DE19821239C2 - Verbundwerkstoff zur Ableitung von Überspannungsimpulsen und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff zur Ableitung von Überspannungsimpulsen mit einem keramischen Füllstoff und einer den Füllstoff einbettenden Matrix, wobei der Verbund­ werkstoff seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von einer anliegenden Spannung in nichtlinearer Weise ändert.

Aus der Druckschrift WO 97/26693 A1 ist ein Verbundwerkstoff bekannt, bei dem eine Polymermatrix mit Zinkoxidpulver gefüllt ist. Die Polymermatrix kann dabei aus thermoplastischen Elastomeren oder auch aus Epoxydharzen bestehen.

Ein derartiger Verbundwerkstoff ist auch aus der EP 0 649 150 Al bekannt. Dort ist ein elektrisch leitender Füllstoff in eine polymere Matrix eingebettet. Dieser Werkstoff wirkt als Überstromschutz, wobei die Matrix eine aktive Rolle in der Funktion übernimmt. Wenn der Verbundwerkstoff durch starken Stromfluß erwärmt wird, dehnt sich die Matrix aus, so daß die Verbindungen zwischen den Füllstoffpartikeln gelöst und der Stromfluß unterbrochen wird.

Bei einem Verbundwerkstoff zur Ableitung von Überspannungs­ impulsen (ESD-Impulsen) ist eine derartige aktive Funktion der Matrix unerwünscht, da der Überspannungsschutz parallel zur geschützten Schaltung liegt und den gesamten Störimpuls ableiten muß, ohne dabei seinen Widerstand durch die Ausdeh­ nung seiner Matrix zu erhöhen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Verbundwerk­ stoff der eingangs genannten Art anzugeben, der die geforder­ ten Anforderungen erfüllt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie ausschließlich durch den Füllstoff bestimmt wird und daß die Matrix aus Polybutylenterephthalat besteht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Als ESD-Schutz werden bisher hauptsächlich keramische Bauele­ mente, Varistoren, eingesetzt, wobei es sich um bedrahtete Scheibenvaristoren oder um oberflächenmontierbare SMD-Baufor­ men handelt. Aufgrund ihrer niedrigeren Ansprechzeit werden bevorzugt SMD-Varistoren in Vielschichttechnologie einge­ setzt. Die Schwierigkeit derartiger Lösungen besteht darin, daß diskrete Bauteile immer Platz auf Platinen verbrauchen. Mit dem neuen Verbundwerkstoff ergibt sich der Vorteil, daß der erforderliche ESD-Schutz zum Beispiel in Steckverbindun­ gen oder Gehäuseteile integriert werden kann.

Dieser Verbundwerkstoff ist relativ einfach herstellbar und kann durch geeignete Auswahl von Matrix und Füllstoff an ein gegebenes Anforderungsprofil angepaßt werden. Er zeichnet sich dadurch aus, daß er seinen Widerstand bzw. seine elek­ trische Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der anliegenden elektrischen Spannung ändert. Sein Widerstand sinkt mit stei­ gender Spannung, weshalb der Verbundwerkstoff zur Ableitung von Überspannungsimpulsen geeignet ist.

Weiterhin kann der Verbundwerkstoff auf Kunststoffverarbei­ tungsmaschinen in nahezu beliebige Form gebracht werden.

Als Matrix wird ein polymerer oder glasartiger Werkstoff ein­ gesetzt, wobei es sich bei Polymeren um Thermoplaste, Duro­ plaste, Elastomere oder Kombinationen daraus handeln kann.

Die Matrix muß sich im gegebenen Anwendungsfall passiv ver­ halten, so daß dieser Aspekt bei der Werkstoffauswahl zu berücksichtigen ist.

Als Füllstoff kommt ein keramischer Werkstoff zum Einsatz, der seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der anliegenden elektrischen Spannung ändert. Er hat eine körnige Gefügestruktur mit Teilchengrößen von typischerweise bis zu 200 µm, wobei die Partikel eine volle oder hohle Struktur aufweisen können. Bevorzugt wird eine dotierte ZnO-Keramik als Füllstoff eingesetzt.

Derartige dotierte Zinkoxidkeramiken sind aus der Varistor­ herstellung bekannt, wobei als Dotierelemente beispielsweise Bi bzw. Sb dienen.

Ausführungsbeispiele

Wie es aus der Varistorherstellung bekannt ist, wird eine Suspension aus Zinkoxid und Dotierstoff durch Sprühtrocknen zu einem Granulat verarbeitet und gesintert. Anschließend er­ folgt eine Siebung zur Auftrennung in verschiedene Korngrö­ ßenbereiche. Die Partikel sind dabei hohlkugel- oder vollku­ gelförmig ausgebildet und bestehen aus mehreren elektrisch leitfähigen Zinkoxidkörnern mit elektrisch isolierenden Korn­ grenzen. Diese Korngrenzen bestimmen das nichtlineare Verhal­ ten beim Anlegen einer elektrischen Spannung, indem sie bei einer Spannung von ca. 3 V vom isolierenden in den leitenden Zustand übergehen.

