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Verfahren zur Bekohlung von thermisch beständigen Nichtleitern Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bekohlung von thermisch beständigen Nichtleitern,
z. B. Teilen aus Keramik, Quarz oder Glas.
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Ein derartiges Verfahren hat Bedeutung zur Herstellung von Schichtwiderständen
und bei der Herstellung von Isolatoren mit halbleitenden Überzügen.
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Bei der Herstellung von Hartkohle- und Mehrstoff kohleschichtwiderständen
wird im allgemeinen eine bei Zimmertemperatur flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffverbindung
in einen Ofen eingeleitet, in dem sich Stäbe aus Keramik, Quarz oder Glas auf einer
Temperatur von mindestens 900° C befinden. Diese Stäbe dienen als Trägerkörper für
die Widerstandsschicht. Der Ofenraum muß dabei evakuiert oder mit einem inerten
Schutzgas gefüllt sein. Die Kohlenwasserstoffverbindung ist bei den im Ofen herschenden
Temperaturen gasförmig und dissoziiert, der Kohlenstoff ist bestrebt, sich auf den
festen Körpern niederzuschlagen, und der frei werdende Wasserstoff' wird abgeführt.
Bei der Anwendung dieses Verfahrens besteht die Schwierigkeit, reproduzierbar die
gleichen Abscheidungsbedingungen für den frei werdenden Kohlenstoff auf den Trägerkörpern
zu schaffen; außerdem ist es schwierig, den Ofen gleichmäßig mit dem Kohlenwasserstoff
zu füllen. Aus diesen Gründen tritt insbesondere bei der Herstellung dünner Kohlenstoffschichten
eine große Streuung der Widerstandswerte der so erzeugten Kohleschichten auf. Nach
diesem Verfahren ist es daher nicht möglich, die Bekohlung auf bestimmte Bereiche
des Trägerkörpers ohne Anwendung einer Abdeckung zu begrenzen oder die Bekohlung
mit unterschiedlicher Stärke auf verschiedenen Bereichen zu erzeugen. Nachteilig
ist ferner, daß die Bekohlung an den Stellen. die dem Gasstrom nicht ausgesetzt
sind, z. B. an den Auflagestellen der Trägerkörper, nicht erfolgt.
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Nach einem anderen bekannten Verfahren zur Herstellung von hochohmigen
Schichten trägt man Lack-Ruß-Suspensionen auf Trägerkörper auf und härtet die aufgetragenen
Schichten aus. Die auf diese Weise hergestellten Schichten sind thermisch instabil
und weisen ein schlechtes Temperaturverhalten auf.
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Die Reproduzierbarkeit der Werte ist technologisch sehr schwierig.
Außerdem weisen solche Schichten eine unerwünschte Spannungsabhängigkeit auf und
sind infolgedessen elektrisch nicht hoch belastbar.
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Bei einem anderen bekannten Verfahren werden Sacharide oder Polysacharide,
beispielsweise Dextrin, Rohrzucker, Stärke usw., in Wasser gelöst, auf die Trägerkörper
niedergeschlagen und anschließend zersetzt. Die so erzeugten Widerstandsschichten
bestehen dann nur nahezu aus elementarem Kohlenstoff und zeigen deshalb ähnliche
Mängel wie die beschriebenen Widerstandsschichten aus Lack-Ruß-Suspensionen.
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Der weiter bekannte Versuch, Widerstandsschichten dadurch zu erzielen,
indem man einen Trägerkörper mit einem Gewebeschlauch umgibt und in einer Wasserstoffatmosphäre
verkohlt, führt zu keinem brauchbaren Ergebnis, da sich auf diesem Wege keine zusammenhängende,
gut haftende Kohleschicht erreichen läßt.
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Bei Isolatoren liegt die Aufgabe vor, bestimmte Flächen mit halbleitenden
Überzügen zu versehen, um den Potentialverlauf zu verbessern. Dies geschah bisher
durch Einbrennen von Schwefelverbindungen in die Glasur. Die bisherigen Bekohlungsverfahren
waren durch die Unmöglichkeit einer flächenmäßigen Begrenzung für dieses Anwendungsgebiet
ungeeignet.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kennzeichnet sich demgegenüber dadurch,
daß die Teile an den zu bekohlenden Stellen mit einer Schicht aus Naturund,'oder
Kunstharz überzogen werden, diese Schicht getrocknet und dann Temperaturen zwischen
600 und 1200° C in einer sauerstoffarmen oder inerten Atmosphäre ausgesetzt wird.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Trägerkörper
aus Keramik, Quarz
oder Glas mit einem Natur- und/oder Kunstharzüberzug
versehen und dieser bis zur Klebefreiheit getrocknet. Als Natur- und Kunstharz kommen
insbesondere solche aus Firnis, Phenolharz, Alkydharz oder Polyureihan einzeln oder
in Kombination in Betracht. Die so behandelten Trägerkörper werden in einen Ofen
eingeführt und hier Temperaturen zwischen 600 und 1200° C ausgesetzt. Dabei zersetzt
sich die Harzschicht, und es entsteht eine festhaftende Kohlenstoffschicht. Als
Öfen können die bisher bekannten Systeme Anwendung finden, und zwar stationäre und
Durchlauföfen.
