DE19538695A1 - Keramischer elektrischer Widerstand und dessen Verwendung - Google Patents
Keramischer elektrischer Widerstand und dessen VerwendungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen keramischen elektrischen
Widerstand nach der Gattung des Anspruchs 1 und dessen
Verwendung.
Aus der EP-A 0 412 428 A1 sind Keramiken auf der Basis
siliciumorganischer Polymere mit Füllstoffen
intermetallischer Stoffe, Metalle und Metallhydride bekannt.
Jedoch sind Anwendungen in elektrischen Schaltungen in Form
von Widerständen oder Leitern unbekannt.
Während metallische Heizleiter bis 1300°C eingesetzt werden
können, beträgt die Maximaltemperatur keramischer Heizleiter
ca. 1800°C. Keramische Heizleiter nach dem Stand der
Technik sind nur mit sehr niedrigen oder sehr hohen
spezifischen Widerstand verfügbar (z. B. MoSi₂ 2 × 10-2 Ohm
cm; SiC 5 Ohm cm). Zwischenwerte können mit herkömmlichen
keramischen Materialien kaum eingestellt werden. Auch durch
Mischen keramischer Pulver mit unterschiedlichen
spezifischen Widerständen kann der elektrische Widerstand
einer Sinterkeramik nur in engen Grenzen variiert werden, da
durch die Zugabe fremder Stoffe die Sinterfähigkeit stark
beeinträchtigt wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, keramische elektrische
Widerstände beziehungsweise Heizleiter für
Hochtemperaturanwendungen zu schaffen. Dabei ist es ein
weiteres Ziel der Erfindung, den spezifischen elektrischen
Widerstand in einfacher und sicher reproduzierbarer Weise
einzustellen.
Der erfindungsgemäße keramische elektrische Widerstand mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs ermöglicht
die Lösung dieser Aufgabe, insbesondere für den Einsatz bei
hohen Temperaturen. Beim erfindungsgemäßen keramischen
elektrischen Widerstand können verschiedene Füllstoffpulver
mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften eingesetzt
werden. Eine Beeinträchtigung der Keramik ist weitestgehend
ausgeschlossen, da das Verdichtungsverhalten während der
Pyrolyse maßgeblich von der thermischen Zersetzung des
Polymers und nicht von den Sintereigenschaften der
verwendeten Pulver bestimmt wird.
Durch Versuche hat es sich gezeigt, daß bei Einhaltung der
beanspruchten stofflichen Zusammensetzung des
Ausgangsmaterial s die Formgebung mit in der Kunststoff- oder
Keramikverarbeitung gebräuchlichen Verfahren gewährleistet
ist, wobei vorgegebene spezifische Widerstandswerte im
Bereich von 10-6 bis 10¹¹ Ohm cm nach der Pyrolyse
einstellbar sind. Besonders zeitstabile Widerstände und
Leiter konnten bei Pyrolyse-Temperaturen im Bereich von
1200° bis 1500°C hergestellt werden. Dabei wird eine
theoretische Dichte von 70%-98% erreicht.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale und
Maßnahmen werden weitere Verbesserungen erreicht.
Wird die Pyrolyse unter Inertgas, Formiergas oder
Reaktionsgas ausgeführt, so erhält man Widerstände, die
gering schwinden, maßhaltig, rißfrei und porenarm sind.
Vorzüglich eignen sich Ar, NH₃, N₂ und deren Gasmischungen
als Pyrolyseatmosphäre.
Unter inerter Ar-Atmosphäre können chemische Reaktionen nur
zwischen Füller und Polymer, nicht jedoch mit der Atmosphäre
auftreten. Reduzierende NH₃-Atmosphäre führt zu einer
Verringerung des C-Anteils im Matrix-Material und somit zu
einer geringeren elektrischen Leitfähigkeit als unter Ar.
Bei der Pyrolyse unter reaktiver N₂-Atmosphäre können
Füller- und/oder Matrixbestandteile mit dem Pyrolysegas zu
Nitriden reagieren und dabei ebenfalls die elektrische
Leitfähigkeit des Verbundkörpers verändern.
Zur Formgebung durch Gießen, Extrudieren, Warmpressen
und/oder Spritzgießen erwies es sich als günstig, ein
kondensationsvernetztes, bei Raumtemperatur festes
Polysiloxan einzusetzen und derartige Widerstände oder
Leiter herzustellen.
