DE19946298C2 - Elektrodeneinrichtung mit Elektrodenstab - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrodeneinrichtung mit einer Elektrode zur Übertragung oder Ableitung einer Elektrodenspan­ nung von einem Elektrodenstumpf, und mit einem Elektrodenstab, der mit dem Elektrodenstumpf verbunden ist, wobei sich der Elektrodenstab in Längsrichtung über einen Bereich, der ein Vielfaches der Breite des Elektrodenstabs beträgt, ungestützt vom Elektrodenstumpf aus erstreckt.

Moderne Industrieöfen weisen ein Brennerrohr auf, in dem eine Brennkammer gebildet ist, in die über geeignete Zuführungen Verbrennungsluft und Brennstoff zugeführt werden. Um eine zu­ verlässige Zündung des Brennstoff/Luft-Gemisches zu ermög­ lichen, ist ferner in der Regel eine separate Zündkammer vor­ gesehen, in die ein Elektrodenstab hineinreicht, der mit einer geeigneten Zündelektrode ausgerüstet ist und mit einer geeigne­ ten Zündspannung versorgt wird.

Eine derartiger Brenner mit einem Elektrodenstab, der an seinem vorderen, in die Zündkammer hineinreichenden Ende in einem Iso­ lierrohr geführt ist, und an seinem hinteren Ende mit einer Zündelektrode verbunden ist, ist beispielsweise aus der DE 41 38 434 C1 bekannt.

Derartige Elektrodenstäbe bestehen in der Regel aus Kanthaldraht, also aus einer speziellen Legierung, die für Hochtemperaturanwendungen geeignet ist. Durch das Isolierrohr wird der Elektrodenstab bei hohen Betriebstemperaturen an der gewünschten Stelle festgelegt und gegen Verbiegen und sonstige Beanspruchungen geschützt, insbesondere wenn der Kanthaldraht thermisch überbeansprucht wird und so an Festigkeit verliert.

Bei höheren Temperaturen treten in der Brennkammer am Kanthaldraht thermisch bedingte Verschleißerscheinungen (Ab­ brand und Verspröden von Material oder Verbiegungen) auf, so daß die Zünd- und insbesondere die Überwachungsfunktion des Elektrodenstabes nicht mehr gewährleistet werden kann.

Ein derartiger Elektrodenstab ist somit als Verschleißteil anzu­ sehen. Durch den so notwendigen häufigen Wechsel des Elektro­ denstabes besteht ein hoher Wartungsaufwand.

Es sind auch Elektrodenstäbe durch Benutzung bekannt geworden, bei denen versucht wurde, den Elektrodenstab aus einer mono­ lithischen Keramik herzustellen, nämlich aus schmelzinfiltrier­ ter SiSiC-Reramik. Hierbei wurde das zur Befestigung und Iso­ lierung benötigte Keramikrohr, das in der Regel aus Al₂O₃ be­ stand, auf den Elektrodenstab aufgeschoben und mit einem geeig­ neten Kleber befestigt. Zur Verbindung zwischen dem SiSiC-Stab und der zugehörigen Elektrode wurde ein metallischer Spannstift verwendet.

Der bekannte Elektrodenstab hat sich als außerordentlich spröde erwiesen, so daß bei mechanischer Belastung eine erhebliche Bruchgefahr besteht. Bereits bei der Montage des Spannstiftes, also bei der Verbindung des Elektrodenstabes mit der zugehöri­ gen Elektrode, bestand eine erhebliche Bruchgefahr. Demnach ist bei Verwendung des bekannten aus SiSiC-Keramik bestehenden Elektrodenstabes bei Transport, Montage und Demontage größte Sorgfalt erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Elektrodeneinrichtung mit einem hierfür geeigneten Elektrodenstab anzugeben, der eine hohe Lebensdauer und eine möglichst geringe Bruchanfälligkeit aufweist.

Die Erfindung wird durch eine Elektrodeneinrichtung mit einem Elektrodenstab gelöst, der aus einem mit hochwarmfesten Fasern verstärkten Verbundwerkstoff mit Siliziumcarbid-Matrix besteht.

