DE202014101837U1

DE202014101837U1 - Glaskeramikkondensator mit Kunststoffverkapselung

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Publication number: DE202014101837U1
Application number: DE201420101837
Authority: DE
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2014-05-13
Anticipated expiration: 2024-04-18

Abstract

Kondensator, insbesondere geeignet für Hochspannungsanwendungen, umfassend zumindest – einen Glaskeramikformkörper als Dielektrikum, – zwei Metallelektroden, wobei die Metallelektroden in Form einer metallhaltigen Beschichtung auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Glaskeramikformkörpers aufgebracht sind und – eine Ummantelung aus Kunststoff, wobei die Ummantelung die mit den Metallelektroden beschichtete Glaskeramik umschließt, wobei insbesondere die unbeschichteten Seitenflächen der Glaskeramik einen vollflächigen Verbund mit dem Kunststoff aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Kondensatoren mit einer Glaskeramik als Dielektrikum. Im Speziellen betrifft die Erfindung einen Kondensator mit einer Glaskeramik als Dielektrikum und einer Kunststoffverkapselung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Gebiet der Erfindung
Aus dem Stand der Technik sind Kondensatoren bekannt, die als Dielektrikum eine Keramik aufweisen. Hierbei wird beispielsweise eine platten- oder scheibenförmig ausgebildete Keramik auf der Ober- und Unterseite mit einer metallischen Beschichtung versehen, welche als Elektroden dient.
Um Überschläge zwischen den beiden Elektroden zu vermeiden, ist die derart beschichtete Keramik bzw. der Kondensator in einem elektrisch isolierenden Material derart eingebettet, dass das elektrisch isolierende Material eine Verkapselung des Kondensators bildet.
Es sind aus dem Stand der Technik beispielsweise Kondensatoren bekannt, die in Öl eingebettet sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Kondensator mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff zu ummanteln. Kondensatoren mit einer derartigen Kunststoffverkapselung, d.h. Kunststoffummantelung können im Gegensatz zu Kondensatoren, die in Öl eingebettet sind, kompakter gebaut und somit leichter als elektronische Bauteile in verschiedenen Schaltungen eingesetzt werden.
Der Abstand zwischen den Elektroden und somit die Dicke des Dielektrikums ist abhängig von der Durchschlagsfestigkeit des jeweiligen Dielektrikums. Die erforderliche Mindestdicke eines keramischen Dielektrikums führt dabei insbesondere bei der Verwendung der Kondensatoren im Hochspannungsbereich dazu, dass keramische Kondensatoren relativ dick und die Elektroden dementsprechend weit voneinander beabstandet sind.
Gleichzeitig besteht jedoch Bedarf an möglichst kompakten elektronischen Bauteilen. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung eines Dielektrikums mit einer höheren Durchschlagsfestigkeit ermöglicht werden. So kann die erforderliche Mindestdicke des Dielektrikums und somit die Größe des Kondensators erheblich verringert werden. Da mit der Verringerung der Dicke des Dielektrikums auch der Abstand zwischen den beiden Elektroden abnimmt, muss die Verkapselung eine entsprechend höhere Kriechstromfestigkeit aufweisen als bei einem konventionellen, keramischen Kondensator.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Kondensator bereit zu stellen, der neben einem Dielektrikum mit hoher Durchschlagsfähigkeit eine Verkapselung mit hoher Kriechstromfestigkeit aufweist und somit ein gegenüber dem Stand der Technik kompakterer Aufbau des Kondensators ermöglicht wird. Insbesondere ist ein entsprechender Kondensator auch für die Verwendung im Hochspannungsbereich geeignet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines entsprechenden Kondensators.
Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Kondensator mit einem Glaskeramikformkörper als Dielektrikum. Die Glaskeramik ist bevorzugt platten- oder scheibenförmig ausgebildet, d.h. die Dicke der Glaskeramik ist klein in Relation zur Länge und Breite bzw. zum Radius. Auf der Ober- und Unterseite bzw. den gegenüberliegenden Oberflächen der Glaskeramik befindet sich jeweils eine Metallelektrode in Form einer metallhaltigen Beschichtung. Bevorzugt handelt es sich um eine silberhaltige Beschichtung. Alternativ oder zusätzlich kann die metallhaltige Beschichtung weitere Metalle wie Kupfer oder Aluminium enthalten. Die Elektroden weisen zudem eine Ab- bzw. Zuleitung für einen elektronischen Kontakt auf. Die Seitenflächen der Glaskeramik weisen keine Metallbeschichtung auf.