Der elektrische Widerstand der erfindungsgemäßen Keramik
zeigt durch Dosierung der Füllstoffe im gewünschten
Verhältnis dann sehr vorteilhaft einen positiven
Temperaturkoeffizienten, wenn eine Mischung von
Molybdändisilicid mit Silicium eingesetzt wird. Ein
Mischungsverhältnis MoSi₂ : Si = 20 : 20 Volumenprozent bezogen
auf das Volumen des Widerstandsmaterials, eignet sich
insbesondere für Glühelemente mit Aufheizzeiten von wenigen
Sekunden für Glühstiftkerzen.
Weiterhin können als Füllstoffe vorteilhaft vorpyrolysierte
und/oder ausgehärtete metallorganische Polymere neben
elektrisch leitenden Nichtmetallen, intermetallischen
Verbindungen oder Metallen eingesetzt werden. Damit ist es
möglich, die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften
verschiedener Matrixmaterialien nebeneinander für einen
Widerstand oder Leiter auszunutzen, wobei die Nachteile nur
eines Matrixmaterials vermieden und die
Herstellungsmöglichkeiten erweitert werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beispiele und mit
Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 zeigt das Gefüge eines Verbundkörpers mit 50 Vol.-%
MoSi₂ gemäß Beispiel 1, Fig. 2 zeigt die
Temperaturabhängigkeit des spezifischen elektrischen
Widerstandes Rspez zweier Ausführungen erfindungsgemäßer
Widerstände mit positivem Temperaturkoeffizienten, Fig. 3
zeigt die Temperaturabhängigkeit des spezifischen
elektrischen Widerstandes Rspez einer Ausführung eines
erfindungsgemäßen Widerstandes mit negativem
Temperaturkoeffizienten.
Fig. 1 zeigt das Gefüge eines erfindungsgemäßen Widerstands
10 aus Polysiloxan mit 50 Vol.-% MoSi₂-Füllstoff, der bei
1200°C im Argonstrom pyrolysiert wurde. Die Zusammensetzung
und Herstellung entspricht Beispiel 1. Der Korndurchmesser
liegt im Durchschnitt unterhalb von 5 Mikrometer, wie anhand
des Maßstabs gezeigt ist. Grau sind die Körner 30 und hell
die amorphe Matrix-Phase 20 sichtbar.
Das Diagramm in Fig. 2 zeigt den elektrischen Widerstand
für einen Temperaturbereich bis 1200°C. Der Volumenanteil
des Füllstoffgemisches MoSi₂ : Si = 20 : 20 ist 40 Vol.-%,
bezogen auf das gesamte Volumen. Der elektrische Widerstand
steigt etwa linear bis ca. 800°C und flacht dann ab.
Wesentlich niedriger ist der spezifische elektrische
Widerstand bei einem Material mit 50 Vol.-% MoSi₂ als
Füllstoff, das aber ebenfalls einen positiven
Temperaturkoeffizienten besitzt. Eine Erhöhung des
Volumenanteils der Leitstoffmischung führt demnach
erwartungsgemäß zur Erniedrigung des spezifischen
elektrischen Widerstands.
Fig. 3 zeigt ein Schaubild ähnlich dem der Fig. 2, jedoch
für einen Füllstoff-Volumenanteil von 50 Vol.-% Si₃N₄ (β-
Si₃N₄). Mit zunehmender Temperatur wird der Widerstand
leitfähiger, das heißt der Widerstand weist einen negativen
Temperaturkoeffizienten auf. Es wurden auch
Füllstoffmischungen hergestellt aus Füllstoffen, die einen
positiven und Füllstoffen, die einen negativen
Temperaturkoeffizienten für Widerstände verursachen, um
einen konstanten Widerstandsbereich einzustellen.
Wenn im folgenden nicht auf die Pyrolyse eingegangen wird,
so wird sie für die Beispiele mit dem Schutzgas Argon
ausgeführt.
In ein Becherglas werden 23,1 g additionsvernetzendes
Methyl-Phenyl-Vinyl-Hydrogen-Polysiloxan (Wacker Silicon-
Imprägnierharz H62 C) eingegeben und in 50 ml Aceton gelöst.
In dieser Lösung werden mittels eines Magnetrührers 126,9 g
MoSi₂-Pulver (H. C. Starck Molybdändisilicid, Grade B,
Korngröße d₅₀ = 3,0 µm, 98% < 10 µm) dispergiert. Dies
entspricht einem Füllgrad von 50 Vol.-% bezogen auf die
lösungsmittelfreie Polymer-Füller-Mischung. Die Suspension
wird auf eine HostaphanTM-Folie gegossen und das Aceton im
Umluft-Trockenschrank bei 500 C ausgetrieben. Alternativ
kommen auch andere Lösungsmittel zum Einsatz wie
beispielsweise Toluol, Hexan, alicyclische oder aromatische
Kohlenwasserstoffe. Man erhält eine knetartige Masse, die
von Hand portioniert werden kann. Die Masse wird in eine
Preßform eingedrückt und bei einem Druck von 10 MPa und
einer Temperatur von 200°C über 30 min. ausgehärtet.