Es hat sich gezeigt, daß ein derartiger Verbundwerkstoff über gute Festigkeitseigenschaften verfügt, eine hohe Oxidations- und Temperaturbeständigkeit besitzt und über eine hohe Tempera­ turwechselbeständigkeit verfügt. Des weiteren hat sich gezeigt, daß ein derartiger Verbundwerkstoff die notwendige elektrische Leitfähigkeit aufweist.

Für den zuvor beschriebenen Verwendungszweck hat sich der er­ findungsgemäße Verbundwerkstoff als derart ideal erwiesen, daß der Elektrodenstab an einem Brennerrohr nicht vorzeitig ausge­ tauscht werden muß, sondern eine derart hohe Standzeit auf­ weist, daß ein Austausch nur noch in Kombination mit dem gesam­ ten Brennerrohr in Sonderfällen erforderlich wird. Der erfin­ dungsgemäße Elektrodenstab stellt somit kein Verschleißteil mehr dar.

Bei Siliziumcarbid handelt es sich bekanntlich um einen Werk­ stoff mit Halbleitereigenschaften, der sich für den vorstehend beschriebenen Zweck als ausreichend elektrisch leitfähig erwie­ sen hat.

Zwar ist es aus der DE 25 49 931 A1 und der DE 23 61 274 A1 grundsätzlich bekannt, bei einer Zündkerzen-Elektrode die Mit­ telelektrode aus einem Faserverbundwerkstoff herzustellen, bei dem als Matrixmaterial Kupfer oder eine Kupferlegierung, Nickel oder eine Nickellegierung verwendet wird und als Faserwerkstoff ein Material auf Nickel-, Chrom- oder Kobaltbasis oder etwa Feinsilber. Hierdurch ist die Erfindung jedoch nicht nahege­ legt, da an Mittelelektroden von Zündkerzen-Elektroden gänzlich andere Anforderungen gestellt werden als an Elektrodenstäbe ge­ mäß der gegenwärtigen Erfindung, die sich über eine größere Länge frei tragend erstrecken müssen.

Auch durch die DE 44 31 143 A1, die eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine betrifft, und die grundsätzlich die Verwen­ dung von Siliziumcarbid als Material zur Herstellung eines Elektrodenkopfes offenbart, ist die Erfindung nicht nahegelegt, da wiederum an einen derartigen Elektrodenkopf gänzlich andere Anforderungen gestellt werden als an einen Elektrodenstab gemäß der gegenwärtigen Erfindung und darüber hinaus das Siliziumcar­ bid in dem betreffenden Elektrodenkopf nicht als Matrixmaterial für einen faserverstärkten Verbundwerkstoff verwendet wird.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung bestehen die Fa­ sern aus Siliziumcarbid oder Kohlenstoff.

Derartige Fasern weisen eine hohe Warmfestigkeit auf und sind zur Verbesserung der Festigkeit und Verringerung der Bruch­ anfälligkeit eines derartigen Verbundwerkstoffes besonders geeignet. Darüber hinaus weisen Siliziumcarbid-Fasern eine gute Oxidationsbeständigkeit auf. Sofern Kohlenstoff-Fasern verwen­ det werden, sollte dafür Sorge getragen werden, daß diese Fasern möglichst vollständig von der Siliziumcarbid-Matrix um­ schlossen sind, da Kohlenstoff-Fasern naturgemäß leicht oxi­ dierbar sind. Andererseits wird durch Kohlenstoff-Fasern die elektrische Leitfähigkeit zusätzlich verbessert.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die aus Si­ liziumcarbid bestehende Matrix kohlenstoffhaltige Zusätze, vor­ zugsweise Ruß und/oder Graphit auf.

Durch derartige Zusätze wird die elektrische Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffes erheblich verbessert. Ferner erleichtern derartige Zusätze die Herstellung des Verbundwerkstoffes bei Verwendung von Sinterverfahren, Drucksintern oder ähnlichen Verfahren, gegebenenfalls auch bei Verwendung von Granulierver­ fahren.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung sind die Fasern oberflächenbeschichtet.