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Im allgemeinen wird das Verfahren im Vakuum oder in Schutzgasatmosphäre
durchgeführt. Bei Bekohlung im Durchlaufofen wird in einer Schutzgasatmosphäre,
z. B. N?, C02 oder NH3, gearbeitet, der man bei Bedarf Luft zusetzt. Die entstehende
Kohlenstoffschicht ist festhaftend und weist günstige elektrische Eigenschaften
auf. Zur Variation der Schichtstärke der entstehenden Kohlenstoffschicht ergibt
sich die Möglichkeit, den Gehalt an Lösungsmittel in der Harzlösung zu verändern
und diese entsprechend stark aufzutragen. Eine weitere Möglichkeit der Variation
der Schichtstärke besteht darin, den Gehalt an Sauerstoff im Ofen so groß zu wählen,
daß ein Teil des Kohlenstoffes oxydiert und eine dünnere Kohlenstoffschicht auf
den Trägerkörpern entsteht.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die Stellen,
die einer stärkeren Belastung unterliegen, wie z. B. der mittlere Bereich von Schichtwiderständen
oder die Anschlußstellen, mit einer stärkeren Kohleschicht zu versehen, indem hier
das Harz stärker aufgetragen wird.
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Schwierigkeiten bei der Bekohlung der Auflagestellen der Teile bestehen
nicht, da der Kohlenstoff abspaltende Stoff, wie bei anderen bekannten Verfahren,
schon vorher aufgetragen wird.
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Mit dem Verfahren nach der Erfindung ist die partielle Bekohlung möglich.
Man kann dadurch die Bekohlung bei Rohren aus Keramik, Quarz oder Glas auf die Innen-
oder Außenfläche beschränken. Die ausschließliche äußere Bekohlung von Rohren ist
beispielsweise für UKW- und KW-Schichtwiderstände von Interesse, wo eine Kohlenstoffschicht
an der Innenwand die komplexen Eigenschaften verschlechtern würde.
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Die ausschließliche Bekohlung der Innenwandung läßt sich beispielsweise
bei Widerständen anwenden, wo das Porzellanrohr als Schutz für starke Beanspruchung,
z. B. klimatischer oder mechanischer Art, dient.
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überträgt man dies auf die Herstellung von Isolatoren, so lassen sich
Porzellandurchführungsisolatoren aus ineinandergeschobenen Rohren herstellen, die
jeweils auf der Außenseite einen Hartkohleschichtüberzug tragen, der zur Verbesserung
des Potentialverlaufs dient.
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Die partielle Bekohlung läßt sich auch mit den bisherigen Bekohlungsverfahren
kombinieren. So lassen sich z. B. Schichtwiderstände mit verstärkten Kohleschichten
an den Stirnseiten oder an den Zylinderflächen herstellen, indem die Körper vor
der Bekohlung durch vergaste Kohlenwasserstoffe an den entsprechenden Stellen mit
einem Natur- oder Kunst harzüberzug versehen werden und dann die bisher übliche
Bekohlung vorgenommen wird, wobei gleichzeitig die Zersetzung des Harzes zu Kohlenstoff
erfolgt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch Mehrkomponentenschichten
herstellen, die außer Kohlenstoff auch Bor, Silizium, Fluor, Graphitsäure, Titan,
Molybdän, Silber, Platin enthalten. Die zusätzlichen Komponenten werden dazu in
Form von Estern, leicht dissoziierenden Verbindungen oder als Suspension dem dissoziierenden
Natur- oder Kunstharz zugesetzt. Bei der thermischen Dissoziation entstehen Mehrstoffschichten
mit den gleichen elektrischen Eigenschaften wie bei der Dissoziation von gasförmigen
Stoffen.
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Nachfolgend wird das Verfahren nach der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels
erläutert. Zur Bekohlung zylindrischer Porzellankörper, wie sie für die Herstellung
von Schichtwiderständen Anwendung finden, werden die Trägerkörper zunächst mit Flußsäure
geätzt. Nach dem Spülen mit Wasser und dem Trocknen werden die Stäbe mit einer dünnen
Harzschicht im Spritz-, Tauch- oder Gießverfahren versehen. Zur Erzeugung insbesondere
dünner Schichten wird eine Lösung von 1 Teil Phenolharz in 10 Teilen Lösungsmittel
in dünner Schicht auf die Trägerkörper aufgesprüht und getrocknet. Danach werden
die Flächen, an denen die Kontaktelemente angreifen, mit einem zusätzlichen Harzüberzug
versehen.
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Für Widerstände mit Kappen geschieht dies beispielsweise durch Aufrollen
der Harzschicht an den Enden der Zylinderflächen, bei kappenlosen Widerständen werden
die Stirnflächen und Facetten der Trägerkörper mit einem zusätzlichen Harzüberzug
versehen. Zur Erzeugung der Kohlenstoffschicht werden die Trägerkörper einer den
anderen stoßend durch einen Durchlaufofen geschoben. Dieser Ofen besteht aus einem
Quarzrohr, das die Trägerkörper führt und das von einem Heizmantel umgeben ist.
Beim Durchlauf durch den Ofen erreichen die Trägerkörper eine breitere Zone, wo
sie auf etwa 950° C erhitzt werden. Das Quarzrohr enthält Anschlüsse, die es gestatten,
außer Stickstoff auch Luft durchzuleiten, so daß es möglich ist, den entstehenden
Kohlenstoff in der Dissoziationszone teilweise zu oxydieren. Es lassen sich so extrem
dünne Schichten erzeugen, die eine gute Alterungsbeständigkeit aufweisen.