahlen reflektierenden Folienträger. Der Folienträger besteht aus einem dielektrischen Material, das beschichtet wird, wobei die Beschichtung konduktive Bestandteile wie Graphitteilchen, Leitruß oder Kohlenstofffasern aufweist.
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Die
EP 3 281 709 A1 offenbart ein Paneel aus einem Holzwerkstoff mit einer Oberflächenbeschichtung. Die besagte Beschichtung besteht aus einer Lackschicht, in die eine Mischung von Substanzen angeordnet ist, die den Gleitwiderstand der Oberfläche des Paneels beeinflussen.
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In Transformatoren werden zum Schutz gegen Überspannungen bzw. zur elektrischen Ableitung von Spannungen meist Bauteile aus einem metallischen Material eingesetzt. Dabei steht nicht immer ein besonders guter elektrischer Leitwert des metallischen Materials im Vordergrund. Vielmehr ist die reine elektrische Ableitung von Strom/Spannung von Bedeutung. Es kann auch nur das Vorhandensein der Spannung für reine Schaltimpulse verwendet werden, beispielsweise um nachfolgenden Regeleinrichtungen eine Abschaltung des Systems zu gestatten. So können beispielsweise mehrere Rohre und Rohrbögen, die beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium hergestellt sind, miteinander verschweißt werden, um eine Rohrdurchführung zu erhalten. Durch diese Rohrdurchführung können dann später die Zuleitungen für den Transformator von außen nach innen geführt werden. Das Schweißen solcher Rohrkonstruktionen ist jedoch sehr aufwendig. Zudem können die während des Schweißprozesses auftretenden hohen Temperaturen unerwünschte Spannungen in das Material einbringen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren sowie einen alternativen Schichtverbund der eingangs genannten Art zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtverbunds, umfassend die Schritte a) Bereitstellen eines dielektrischen Substrats; b) Auftragen zumindest einer fließfähigen Beschichtung auf das bereitgestellte Substrat, wobei die Beschichtung flüssiges Wasserglas und in diesem verteilt angeordnete Partikel aus elektrisch leitfähigem Material aufweist, und c) Aushärten der fließfähigen Beschichtung.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Bauteile aus einem dielektrischen Material mit einer elektrischen Ableitfunktion ausgestattet werden. Diese elektrische Ableitfunktion wird von den in der fließfähigen Beschichtung enthaltenen Partikeln aus elektrisch leitfähigem Material bereitgestellt. Die im Wasserglas enthaltenen Silikate dienen als Bindemittel und gewährleisten ein sicheres Anhaften der Beschichtung am Substrat. Ein Wesentlicher Vorteil, der mit der Verwendung von Wasserglas als Bindemittel einhergeht, besteht darin, dass zumindest ein Teil des im Wasserglas enthaltenen Wassers während des Aushärtens der Beschichtung in Schritt c) verdunstet. Durch die Verdunstung des Wassers findet eine nicht umkehrbare Verkieselung statt. Ferner erfährt die Beschichtung einen gewissen Schrumpfungsprozess. Dank dieser Schrumpfung wird der Abstand zwischen den Partikeln zueinander derart stark verringert, dass die Partikel einander berühren, weshalb die Schicht nach dem Aushärten elektrisch leitfähig ist. Ein weiterer Vorteil, der mit der Verwendung von Wasserglas als Bindemittel einhergeht, besteht darin, dass die erzeugte Schicht brandhemmende Eigenschaften aufweist. Unter Hitzeeinwirkung schäumt die Schicht auf und verhindert bei geeigneter Wahl der Schichtstärke einen Durchbrand des Substrats. Der Begriff „Partikel“ soll vorliegend Partikel in Pulver- oder Flockenform einschließlich nanoskaliger Bestandteile beinhalten. Flocken eignen sich aufgrund ihrer Struktur besonders zur Erzielung dünner Schichten mit sehr guter Leitfähigkeit in X- und Y-Richtung, also innerhalb der Beschichtungsebene. Diese können dann unter Einsatz einer geeigneten Auftragstechnik auf der Oberfläche des Substrats in die jeweilige Form gebracht werden, um das zu schützende Bauteil zu umhüllen.
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Das dielektrische Substrat ist bevorzugt aus Holz, Hartgewebe, Kunststoff, Keramik oder Papier hergestellt. Auch kann das dielektrische Substrat Kombinationen von elektrisch nicht leitenden Werkstoffen aufweisen.