Durch eine derartige Oberflächenbeschichtung, die beispiels­ weise aus pyrolytischem Kohlenstoff, Pech oder dergleichen be­ stehen kann, werden die Fasern bei der späteren Schmelzinfil­ tration bzw. Pyrolyse gegen Reaktionen geschützt, so daß die verbesserten, durch die Fasern bedingten Festigkeitseigenschaf­ ten weitgehend erhalten bleiben. Zusätzlich wird durch die be­ schichteten Fasern der Verbundwerkstoff bruchtolerant, da die beschichteten Fasern eine Rißausbreitung zumindest teilweise stoppen können.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung sind die Fasern in der Matrix gerichtet mit einer Vorzugsrichtung längs und quer zu dem Elektrodenstab angeordnet.

Durch einen derartigen Faserverlauf wird die Festigkeit des Elektrodenstabes besonders an die an einem stabförmigen Körper auftretenden Belastungen angepaßt.

Die zur Verstärkung verwendeten Fasern können erfindungsgemäß als Langfasern ausgebildet sein, die sich als Gewebe über die Gesamtlänge des Elektrodenstabes erstrecken, oder auch als Kurzfasern ausgebildet sein mit einer Länge in der Größenord­ nung von etwa 2 bis 10 mm und mittleren Durchmessern in der Größenordnung von etwa 2 bis 20 µm.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung sind die Fasern zu Faserbündeln (Rovings) zusammengefaßt.

Bei der Verwendung von Langfasern können diese als sogenannte Prepregs in Form einer Laminatstruktur verarbeitet werden, in der gegebenenfalls mehrere Schichten aus verwebten Fasern (Cross-Ply-Schichten) und/oder unidirektionalen Fasern (UD- Schichten) vorgesehen sind.

Durch die Verwendung derartiger Cross-Ply-Schichten und/oder UD-Schichten läßt sich dem Elektrodenstab eine gezielte Textur geben, um besonders gut an die mechanische Beanspruchung ange­ paßte Festigkeitseigenschaften zu erzielen.

Der hierzu verwendete Schichtenverbund, der zum Laminataufbau verwendet werden kann, kann bevorzugt als bereits zusammenhän­ gender, vorgefertigter Prepreg in eine Preßform eingebracht werden. Der Prepreg läßt sich unter Hitzeeinwirkung bei erhöh­ ter Temperatur (einige hundert Grad Celsius) gut ausformen (wie ein Kunststoff), da die organischen Binderbestandteile plasti­ fiziert werden und der gesamte Prepreg in die Form "hineinfließt".

An diese an sich bekannte Verfahrensroute schließt sich eine Carbonisierung der organischen Bestandteile durch Pyrolyse bei einer Temperatur in der Größenordnung von etwa 1000°C unter Luftabschluß an, um einen porösen Formkörper herzustellen, der anschließend in an sich bekannter Weise mit einer Silizium­ schmelze schmelzinfiltriert wird, um so einen faserverstärkten Formkörper mit Siliziumcarbid-Matrix herzustellen.

Bei einer bevorzugten Alternative wird eine Preform aus verweb­ ten Fasern hergestellt, das als Laminat aus einem Gewebe oder Gelege unter Zugabe eines Precursors und eines Lösungsmittels hergestellt wird. Nach einer Vorheizung auf ca. 200°C zum Aus­ treiben der organischen Bestandteile erfolgt eine gesteuerte Erhitzung auf 1000 bis 1100°C zur Austreibung der organischen Bestandteile und zur Erzeugung der SiC-Matrix aus dem Precursor bzw. Prepreg. Wegen der dabei auftretenden Blasen muß der Vor­ gang mehrfach wiederholt werden.

Bei einer weiteren Herstellungsvariante wird Siliziumcarbid-Pulver verwendet, in dem die Fasern als Kurzfasern statistisch geteilt sind, wobei diese Faserbündeln zusammengefaßt sein können, wo­ bei der Formkörper durch ein Sinterverfahren, vorzugsweise durch ein Drucksintern bei ausreichend hoher Temperatur (in der Größenordnung von etwa 1800 bis 1900°C) unter Luftabschluß hergestellt wird.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung weist der Elektro­ denstab zwei Endabschnitte und einen mittleren Abschnitt auf, wobei der mittlere Abschnitt einen rechteckförmigen, vorzugs­ weise einen quadratischen Querschnitt besitzt.