Die Glaskeramik zeigt dabei eine wesentlich höhere Durchschlagsfestigkeit, so dass Dielektrika mit geringen Dicken, beispielsweise relativ dünne Glaskeramikscheiben bzw. -platten werden können. Bevorzugt handelt es sich bei der eingesetzten Glaskeramik um eine Bariumtitanat oder eine bariumtitanathaltige Glaskeramik, beispielsweise eine Glaskeramik mit Bariumstronstiumtitanatphasen und/oder Bariumaluminiumtitanatphasen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Glaskeramik um eine strontiumtitanathaltige Glaskeramik. Auch die Verwendung einer Bariumzirkonat- oder Bariumaluminiumzirkonatglaskeramik ist möglich.
Die metallisierte Glaskeramik, d.h. Glaskeramik und Elektroden, wird von einer Kunststoffummantelung umschlossen. Die Kunststoffummantelung ist dabei in Form einer Beschichtung aufgebracht und verkapselt Dielektrikum und Elektroden,
Der erfindungsgemäße Kondensator ist insbesondere für die Verwendung im Hochspannungsbereich geeignet. Entsprechende Ausführungsformen weisen bevorzugt eine Dicke des Dielektrikums, d.h. der Glaskeramik im Bereich von 0,1 mm bis 20 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,15 bis 10 mm auf.
Diese geringen Dicken werden erst durch die hohe Durchschlagsfestigkeit der Glaskeramik ermöglicht. Die geringe Dicke und damit der geringe Abstand der beiden Metallelektroden zueinander führt jedoch dazu, dass der Kriechweg verringert wird. Zudem ist die Oberfläche der Glaskeramik glatter als beispielsweise die Oberfläche einer herkömmlichen Keramik, was ebenfalls den Kriechweg verkürzt.
Entsprechend werden an die Ummantelung des erfindungsgemäßen Kondensators in Bezug auf deren Kriechstromfestigkeit höhere Anforderungen gestellt, als an einen konventionellen Kondensator, d.h. einem Kondensator mit einem keramischen Dielektrikum.
Insbesondere ist hierbei eine gute Benetzung der Glaskeramikoberfläche durch den Kunststoff der Ummantelung entscheidend. Daher bilden insbesondere die Seitenflächen der Glaskeramik und die Kunststoffummantelung einen vollflächigen Verbund, wobei die Kunststoffummantelung vorzugsweise an der Glaskeramik oder einer Zwischenschicht auf der Glaskeramik anhaftet. Des Weiteren hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Ummantelung die Glaskeramik sowie die darauf aufgebrachten Metallelektroden fest und schlüssig umhüllt, so dass zwischen der Ummantelung und den oben genannten Kondensatorbauteilen möglichst keine Gas- oder Feuchtigkeitseinschlüsse, welche den Kriechweg verkürzen können, vorhanden sind. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei bei der Ummantelung der Kondensatorbauteile die Verwendung eines Kunststoffes bzw. einer entsprechenden Vorstufe herausgestellt, bei dem durch Aushärten des Polymers und/oder durch Vernetzung ein Polymerisationsschrumpf auftritt. Während bei den meisten Anwendungen ein solcher Polymerisationsschrumpf gerade vermieden werden soll, werden in einer Ausführungsform der Erfindung die Komponenten der Ummantelung so gewählt, dass ein Polymerisationsschrumpf eintritt. Bevorzugt liegt der Polymerisationsschrumpf im Bereich von 0,6 bis 10 %. Durch den Polymerisationsschrumpf zieht sich die Ummantelung zusammen, was einen Verbund zwischen Ummantelung und Glaskeramik begünstigt.
Die Kriechstromfestigkeit kann zum einen durch die Dicke der isolierenden Ummantelung beeinflusst werden. Bevorzugt weist die Ummantelung eine Dicke im Bereich von 1 bis 15 mm, bevorzugt im Bereich von 3 bis 10 mm aufweist.
Je nach Anwendungsbereich des Kondensators ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an den Kunststoff, beispielsweise bezüglich der Temperaturstabilität. So eigenen sich beispielsweise insbesondere Kondensatoren mit einer Ummantelung aus Silikonharz für Hochtemperaturanwendungen.