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Bei dem Wasserglas kann es sich um Natronwasserglas, Kaliumwasserglas oder Lithiumwasserglas handeln. Ein wichtiger Unterschied dieser Wassergläser liegt im Preis. So ist Natronwasserglas verglichen mit Lithiumwasserglas sehr kostengünstig. Bei sehr stark saugfähigem Substrat bietet sich beispielsweise dennoch die Verwendung von Lithiumwasserglas an. Es empfiehlt sich aufgrund seiner Saugfähigkeit und einer stärkeren Vernetzung der Silikate untereinander. Dies führt auch zu einer größeren Haftung der Beschichtung auf Substratoberflächen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das flüssige Wasserglas einen Festkörperanteil im Bereich von 20-80 Gewichtsprozent auf. Wassergläser sind im Handel in Konzentration von typischerweise 28-66 Gewichtsprozent Glasfestkörperanteil zum Wassergehalt der Mischung erhältlich.
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Das elektrisch leitfähige Material weist bevorzugt Kupfer, Aluminium, Silber, Zinn und/oder Eisen auf. Eisenhaltige Materialien können sowohl Legierungen als auch Edelstähle im weitesten Sinne sein. Natürlich sind auch Kombination dieser Materialien möglich, wie beispielsweise eine Matrix aus Kupfer und Zinn. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit einer Lötung von elektrischen Kontakten an der Oberfläche der ausgehärteten Schicht, um an diese beispielsweise separate elektrische Leiter anzuschließen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind in der fließfähigen Beschichtung Partikel mit einem Anteil im Bereich von 20-80 Gewichtsprozent vorhanden. Mit steigender Konzentration des Festkörperanteils in der Beschichtung steigt die elektrische Leitfähigkeit. Ebenso nimmt die Reaktionsfreudigkeit der Beschichtung beim Aushärtungsprozess zu. Im Gegenzug nimmt bei geringerem Anteil des Bindemittels die Festigkeit der ausgehärteten Gesamtmatrix ab.
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Die Größe der Partikel liegt vorteilhaft im Bereich von 10 bis 150µm, insbesondere im Bereich von 20 bis 100µm. Nanoskalige Bestandteile in der Mischung sind aber ebenfalls möglich. Sie führen allerdings aufgrund der stark vergrößerten Oberfläche zu einer Beschleunigung der Aushärtungsreaktion der Beschichtung. Diese Beschleunigung kann aber durch eine Reduzierung der Verarbeitungstemperatur zumindest teilweise wieder kompensiert werden. Aus der jeweils verwendeten Partikelgröße der Feststoffe definiert sich die minimal zu erzeugende Schichtdicke in der Gesamtmatrix nach der Aushärtung.
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Bevorzugt wird die fließfähige Beschichtung aufgepinselt oder im Rahmen eines Sprüh- oder Tauchverfahrens aufgetragen. Gegebenenfalls sind auch Kombinationen dieser Beschichtungsverfahren möglich.
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Gemäß einer ersten Variante wird die fließfähige Beschichtung unmittelbar auf das Substrat aufgetragen, also ohne Vorsehen einer Zwischenschicht. Alternativ kann das Substrat aber auch mit einer oder mit mehreren Wasserglas aufweisenden oder aus Wasserglas bestehenden Beschichtungen versehen werden, bevor in Schritt b) die erfindungsgemäße Beschichtung insbesondere zur Erzielung der elektrischen Ableitfunktion aufgetragen wird.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Beschichtung auch mehrfach aufgetragen werden kann, um beispielsweise eine bestimmte Gesamtschichtdicke zu erzielen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird auf eine in Schritt b) aufgetragene und in Schritt c) ausgehärtete Beschichtung zumindest eine elektrisch nicht leitende weitere Beschichtung aufgetragen, die insbesondere fließfähiges Wasserglas aufweist oder aus fließfähigem Wasserglas besteht.
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Auch können im Wechsel elektrisch leitende und elektrisch nicht leitende Schichten erzeugt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird zumindest eine in den Schritten b) und c) hergestellte elektrisch leitfähige Schicht über eine Lötverbindung mit einem elektrischen Leiter verbunden.