Bei einer derartigen Formgebung läßt sich eine Vielzahl von Elektrodenstäben auf kostengünstige Weise herstellen, indem diese aus plattenförmigem Material durch Sägen abgetrennt wer­ den.

In bevorzugter Weiterbildung dieser Ausführung weisen die bei­ den Endabschnitte einen kreisförmigen Querschnitt auf.

Auf diese Weise wird die Verbindung mit einer Elektrode, z. B. einer Zündelektrode, am einen Ende und die Verwendung einer Führungshülse aus Keramik am anderen Ende erleichtert.

Die Oberfläche der Elektroden wird vorzugsweise geschliffen, wobei die kreisförmigen Querschnitte an den Endabschnitten gleichfalls durch Schleifen erzeugt werden können.

Der Elektrodenstab kann beispielsweise in Verbindung mit einer Zündelektrode, einer Zünd- und Überwachungselektrode, einer Überwachungselektrode oder einer Masseelektrode verwendet wer­ den.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist der Elektroden­ stab an einem seiner beiden Endabschnitte mittels eines Spann­ stiftes mit dem Elektrodenstumpf verbunden.

Auf diese Weise wird eine einfach herstellbare und dauerhafte Verbindung des Elektrodenstabes mit dem Elektrodenstumpf der Elektrode ermöglicht.

Bei dem Spannstift handelt es sich um eine vorzugsweise aus Me­ tall, z. B. aus Federstahl, bestehende Hülse, die beispielsweise längsgeschlitzt sein kann.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung ist auf einem zweiten der Endabschnitte des Elektrodenstabes ein keramisches Isolierrohr vorgesehen, das auf einer dem Mittelabschnitt abge­ wandten Seite mittels einer Verklebung oder einer angesinterten Nase am Endabschnitt fixiert ist.

Auf diese Weise wird die Führung des Elektrodenstabes im Be­ reich einer Zündkammer eines Brennerrohres ermöglicht und eine genaue Positionierung im Bereich des Endabschnittes gewährlei­ stet.

In alternativer Weise kann ein zweiter der Endabschnitte des Elektrodenstabes in ein extern befestigtes, keramisches Iso­ lierrohr einschiebbar sein.

Diese Ausführung hat den Vorteil, daß am Elektrodenstab selbst keinerlei Manipulationen erforderlich sind, so daß die Führung in Radialrichtung ausschließlich durch das keramische Isolier­ rohr gewährleistet ist, in das der Endabschnitt hineingeschoben ist. Die Axialposition des Elektrodenstabes ist bei dieser Aus­ führung durch die Verbindung mit dem Elektrodenstumpf über den Spannstift gewährleistet.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung ist über den Spannstift ein Wärmeschrumpfschlauch aufgeschrumpft.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die mechanische und elek­ trische Verbindung zwischen dem Elektrodenstumpf der Elektrode und dem Elektrodenstab dauerhaft fixiert und gegen Umweltein­ flüsse geschützt wird, und daß eine elektrische Isolation in diesem Bereich sichergestellt wird. Da in diesem Bereich die Temperaturbelastung nur noch relativ gering ist, kann ein der­ artiger Wärmeschrumpfschlauch ohne weiteres beim Einsatz einer solchen Elektrodeneinrichtung in einem Industriebrenner verwen­ det werden.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Brennerrohr mit Gaslan­ zette zur Zuführung von Brennstoff im Bereich einer Zündkammer, in die ein erfindungsgemäßer Zündstab hineinragt;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Elektrodeneinrichtung, die ei­ ne Elektrode zur Übertragung oder Ableitung einer Elektrodenspannung von einem Elektrodenstumpf auf­ weist, und die mit einem Elektrodenstab an dessen einem Ende verbunden ist, der an seinem anderen Ende mit einer Isolierhülse versehen ist;