Die Wahl des in der Ummantelung verwendeten Kunststoffs trägt entscheidend zur Durchschlagsfestigkeit bei. Diese kann beispielsweise durch einen niedrigen dielektrischen Verlustfaktor tan δ und/oder durch eine hohe Dielektrizitätskontante ε_r des verwendeten Kunststoffs erreicht werden. In einer Variante der Erfindung wird daher ein Kunststoff mit einem tanδ bei 50 Hz und einer Temperatur von 23°C im Bereich von 0,3 bis 30, bevorzugt 0,3 bis 10, besonders bevorzugt von 0,3 bis 5 verwendet. Alternativ oder zusätzlich weist der Kunststoff in einer weiteren Variante der Erfindung eine Dielektrizitätskonstante ε_r (bei 23 °C) von zumindest 3, bevorzugt von zumindest 4 und besonders bevorzugt von zumindest 10 auf. In einer Ausführungsform der Erfindung liegt ε_r im Bereich von 4 bis 7.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Kunststoff vernetzt. Durch die Vernetzung kann beispielsweise die mechanische Festigkeit des Kunststoffs und damit der Ummantelung erhöht werden. Zudem erhöht sich durch die Vernetzung auch die Dichte des Kunststoffs, was sich vorteilhaft auf die Durchschlagsfestigkeit auswirken kann. Neben Duroplasten können jedoch auch thermoplastische Kunststoffe eingesetzt werden.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung einer Kunststoffummantelung mit einem Epoxydharz, einem Polyurethan oder eines Silikonharzes als polymere Komponente herausgestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kunststoff auch über Siloxaneinheiten vernetzt. Hierbei wird zur Vernetzung des Kunststoffes insbesondere ein organofunktionelles Silan eingesetzt, dass Bestandteil der Beschichtungszubereitung sein kann. Als besonders vorteilhaft haben sich dabei ungesättigte Silane, insbesondere Vinyl- und Methacryloxysilane herausgestellt. Diese können beispielsweise durch Copolymerisationsreaktionen, Endcapping oder Propfreaktionen an bzw. in die Polymerketten des Kunststoffs eingebaut werden. In Gegenwart von Wasser erfolgt eine Hydrolyse der Alkoxygruppen des Silans zu Silanolgruppen, welche durch Kondensatiosreaktionen ein Siloxannetzwerk ausbilden. Somit bietet die Verwendung von ungesättigten Silanen neben einer Vernetzung des Kunststoffs zusätzlich den Vorteil, dass durch die Hydrolysereaktion des Silans zudem der Restgehalt an Wasser in der Ummantelung reduziert wird, was sich vorteilhaft auf die Kriechstromfestigkeit der Ummantelung auswirkt. Somit fungieren die Silane nicht nur als Vernetzer, sondern auch als Wasserfänger. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zur Vernetzung entsprechende α-Silane eingesetzt. Diese weisen besonders hohe Hydrolyse- und Kondensationsgeschwindigkeiten auf.
Des Weiteren führt der Einsatz von organofunktionellen Silanen zu einer verbesserten Benetzbarkeit der Glaskeramik. So kann eine Anbindung des Silans an die Oberfläche der Glaskeramik wie auch der Metallelektroden unter Ausbildung von Siloxaneinheiten erfolgen. Bei Silanen mit hydrophoben Resten, beispielsweise in Form einer Alkylkette oder eines Polymers, führt dies zu einer Hydrophobisierung der Oberfläche und somit zu einer besseren Anhaftung der Kunststoffummantelung an die Glaskeramik. Das Silan fungiert somit auch als Haftvermittler.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Silan ausgewählt aus der Gruppe mit den Elementen Methyltrimethoxysilan, Methylriethoxysilan, Dimethyldimethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan, Trimethylethoxysilan, Isooctyltrimethoxysilan, Isooctyltriethoxysilan, Hexadecyltrimethoxysilan, (Cyclyohexyl)methyldimethoxysilan, Dicyclopentyldimethoxysilan, Phenyltriethoxysilan, Triacetoxyethylsilan, 1,2-Bis(triethoxysilyl)ethan und/oder eine Mischung entsprechender Silane verwendet.