Der so erhaltene Formkörper wird unter fließendem Argon
(5 l/h) mit folgendem Temperaturprogramm der Tabelle 1
pyrolysiert:
Das Material besteht, wie in Fig. 1 gezeigt, weitgehend aus
MoSi₂, das in einer amorphen Si-Ox-Cy-Matrix eingebettet
ist. Sehr geringe Mengen von MoSi₂ reagieren mit Kohlenstoff
aus dem Polymer zu SiC und MoC₂. Der Körper besitzt eine
Dichte von 4,1 g/cm³ und eine offene Porosität von 14,3%.
Der spezifische elektrische Widerstand Rspez bei
Raumtemperatur, gemessen in Vierpunkttechnik mit einem
Burster Digomat Mikroohmmeter Typ 2302 an stäbchenförmigen
Proben mit rechteckigem Querschnitt, beträgt 2,2 × 10-4 Ohm
cm. Die mechanische 4-Punkt-Biege-Festigkeit des Materials
liegt bei 115 MPa.
Es wird wie in Beispiel 1 vorgegangen, jedoch wird MoSi₂-
Pulver als Füller durch CrSi₂-Pulver ersetzt (H. C. Starck
Chromsilicid, < 10 micron, Korngröße d₅₀ = 3.7 µm) und in
einem Volumenanteil von 40 Vol.-% zugegeben. Nach der
Pyrolyse besteht der in der amorphen Matrix eingebettete
Füller überwiegend noch immer aus CrSi₂. Daneben liegen als
kristalline Phasen CrSi, SiC und SiO₂ (Cristobalit) vor. Das
pyrolysierte Material hat eine Dichte von 3,5 g/cm³ und eine
offene Porosität von 3,3%. Der spezifische elektrische
Raumtemperatur-Widerstand beträgt 3,0 × 10-3 Ohm cm, die
Biegefestigkeit 120 MPa.
Das Verfahren aus Beispiel 1 wird mit dem Unterschied
wiederholt, daß anstelle von MoSi₂-Pulver 50 Vol.-%
Siliciumpulver (H. C. Starck SiMP, B 10, Korngröße d₅₀ =
4,4 µm) zugegeben werden. Der Si-Füllstoff bleibt fast
unverändert, es bilden sich nur sehr geringe Mengen an SiC.
Dieses Material besitzt eine Dichte von 2,1 g/cm³ bei einer
offenen Porosität von 3,3%. Der spezifische elektrische
Raumtemperatur-Widerstand beträgt 1,0 × 10² Ohm cm, die
Biegefestigkeit 70 MPa.
Es wird wie in Beispiel 1 vorgegangen, jedoch wird zu 28,5 g
Siloxan-Harz eine Pulvermischung aus 19,5 g Si- und 52,0 g
MoSi₂-Pulver zugegeben. Dies entspricht einem Füllergehalt
von 20 Vol.-% Si (H. C. Starck SiMP, B 10) und 20 Vol.-% MoSi₂
(H. C. Starck Molybdändisilicid, Grade B). Das pyrolysierte
Material hat eine Dichte von 3,2 g/cm 3 bei einer offenen
Porosität von 0,3%. Der spezifische Raumtemperatur-
Widerstand beträgt 1,6 × 10-3 Ohm cm. Die Biegefestigkeit
ist 120 MPa.
Es wird wie in Beispiel 1 vorgegangen, wobei 42,2 g Siloxan
in 100 g Aceton gelöst werden. In der Lösung werden 49,8 g
SiC (SiC-Pulver F600 grau, Elektrochschmelzwerk Kempten, 90%
< 22 µm, mittlere Korngröße 12 µm) und 57,9 g MoSi₂
dispergiert. Dies entspricht einem Anteil der Füllstoffe von
40 Vol.-% bezogen auf die lösungsmittelfreie Polymer-Füller-
Mischung, wobei MoSi₂ : SiC im Verhältnis von 15 : 25 Vol.-%
eingesetzt werden. Der spezifische elektrische Widerstand
Rspez beträgt 2 × 10 Ohm cm.