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Matrixwerk­ stoff, aus dem der Elektrodenstab besteht, in sche­ matischer, vereinfachter Darstellung;

Fig. 4 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 3, jedoch mit ei­ nem anders aufgebauten Siliziumcarbid-Verbund­ werkstoff und

Fig. 5 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 3, jedoch mit ei­ nem weiter abgewandelten Aufbau des Siliziumcarbid- Verbundwerkstoffes.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einem keramischen Brennerrohr 10 in längs geschnittener Darstellung gezeigt, das Teil eines Industriebrenners für eine Ofenfeuerung ist.

Im Brennerrohr 10 ist an einer Gaslanze 14 eine Platte 26 ge­ halten, in der zentrale Ausströmöffnungen 28 vorgesehen sind, über die über die Gaslanze 14 zugeführter Brennstoff in Richtung der Pfeile 22 in eine Brennkammer 12 austreten kann, die am vorderen Ende des Brennerrohrs 10 gebildet ist und nach hin­ ten durch die Platte 26 abgetrennt ist. An einer Seite der Platte 26 ist ferner eine Zündkammer 24 ausgebildet, in die aus der Gaslanze 14 zugeführter Brennstoff in Richtung des Pfeiles 20 austreten kann. Die Zündkammer 24 ist von einem erfindungs­ gemäßen Elektrodenstab 32 durchsetzt, der in einem keramischen Isolierrohr 34 an der Platte 26 geführt ist und mit seinem Ende bis in die Brennkammer 12 hineinreicht.

Durch axiale Öffnungen 27 in der Platte 26 wird ferner Verbren­ nungsluft in Richtung des Pfeiles 18 in die Brennkammer 12 zu­ geführt.

Der Elektrodenstab 32 ist Teil einer insgesamt mit der Ziffer 30 bezeichneten Elektrodeneinrichtung, die in ihrer Gesamtheit in Fig. 2 dargestellt ist. Hierbei ist zu beachten, daß die in Fig. 2 dargestellt Elektrodeneinrichtung nicht maßstäblich mit der Elektrodeneinrichtung 30 gemäß Fig. 1 übereinstimmen muß.

Die Elektrodeneinrichtung 30 weist eine Elektrode 44 zur Über­ tragung oder Ableitung einer Elektrodenspannung von einem zy­ lindrisch ausgebildeten Elektrodenstumpf 46 auf, der mit dem Elektrodenstab 32 mechanisch und elektrisch leitend verbunden ist. Bei der Elektrode 44 kann es sich beispielsweise um eine Zündelektrode handeln.

Der Elektrodenstab 32 weist einen mittleren Abschnitt 36 auf, der einen quadratischen Querschnitt besitzt, sowie einen ersten Endabschnitt 38 auf der Seite der Elektrode 44 und einen zweiten Endabschnitt 40 auf der Seite der Zündkammer 24. Beide End­ abschnitte 38, 40 sind zylinderförmig ausgebildet.

An seinem ersten, der Elektrode 44 zugewandten Endabschnitt 38 ist dieser durch einen aufgeklemmten Spannstift aus Federstahl am Elektrodenstumpf 46 der Elektrode 44 befestigt. Der Spann­ stift 46, der als Hülse ausgebildet sein kann, die gegebenen­ falls längsgeschlitzt ist, ist zusätzlich durch einen aufge­ schrumpfen Schrumpfschlauch 50 fixiert und isoliert. Durch die­ sen Schrumpfschlauch 50 wird die mechanische und elektrische Verbindung zwischen dem Elektrodenstumpf 46 und dem ersten Endabschnitt 38 dauerhaft gegen Umwelteinflüsse geschützt und gegen ein Lockern gesichert und elektronisch isoliert.

Am gegenüberliegenden zweiten Endabschnitt 40 ist das Isolier­ rohr 34 aufgesteckt, das am mittleren Abschnitt 36 anliegt und an seinem gegenüberliegenden Ende durch eine Verklebung 42 mit einem geeigneten Kleber oder durch eine angarnierte Nase aus faserverstärktem SiC-Matrixwerkstoff festgelegt ist.