Alternativ oder zusätzlich kann der organische Rest des Silans eine oder mehrere reaktive organofunktionelle Gruppen aufweisen, die eine kovalente Anbindung an das Polymer ermöglicht. Hierbei reagiert die reaktive organofunktionelle Gruppe des Silans mit einer funktionellen Gruppe des Polymers bzw. Präpolymers.
Insbesondere handelt es sich bei der organofunktionellen Gruppe um eine Amino-, eine Epoxy-, eine Methacryl-, eine Vinyl- eine Isocyanato- und/oder eine Mercaptogruppe. Das Silan ist somit sowohl mit der Oberfläche der Glaskeramik als auch mit dem Kunststoff der Ummantelung kovalent verbunden.
Gemäß dieser Ausführungsform wird als zumindest ein Silan ein Silan aus der Gruppe mit den Elementen N-(2-Aminoethyl)-3-amino-propyltrimethoxysilan, N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan, N-Cyclohexyl-3-amino-propyltrimethoxysilan, N-Cycloaminomethyltriethoxysilan, 3-Aminopropyltriethoxysilan, 3-(2-Aminomethylamino)-propyltriethoxysilan, N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilan, 3-Aminopropyltrimethoxysilan, 3-Ureidopropyltrimethoxysilan, Vinyltrimethoxysilan, Vinyldimethoxymethylsilan, Vinyltriethoxysilan, Vinyltriacetoxysilan, 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, (Methacryloxymethyl)-methyldimethoxysilan, Methacryloxymethyltrimethoxysilan, 3-Methacryloxypropyltriacetoxysilan, N-Methyl-3-(Trimethoxysilyl)propyl]carbamat, N-Dimethoxy-(methyl)silylmethyl-O-methylcarbamat, Tris-[3-(trimethoxysilyl)propyl]-isocyanurat, 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, 3-Glycidoxypropyltriethoxysilan und/oder deren Mischungen.
Das organofunktionelle Silan kann dabei der Beschichtungszubereitung zugegeben werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Oberfläche der Glaskeramik und/oder der Metallelektroden mit einem organofunktionellen Silan behandelt werden, so dass sich eine entsprechende Beschichtung auf der Oberfläche der Glaskeramik ausbildet. Durch die Reaktion des Silans mit Hydroxylgruppen der Glaskeramik ist die Beschichtung über Si-O-Bindungen kovalent mit der Glaskeramik verbunden. Die Glaskeramik bzw. die teilweise metallisierte Glaskeramik kann dabei vollständig mit der Beschichtung versehen werden oder die Beschichtung kann nur auf Teilbereichen der Glaskeramik erfolgen. Es hat sich dabei als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn zumindest die Seitenflächen der Glaskeramik mit dem organofunktionellen Silan behandelt werden. Die so behandelte Glaskeramik kann nachfolgend mit dem Kunststoff ummantelt werden, wobei die durch das Silan gebildete Siloxanbeschichtung als Haftvermittlerschicht fungiert. Somit weist der Kondensator in dieser Ausführungsform der Erfindung zumindest Teilbereiche auf, die zwischen der Glaskeramik bzw. den Metallelektroden und der Kunststoffummantelung eine Haftvermittlerschicht aufweisen. Die Haftvermittlerschicht hat eine Hydrophobisierung der behandelten Oberfläche zur Folge. Abhängig vom eingesetzten Silan kann die haftvermittelnde Wirkung der Haftvermittlerschicht vorwiegend auf van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen dem hydrophoben Rest des eingesetzten Silans und des Polymers der Kunststoffummantelung beruhen. Wird ein Silan verwendet, dessen reaktive organofunktionellen Gruppen kompatibel mit funktionellen Gruppen des zur Erzeugung der Kunststoffummantelung eingesetzten Polymers bzw. Präpolymers ist, so kann zudem eine kovalente Bindung zwischen der Haftvermittlerschicht und der Kunststoffummantelung erfolgen, was zu einem besonders festen Verbund der Kondensatorbauteile führt.
Die Anbindung der Haftvermittlerschicht an die Oberfläche der Glaskeramik kann dabei noch verbessert werden, wenn zumindest Teilbereiche der Glaskeramik eine SiO₂-haltige Schicht aufweisen. Durch die SiO₂-haltige Schicht wird die Anzahl der für die Kondensationsreaktion mit dem Silan zur Verfügung stehenden Hydroxy-Gruppen noch erhöht.