Es wird wie in Beispiel 1 vorgegangen, wobei 80,1 g Siloxan
in 150 g Aceton gelöst werden. In der Lösung werden 42,5 g
SiC und 27,4 g MoSi₂ dispergiert. Dies entspricht einem
Anteil des Füllstoffs von 20 Vol.-% bezogen auf die
lösungsfreie Polymer-Füller-Mischung mit einem Verhältnis
von MoSi₂ : SiC = 5 : 15 Vol.-%. Der spezifische elektrische
Widerstand Rspez beträgt 3 × 108 Ohm cm.
Es wird gemäß Beispiel 1 ein Material mit dem Unterschied
hergestellt, daß anstelle von MoSi₂-Pulver 50 Vol.-% Graphit-
Pulver (Aldrich 28, 286-3, Korngröße: 1 bis 2 µm) zugegeben
wird. Der pyrolysierte Körper besitzt eine Dichte von 1,9
g/cm³ bei einer offenen Porosität von 8,9%. Der spezifische
elektrische Widerstand bei Raumtemperatur beträgt 1,6 × 10-2
Ohm cm.
Es wird wie in Beispiel 1 vorgegangen, doch wird als Füller
Si₃N₄-Pulver (H. C. Starck Si3N4, S1, Korngröße d₅₀ =
0,9 µm) zugegeben. Der Füllgrad beträgt 50 Vol.-%. Es
entsteht ein hochohmiges Material, dessen spezifischer
Raumtemperatur-Widerstand mit einem Teraohmmeter HP 4339A in
Zweipunkttechnik ermittelt wurde. Er beträgt 3,6 × 1010 Ohm
cm. Die Dichte liegt bei 2,1 g/cm³, die offene Porosität bei
27,4%. Beispiel 6 wurde mit AlN und BN wiederholt.
Es wird ein Keramik-Material nach dem in Beispiel 1
beschriebenen Vorgehen hergestellt, jedoch werden als Füller
30 Vol.-% Al₂O₃-Pulver (Alcoa XA 1000, Korngröße d₅₀ =
0,5 µm) zugegeben. Die pyrolysierte Keramik besitzt einen
spezifischen elektrischen Raumtemperatur-Widerstand von
3,5 × 10⁴ Ohm cm. Die Dichte beträgt 2,8 g/cm³ bei einer
offenen Porosität von 2,8%.
Es wird wie in Beispiel 1 vorgegangen, jedoch werden als
Füller 70 Vol.-% Fe-Pulver (Höganäs ASC 100, Korngröße d₅₀ =
60 µm) zugegeben. Die Dichte des pyrolysierten Materials
beträgt 6,1 g/cm³ bei einer offenen Porosität von 13,8%.
Das Material besitzt einen elektrischen Raumtemperatur-
Widerstand von 2,0 × 10-5 Ohm cm.
Nach dem Beispiel 8 wird ein Formkörper hergestellt, der
anstelle von reinem Fe-Pulver eine Mischung aus Fe- und
ZrO₂-Pulver enthält. Der Füllstoffgehalt beträgt 20 Vol.-% Fe
(Höganäs ASC 100) und 20 Vol.-% ZrO₂ (Magnesium Electron Ltd.
Zirkoniumdioxid SC 30 R, Korngröße d₅₀ = 14,5 µm), bezogen
auf 100 Vol.-% Verbundkörper. Der spezifische Raumtemperatur-
Widerstand des pyrolysierten Materials beträgt 2,2 × 10-3
Ohm cm. Beispiel 9 wurde mit ThO₂, CeO, CeO₂ oder einer
Mischung von ZrO₂ mit HfO₂ wiederholt ausgeführt.
Es wird wie in Beispiel 3 vorgegangen, jedoch wird als
Polymer ein kondensationsvernetzendes Polysiloxan
(Chemiewerk Nünchritz NH 2400) eingesetzt, das bei
Raumtemperatur in fester Form vorliegt. Anstelle einer
knetartigen Masse erhält man nach Abzug des Lösungsmittel s
ein grobkörniges Granulat, das durch Mahlen
weiterverarbeitet wird. Das gemahlene Granulat wird in
Abweichung von Beispiel 3 durch Spritzgießen in Form
gebracht und anschließend wie in Beispiel 1 beschrieben
pyrolysiert.
Es wird ein Material gemäß Beispiel 6 hergestellt, jedoch
wird als Polymer anstelle von Polysiloxan ein Polysilazan
(Hoechst VT 50) eingesetzt und mit 50 Vol.-% Si₃N₄-Pulver
gefüllt. Die Zugabe von Aceton entfällt, da das Polysilazan
bereits in THF gelöst ist. Die Pyrolyse erfolgt unter
fließender Stickstoffatmosphäre. In Abweichung von den
Beispielen 1 bis 12 besteht die amorphe Matrix hier aus
Si1,0N1,3C1,6. Die Dichte des pyrolysierten Materials
beträgt 1,8 g/cm³ bei einer offenen Porosität von 24,0%.