Bei einer alternativen Ausführung der Elektrodeneinrichtung 30 wird auf die Befestigung des Isolierrohrs 34 am Endabschnitt 40 verzichtet, so daß der Elektrodenstab 32 mit seinem End­ abschnitt 40 einfach in das Isolierrohr 34 hineingeschoben wer­ den kann und darin lediglich in Radialrichtung gehalten ist. In diesem Fall ist das Isolierrohr 34 an der Platte 26 befestigt oder auf eine andere Weise extern festgelegt.

Die erfindungsgemäße Elektrodeneinrichtung 30 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß sie einen Elektrodenstab 32 aus einem mit hochwarmfesten Fasern verstärkten Verbundwerkstoff mit Siliziumcarbid-Matrix besitzt, wie im folgenden näher er­ läutert wird.

Der Verbundwerkstoff, aus dem der Elektrodenstab 32 besteht, weist eine Matrix aus Siliziumcarbid auf, in der gegebenenfalls Zusätze, vorzugsweise SiC-Pulver, Ruß und/oder Graphit, enthal­ ten sind, und die gegebenenfalls Füllstoffe enthalten kann.

Um die notwendigen mechanischen Eigenschaften bei den erhöhten Temperaturen in der Brennkammer zu gewährleisten und um gleich­ zeitig eine ausreichende Elastizität des Werkstoffes sicherzu­ stellen, ist die Matrix mit hochwarmfesten Fasern verstärkt.

Bei diesen Fasern handelt es sich vorzugsweise um Fasern aus Siliziumcarbid (SiC). Gegebenenfalls können hierzu auch Kohlen­ stoff-Fasern (C-Fasern) oder andere Fasern, die B, N, C, Si enthalten, verwendet werden.

Der Faseranteil an der Siliziumcarbid-Matrix kann in einem Be­ reich von etwa 5 bis 70 Vol.-% liegen und liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 20 bis 40 Vol.-%. Die Fasern können als Kurzfasern 58 ausgebildet sein, die in der Siliziumcarbid- Matrix 52 gemäß Fig. 5 mit einer Vorzugsrichtung in Richtung der Längserstreckung des Elektrodenstabes 32 angeordnet sein können.

Daneben können die Fasern auch statistisch verteilt in der Ma­ trix 52 angeordnet sein und gegebenenfalls zu Kurzfaserbündeln zusammengefaßt sein, wie dies schematisch mit der Ziffer 56 in Fig. 4 angedeutet ist.

Bei einer weiteren Ausführung, die schematisch in Fig. 3 darge­ stellt ist, sind die Fasern 54 als Langfasern ausgebildet, die sich beispielsweise in Längsrichtung des Elektrodenstabes 32 erstrecken können wie in Fig. 3 angedeutet ist.

Darüber hinaus können die Fasern auch in Form einer Gewebe­ struktur aus verwebten Fasern (Cross-Ply-Schichten) oder aus unidirektionalen Fasern (UD-Schichten) ausgebildet sein, wobei mehrere Lagen verschiedener Strukturen gegebenenfalls in Form einer Laminatstruktur zusammengefaßt sein können.

Um eine große Anzahl von Elektroden auf kostengünstige Weise herstellen zu können, wird vorzugsweise plattenförmiges Materi­ al aus dem Verbundwerkstoff hergestellt, aus dem einzelne Elek­ troden durch Sägen abgetrennt werden. Die Oberflächen der Elek­ troden werden zweckmäßigerweise anschließend geschliffen, wobei die zylindrischen Endabschnitte 38, 40 gleichfalls durch Schleifen erzeugt werden.

Der Verbundwerkstoff aus einer Siliziumcarbid-Matrix mit einge­ betteten hochwarmfesten Fasern, die vorzugsweise aus Silizium­ carbid oder Kohlenstoff bestehen, kann grundsätzlich auf zwei unterschiedliche Weisen hergestellt werden. Eine erste Möglich­ keit besteht in der Mischung aus Siliziumcarbid-Pulver, dem zweckmäßigerweise Binder und gegebenenfalls weitere Zusätze, wie etwa Ruß und/oder Graphit und gegebenenfalls Füllmaterial zugesetzt werden, und in dem die einzubettenden Fasern stati­ stisch verteilt eingebettet werden.