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Ferner schafft die vorliegende Erfindung einen Schichtverbund, umfassend ein dielektrisches Substrat und zumindest eine an dem Substrat anhaftende elektrisch leitfähige Schicht, wobei die elektrisch leitfähige Schicht zumindest teilweise einander berührende Partikel aus elektrisch leitfähigem Material und ein Silikate aufweisendes oder aus Silikaten bestehendes Bindemittel aufweist.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Bindemittel um verkieseltes Wasserglas, insbesondere um verkieseltes Natronwasserglas, Kaliumwasserglas oder Lithiumwasserglas.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Schichtverbund zumindest eine weitere Wasserglas aufweisende oder aus Wasserglas bestehende Schicht auf.
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Vorteilhaft ist der Schichtverbund unter Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt.
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Ferner schlägt die vorliegende Erfindung vor, einen erfindungsgemäßen Schichtverbund zur elektrischen Ableitung von Spannungen zu verwenden, insbesondere bei einem Transformator.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
- 1 eine schematische Ansicht, die eine Seitenansicht eines Ausschnitts eines Schichtverbunds gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 2 eine schematische Ansicht, die eine Seitenansicht eines Ausschnitts eines Schichtverbunds gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 3 eine schematische Ansicht, die eine Seitenansicht eines Ausschnitts eines Schichtverbunds gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
- 4 eine schematische Ansicht, die eine Seitenansicht eines Ausschnitts eines Schichtverbunds gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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Gleiche Bezugsziffern beziehen sich nachfolgend auf gleiche oder gleichartig ausgebildete Bauteilbereiche. 1 zeigt einen Schichtverbund 1, der ein dielektrisches Substrat 2 und eine unmittelbar an dem Substrat anhaftende, elektrisch leitfähig ausgebildete Schicht 3 aufweist. Das Substrat 2 kann aus Holz, Hartgewebe, Keramik, Papier oder dergleichen hergestellt sein. Ebenso sind Kombinationen dieser Materialien möglich. Das Substrat 2 bildet vorliegend ein Bauteil oder einen Teilbereich eines Bauteils, insbesondere eines Transformatorbauteils. So kann der in 1 dargestellte Ausschnitt des Substrats 2 beispielsweise Teil einer Rohrkonstruktion sein, durch die Zuleitungen für den Transformator geführt werden, wobei die obere Seite des in 1 dargestellten Substrats 2 eine äußere Oberfläche eines Rohrs und die untere Seite eine innere Oberfläche des Rohrs repräsentiert. Die elektrisch leitfähige Schicht 3 weist Partikel aus elektrisch leitfähigem Material auf, die einander derart berühren, dass sie der Schicht 3 zumindest eine elektrische Ableitfunktion verleihen. Ferner umfasst die elektrisch leitfähige Schicht 3 ein Silikate aufweisendes oder aus Silikat bestehendes Bindemittel auf. Bei dem elektrisch leitfähigen Material, aus dem die Partikel hergestellt sind, kann es sich beispielsweise um Kupfer, Aluminium, Silber, Zinn, Eisen oder um Kombinationen dieser Elemente handeln. Eisenhaltige Materialen beinhalten sowohl Legierungen als auch Edelstähle im weitesten Sinne. Vorliegend ist als elektrisch leitfähiges Material eine Matrix aus Kupfer und Zinn gewählt. Die Partikel können körnig oder flockenförmig ausgebildet sein. Die Größe der Partikel liegt bevorzugt im Bereich von 10 bis 150 µm, insbesondere im Bereich von 20 bis 100 µm. Bei dem Bindemittel handelt es sich vorliegend um verkieseltes Wasserglas, wobei es sich bei dem Wasserglas um Natronwasserglas, Kaliumwasserglas oder Lithiumwasserglas handeln kann. An die elektrisch leitfähigen Schicht 3 sind beispielhaft zwei elektrische Leiter 4 über entsprechende Lötverbindungen 5 angebunden.
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Zur Herstellung der in 1 dargestellten Anordnung werden gemäß einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens folgende Schritte durchgeführt:
- In einem ersten Schritt a) wird das dielektrische Substrat 2 bereitgestellt.
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In einem zweiten Schritt b) wird eine fließfähige Beschichtung auf das bereitgestellte Substrat 2 aufgetragen, wobei der Auftrag durch Aufpinseln oder im Rahmen eines Sprüh- oder Tauchverfahrens erfolgen kann. Die Beschichtung umfasst flüssiges Wasserglas und die in diesem verteilt angeordneten Partikel. „Flüssig“ kann im Zusammenhang der vorliegenden Anmeldung auch zähflüssig bedeuten, soweit das Wasserglas streich, sprüh- und/oder tauchfähig bleibt. Das flüssige Wasserglas kann beispielsweise einen Festkörperanteil im Bereich von 20 bis 80 Gewichtsprozent aufweisen. Die Partikel können in der fließfähigen Beschichtung mit einem Anteil im Bereich von 20 - 80 Gewichtsprozent vorhanden sein.