Die eingesetzte Korngröße der Pulver der Beispiele 1 bis 14
wurde variiert, wenn dadurch eine bessere Anpassung an den
Einsatzzweck des Verbundkörpers eintrat.
Nach einem der in den Beispielen 1 bis 12 beschriebenen
Verfahren wird ein U-förmiger Körper hergestellt. Die
Formgebung erfolgt durch Warmpressen.
Über eine Lötverbindung werden die Schenkel kontaktiert. Die
Materialzusammensetzung wird so gewählt, daß bei Anlegen
einer vorzugebenden Spannung an die Kontaktstellen der
Körper an der Stelle seines geringsten Querschnitts glüht
und eine für die Zündung eines Gases oder Gasgemisches
erforderliche Temperatur erreicht.
Gemäß den Beispielen 1 bis 12 wird eine Polymer-Füller-
Mischung hergestellt. Nach Abzug des Lösungsmittels wird die
Masse durch Rakeln oder durch Siebdruck strukturiert auf ein
noch nicht pyrolysiertes gefülltes siliciumorganisches
Substrat aufgetragen. Die gefüllte Polymerschicht wird im
Trockenschrank bei 200°C ausgehärtet. Anschließend werden
Schicht und Substrat bei Temperaturen zwischen 800 und
1400°C gemeinsam pyrolysiert. Man erhält eine
hochtemperaturbeständige Leiterbahn auf dem Substrat, deren
Widerstand über die Füllerzusammensetzung eingestellt werden
kann.
Es wird wie in Beispiel 13 vorgegangen, jedoch werden
Strukturen aufgetragen, die aus Polymer/Füller-Mischungen
mit lokal unterschiedlicher Zusammensetzung bestehen, die
unterschiedliche elektrische Widerstände ergeben. Man erhält
eine hochtemperaturbeständige elektrische Schaltung. Die
Zusammensetzung der Polymer/Füller-Mischung kann sowohl in
der Ebene des Substrats als auch senkrecht dazu variiert
werden. Im zweiten Fall wird die elektrische Schaltung in
Mehrlagentechnik aufgebaut.
Claims (12)
1. Keramischer elektrischer Widerstand, der durch
Keramisieren mindestens eines siliciumorganischen Polymers
und mindestens eines Füllstoffes herstellbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß der Füllstoff mindestens eine
hochschmelzende leitfähige Komponente enthält, daß der
Füllstoffanteil 20 bis 50 Vol.-% bezogen auf die
lösungsmittelfreie Polymer-Füllstoff-Mischung beträgt und
daß über den Füllstoffanteil der spezifische elektrische
Widerstand einstellbar ist.
2. Keramischer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der elektrisch leitfähigen Komponente
mindestens eine weitere elektrisch isolierende und/oder
halbleitende Komponente zugesetzt ist.
3. Keramischer Widerstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Komponente
MoSi₂ ist, die mit 5 bis 50 Vol.-% bezogen auf die
lösungsmittelfreie Polymer-Füllstoff-Mischung eingesetzt
ist.
4. Keramischer Widerstand nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß dem MoSi₂ als weitere Komponente Si
zugesetzt ist.
5. Keramischer Widerstand nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis MoSi₂ : Si so
gewählt ist, daß eine lineare Widerstand-Temperatur-
Abhängigkeit im Temperaturbereich von 0 bis 900 Grad Celsius
einstellbar ist.
6. Keramischer Widerstand nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Füllstoffgemisch 40 Vol.-% bezogen
auf das Gesamtvolumen beträgt und das MoSi₂ und das Si im
Verhältnis von 1 : 1 eingesetzt sind.
7. Keramischer Widerstand nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß dem MoSi₂ als weitere Komponente SiC
zugesetzt ist.
8. Keramischer Widerstand nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis von MoSi₂ : SiC
5 : 15 bis 15 : 25 Vol.-% bezogen auf das Gesamtvolumen beträgt.
9. Keramischer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Füllstoffe als keramische oder
metallische Pulver mit einer Korngröße von 0,01 bis 100 µm
eingesetzt werden.
10. Keramischer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die eingesetzten siliciumorganischen
Polymere Polysilane, Polycarbosilane, Polysilazane oder
Polysiloxane sind.
11. Verwendung des keramischen elektrischen Widerstands nach
den Ansprüchen 1 bis 10 als Heizleiter.
12. Verwendung des keramischen elektrischen Widerstands nach
den Ansprüchen 1 bis 10 als Heizleiter für Glühstiftkerzen.
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