Um eine homogene Mischung zu erzeugen, kann auch ein bekanntes Granulierverfahren verwendet werden. Aus dem so hergestellten Grünling werden zunächst bei erhöhter Temperatur von einigen 100°C die organischen Bestandteile ausgetrieben und anschlie­ ßend unter Luftabschluß in einem Temperaturbereich von etwa 1800 bis 1900°C ein Sintervorgang durchgeführt, um den ge­ wünschten Formkörper zu erzeugen. Vorzugsweise kann dies durch einen Drucksinterprozeß erreicht werden, um einen hochdichten Formkörper zu erreichen.

Eine Alternative zur Herstellung des Verbundwerkstoffes besteht über die an sich bekannte Siliziertechnik durch Schmelzinfil­ tration mit einer Siliziumschmelze, wobei zunächst eine Mi­ schung aus den Fasern und einem kohlenstoffhaltigen Material (Precursor) unter Zusatz von Bindemitteln und Füllmitteln her­ gestellt wird, diese Mischung anschließend zu einem Grünling in einem Preßwerkzeug gepreßt wird, der Grünling anschließend un­ ter Luftabschluß zur Herstellung eines porösen Formkörpers bei etwa 800 bis 1000°C pyrolisiert wird und dieser anschließend mit einer Siliziumschmelze schmelzinfiltriert wird.

Auf diese Weise kann ein Formkörper mit einer Siliziumcarbid- Matrix hergestellt werden, in dem die Fasern aus Siliziumcarbid oder aus Kohlenstoff reaktionsgebunden eingebettet sind.

Bei dieser Herstellungsvariante werden die Fasern vorzugsweise zuvor mit einer Oberflächenbeschichtung versehen, um eine Reak­ tion mit der Siliziumschmelze zu vermeiden. Soweit Kurzfasern verarbeitet werden, werden diese vorzugsweise zu Faserstoff­ bündeln zusammengefaßt, die durch eine Imprägnierung zusammen­ gehalten werden.

Bei einer weiteren Herstellungsvariante wird zunächst ein Pre­ preg aus hochwarmfesten Fasern hergestellt, die mit kohlen­ stoffhaltigen Bindemitteln unter Zusatz von Füllmitteln zu ei­ nem unter Hitzeeinwirkung formbaren Schichtverband verbunden sind. Anschließend wird das Prepreg in ein Preßwerkzeug einge­ bracht und unter Hitzeeinwirkung bei Temperaturen von einigen 100°C gepreßt. Der so hergestellt Formkörper wird anschließend unter Luftabschluß zu einem C/C-Material pyrolisiert und sodann mit einer Siliziumschmelze unter Luftabschluß bei Temperaturen von ca. 1500 bis 1600°C schmelzinfiltriert.

Bei einer weiteren Variante werden die Fasern, die als Faser­ bündel (Rovings) vorliegen, mit einer Schicht z. B. aus C, SiC oder anderen kohlenstoffhaltigen Materialien beschichtet. Die Fasern haben einen Durchmesser von < 10 µm und sind in Rovings von 1000 oder mehr Filamenten zusammengefaßt. Diese Bündel wer­ den als Ganzes durch einen CVD-Prozeß beschichtet. Die be­ schichteten Fasern werden als Gelege (dabei kann die Richtung übereinanderliegender Fasern beliebig sein), Gewebe oder in ge­ wickelter Form eingesetzt. Die zur Herstellung verwendeten Ge­ webe mit Langfasern 54 gemäß Fig. 3 werden in Stücke geschnit­ ten und mit einem Schlicker, bestehend aus Carbosilan (Pre­ cursor für die SiC-Matrix), Lösungsmittel (Xylol) und SiC- Pulver getränkt. Die getränkten Gewebe werden laminatartig übereinander gelegt und unter Druck bei ca. 200°C in einen Pre­ preg (bzw. Preform) umgewandelt. Bei diesem Prozeß wird das Lö­ sungsmittel ausgetrieben und das Carbosilan in Polycarbosilan umgewandelt. Der stabile Körper wird anschließend auf 1100°C aufgeheizt und ausreichend lange gehalten, bis sich das Poly­ carbosilan zu SiC zersetzt hat (Pyrolyse). Die dabei entstehen­ den gasförmigen Zersetzungsprodukte erzeugen Poren im Werkstoff. Aus diesem Grunde wird der Vorgang des Tränkens und an­ schließenden Aufheizens mehrfach wiederholt, bis ein aus­ reichend dichter Körper erzielt ist. Die erhaltene Platte aus Faserkeramik wird anschließend durch Sägen und Schleifen wei­ terverarbeitet, um die gewünschten Elektrodenstäbe zu erhalten.