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In einem weiteren Schritt c) wird die fließfähige Beschichtung ausgehärtet. Während des Aushärtens verdunstet im Wasserglas enthaltenes Wasser. Durch diese Verdunstung des Wassers findet eine nicht umkehrbare Verkieselung statt. Ferner unterliegt die Beschichtung einem gewissen Schrumpfungsprozess, der dazu führt, dass die Abstände zwischen den Partikeln derart stark verringert werden, dass die Partikel einander berühren, weshalb die Schicht 3 nach dem Aushärten elektrisch leitfähig ist. Das mit der elektrisch leitfähigen Schicht 3 versehene Substrat 2 ist nunmehr mit einer elektrischen Ableitfunktion ausgestattet. Ferner wirkt sich die Schicht 3 brandhemmend und thermisch isolierend aus. Unter Hitzeeinwirkung schäumt die Schicht 3 auf und verhindert bei geeigneter Wahl der Schichtstärke einen Durchbrand des Substrats 2.
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Bei der Wahl der Partikelgröße ebenso wie bei der Wahl des Partikelanteils in der fließfähigen Beschichtung sind grundsätzlich folgende Dinge zu beachten. Partikelgröße und Partikelanteil sind derart aufeinander abzustimmen, dass sich nach dem Aushärten der fließfähigen Beschichtung in Schritt c) eine elektrische Leitfähigkeit der Schicht 3 einstellt. Mit steigender Konzentration des Festkörperanteils in der Beschichtung steigt dabei die elektrische Leitfähigkeit. Ebenso nimmt allerdings die Reaktionsfreudigkeit der Beschichtung beim Aushärtungsprozess zu. Im Gegenzug nimmt bei geringerem Anteil des Bindemittels die Festigkeit der ausgehärteten Gesamtmatrix bzw. der ausgehärteten Schicht 3 ab. Die gewünschten Eigenschaften der Schicht 3 lassen sich durch einfaches Variieren der Partikelgröße und des Partikelanteils problemlos experimentell ermitteln und einstellen.
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2 zeigt einen Schichtverbund 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der, von unten nach oben betrachtet, ein analog zur ersten Ausführungsform ausgebildetes Substrat 2, eine erste Schicht 6, eine analog zur ersten Ausführungsform ausgebildete Schicht 3 und eine zweite Schicht 6 aufweist. Die Schichten 6 umfassen Wasserglas oder bestehen aus Wasserglas, wobei es sich bei dem Wasserglas wiederum um Natriumwasserglas, Kaliumwasserglas oder Lithiumwasserglas handeln kann. Im Gegensatz zur Schicht 3 sind die Schichten 6 jedoch vorliegend nicht elektrisch leitfähig und dienen in erster Linie der Stabilisierung der Schicht 3 sowie zur Erzielung eines verbesserten Brandschutzes und einer verbesserten thermischen Isolierung des Substrats 2.
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3 zeigt einen Schichtverbund 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der, von unten nach oben betrachtet, ein analog zur ersten Ausführungsform ausgebildetes Substrat 2, zwei analog zur zweiten Ausführungsform ausgebildete Schichten 6, eine analog zur ersten Ausführungsform ausgebildete Schicht 3 und eine zweite weitere analog zur zweiten Ausführungsform ausgebildete Schichten 6 aufweist.
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4 zeigt einen Schichtverbund 1 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der, von unten nach oben betrachtet, ein analog zur ersten Ausführungsform ausgebildetes Substrat 2, eine analog zur zweiten Ausführungsform ausgebildete Schicht 6, eine analog zur ersten Ausführungsform ausgebildete Schicht 3 und dann im Wechsel immer eine Schicht 6 und eine Schicht 3 aufweist.
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Die Schichten 3 der in den 1 bis 4 dargestellten Schichtverbunde 1 verleihen dem Substrat und damit dem Bauteil oder Bauteilbereich eine elektrische Ableitfähigkeit.
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Sie lassen sich zudem einfach und preiswert herstellen, wobei auch komplizierte Geometrien ohne weiteres beschichtet werden können. Ferner verleihen die Schichten 3 dem Substrat brandhemmende und thermisch isolierende Eigenschaften, welche durch das Vorsehen zusätzlicher Schichten 6 noch deutlich verbessert werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