Ein derartiger Füllstoff kann auch durch Zerkleinerung und Mahlung von verpreßter und gesinterter Varistorkeramik herge­ stellt werden.

Als Matrixmaterial kommt ein thermoplastisches Polybutylen­ terephthalat (PBT) zum Einsatz.

Die Füllstoffeinmischung wurde auf einem Doppelschneckencom­ pounder durchgeführt. Dieser Compounder mit zwei gleichlau­ fenden, parallel liegenden Förderschnecken ermöglicht einen kontinuierlichen Mischprozeß. Durch seine modulare Bauweise kann die Schneckengeometrie (Länge, Scherteile, usw.) an das verwendete Material angepaßt werden.

Mit einer Lochplatte als Werkzeug können Stränge aus dem Com­ pounder extrudiert werden. Eine geeignete Schneidvorrichtung ermöglicht die Verarbeitung zu einem Granulat, das seinerseits auf beliebigen Kunststoffverarbeitungsmaschinen (zum Beispiel Spritzgußmaschinen) in nahezu jede beliebige Form gebracht werden kann.

Als weitere Variante wurde eine direkte Weiterverarbeitung nach dem Compounder durchgeführt. Dazu wurde eine Breit­ schlitzdüse als Werkzeug verwendet und das extrudierte Band über einen Glättkalander mit wassergekühlten Walzen abgezo­ gen. Mit diesem Verfahren können die Compoundierung und die Weiterverarbeitung zu flexiblen Bändern mit einer Dicke von einigen Zehntelmillimetern in einem kontinuierlichen Prozeß­ schritt durchgeführt werden.

Mit dem beschriebenen Verfahren wurden Versuchsteile mit 50 bis 70 Vol% keramischem Füllstoff hergestellt. Der Füllgrad muß so hoch sein, daß für den Stromfluß durch den Verbund­ werkstoff genügend durchgehende, von Pulverpartikeln gebil­ dete Pfade vorhanden sind.

Weiterhin ist es auch möglich, die Compoundierung in einem diskontinuierlich arbeitenden Mischwerk durchzuführen, wobei ein einfacher Weg zur Probekörperherstellung das Heißpressen wäre.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, ZnO-Partikel mit Gläsern im pulverförmigen Zustand zu vermischen bzw. in eine Glas­ schmelze einzumischen.

In der Figur sind die Strom-Spannungs-Kennlinen von Verbund­ werkstoffen aus polymerer Matrix mit dotierter ZnO-Keramik als Füllstoff dargestellt. Die Lage der Kennlinie wird durch die Füllstoffzusammensetzung, die Füllstoffstruktur und den Füllgrad beeinflußt. Die vorliegenden Kennlinien wurden an Proben mit einem Keramikanteil von 70 Vol% gemessen.

In der folgenden Tabelle sind die verschiedenen Parameter für die dargestellten Kennlinien angeführt:

Die Probennummer 2 wurde direkt aus dem Compounder ohne Ab­ zugsvorrichtung extrudiert.

Claims (8)

1. Verbundwerkstoff zur Ableitung von Überspannungsimpulsen mit einem keramischen Füllstoff und einer den Füllstoff ein­ bettenden Matrix, wobei der Verbundwerkstoff seinen elektri­ schen Widerstand in Abhängigkeit von einer anliegenden Span­ nung in nichtlinearer Weise ändert, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie ausschließlich durch den Füllstoff bestimmt wird und daß die Matrix aus Polybutylenterephthalat besteht.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff hohlkugel- und/oder vollkugelförmig ausge­ bildet ist.

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Füllstoffanteil 50 bis 95 Vol% beträgt.

4. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der Füllstoffpartikel < 200 µm beträgt.

5. Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffes nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Füllstoff durch Sprühtrocknen einer Suspension oder Lösung und Sintern der sprühgetrockneten Teilchen hergestellt wird und die Füllstoffeinmischung in die Matrix auf kontinuierlich arbeitenden Compoundern, insbesondere Doppelschneckencompoundern, erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff nach dem Compoundieren mit einer ge­ eigneten Schneidvorrichtung in die Form eines Granulats ge­ bracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff auf Kunststoffverarbeitungsmaschi­ nen, insbesondere Spritzgußmaschinen, in beliebige Form ge­ bracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff mit Hilfe eines geeigneten Düsen­ werkzeugs direkt aus dem kontinuierlich arbeitenden Compoun­ der extrudiert und mittels einer geeigneten Abzugsvorrich­ tung, insbesondere eines Kalanders, zu flexiblen Bändern ver­ arbeitet wird.