Sofern Kohlenstoff-Fasern oder andere leicht oxidierbare Fasern verwendet werden, ist es sinnvoll, die Elektrodenstäbe nach dem Schneid- und gegebenenfalls Schleifvorgang nochmals mit einem oxidationsbeständigen Material, z. B. mit SiC, zu beschichten, z. B. durch ein CVD-Verfahren.

Claims (16)

1. Elektrodeneinrichtung mit einer Elektrode (44) zur Über­ tragung oder Ableitung einer Elektrodenspannung von einem Elektrodenstumpf (46), und mit einem Elektrodenstab (32), der mit dem Elektrodenstumpf (46) verbunden ist, wobei sich der Elektrodenstab (32) in Längsrichtung über einen Bereich, der ein Vielfaches der Breite des Elektrodenstabs (32) beträgt, ungestützt vom Elektrodenstumpf (46) aus er­ streckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenstab (32) aus einem mit hochwarmfesten Fasern (54, 58) ver­ stärkten Verbundwerkstoff mit Siliziumcarbid-Matrix (52) besteht.

2. Elektrodeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern (54, 58) aus Siliziumcarbid oder Kohlenstoff bestehen.

3. Elektrodeneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Matrix (52) aus Siliziumcarbid Zu­ schlagstoffe, vorzugsweise Ruß und/oder Graphit und/oder SiC-Pulver aufweist.

4. Elektrodeneinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (54, 58) oberflächenbeschichtet sind.

5. Elektrodeneinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (54, 58) in der Matrix (52) gerichtet mit einer Vorzugsrichtung längs und quer zu dem Elektrodenstab (32) angeordnet sind.

6. Elektrodeneinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern (54) als Langfasern ausgebildet sind.

7. Elektrodeneinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (58) als Kurzfasern ausgebildet sind.

8. Elektrodeneinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern zu Faser­ bündeln (56) zusammengefaßt sind.

9. Elektrodeneinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenstab (32) zwei Endabschnitte (38, 40) und einen mittleren Ab­ schnitt (36) aufweist, und daß der mittlere Abschnitt (36) einen rechteckförmigen, vorzugsweise einen quadratischen Querschnitt aufweist.

10. Elektrodeneinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Endabschnitte (38, 40) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

11. Elektrodeneinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenstab an seiner Oberfläche eine oxidationsbeständige Beschichtung aufweist.

12. Elektrodeneinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenstab (32) an einem ersten (38) seiner beiden Endabschnitte (38, 40) mittels eines Spannstiftes (46) mit dem Elektroden­ stumpf (46) verbunden ist.

13. Elektrodeneinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spannstift (48) von einem aufgeschrumpf­ ten Schlauch (50) umschlossen ist.

14. Elektrodeneinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem zweiten (40) der Endabschnitte (38, 40) ein keramisches Isolier­ rohr (34) vorgesehen ist, das auf einer dem Mittelab­ schnitt (36) abgewandten Seite mittels einer Verklebung (42) oder einer angesinterten Nase am Endabschnitt (40) fixiert ist.

15. Elektrodeneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter (40) der End­ abschnitte (38, 40) in ein extern befestigtes, keramisches Isolierrohr (34) einschiebbar ist.

16. Elektrodenstab für eine Elektrodeneinrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.