In einer Weiterbildung der Erfindung enthält die Ummantelung zusätzlich anorganische Füllstoffe. Insbesondere handelt es sich bei der Ummantelung um ein Komposit mit einer polymeren Matrix und darin eingebetteten anorganischen Füllstoffen, wobei die polymere Matrix durch den Kunststoff gebildet wird. Durch die anorganischen Füllstoffe kann zum einen die mechanische Festigkeit der Ummantelung erhöht werden. Des Weiteren kann der Einsatz von anorganischen Füllstoffen dazu führen, dass die Durchschlagsfähigkeit der Ummantelung steigt. Dies kann insbesondere durch die Verwendung von Füllstoffen auf der Basis von Al₂O₃ erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Ummantelung auch SiO₂-Partikel als Füllstoffe enthalten. Wird zudem wie bereits oben beschrieben ein organofunktionelles Silan als Vernetzer und/oder Haftvermittler verwendet, so kann bei oxydischen Füllstoffen ebenfalls eine kovalente Anbindung des Silans an die Oberfläche des Füllstoffes erfolgen. Somit kann eine Oberflächenmodifizierung des Füllstoffes bis hin zu einer kovalenten Anbindung des Füllstoffs an das Polymer über das Silan erfolgen. Dies kann beispielsweise zu einer erhöhten mechanischen und/oder chemischen Beständigkeit der Ummantelung führen.
Die Füllstoffe können Partikelgrößen im Bereich von 1 bis 100 µm aufweisen. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält die Ummantelung Füllstoffe mit Partikelgrößen im nm-Bereich, insbesondere im Bereich von 5 bis 200 nm.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kondensators. Das Verfahren umfasst hierbei zumindest folgende Verfahrensschritte a) bis c):

a) Bereitstellen eines Glaskeramikformkörpers, insbesondere einer platten- oder scheibenförmigen Glaskeramik,
b) Aufbringen einer Metallbeschichtung auf der Ober- und Unterseite bzw. den gegenüberliegenden Oberflächen der Glaskeramik
c) Ummanteln der in Schritt b) beschichteten Glaskeramik mit einer Kunststoffbeschichtung durch Aufbringen einer Beschichtungszubereitung, wobei zumindest Teilbereiche der Glaskeramik einen vollflächigen Verbund mit der Kunststoffbeschichtung bilden.

In Schritt b) wird eine metallhaltige Paste, bevorzugt eine silberhaltige Paste, auf der Ober- und Unterseite der Glaskeramik aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch ein Druckverfahren oder durch Aufrakeln erfolgen. Die Paste enthält neben Metallpartikeln ein Anpastmedium, insbesondere ein Öl, sowie gegebenenfalls Glaspulver. Durch das Glaspulver kann die Haftung der metallischen Beschichtung auf der Glaskeramikoberfläche verbessert werden. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei die Verwendung eines Glaspulvers aus dem Grünglas der Glaskeramik herausgestellt. Alternativ oder zusätzlich kann die Metallpaste Partikel weiterer Metalle, beispielsweise Kupfer- oder Aluminiumpartikel enthalten.
Vor Aufbringen der Metallpaste kann die Glaskeramik vollständig oder in Teilbereichen gereinigt oder geätzt werden. Durch das Ätzen wird die Oberfläche zusätzlich aufgeraut, was zu einer verbesserten Anhaftung der Metallbeschichtung auf der Oberfläche führt.
Alternativ oder zusätzlich kann in einem dem Verfahrensschritt a) vorgelagerten Schritt eine SiO₂-haltige Schicht auf der Glaskeramik abgeschieden werden. Dies kann beispielsweise durch Sputtern, ein CVD-Verfahren oder ein Sol-Gel-Verfahren erfolgen. Hierdurch kann, insbesondere in Verbindung mit einem organofunktionellen Silan, die Anhaftung der Kunststoffschicht auf der Glaskeramik verbessert werden.
In Schritt c) erfolgt die Ummantelung der in Schritt b) metallisierten Glaskeramik. In einer Variante wird die metallisierte Glaskeramik mit einem thermoplastischen Kunststoff beschichtet. Hierbei kann die Beschichtung mit einem Tauchverfahren aufgebracht werden. Dazu wird der entsprechende Kunststoff auf eine Temperatur oberhalb der Glastemperatur aufgeschmolzen und die metallisierte Glaskeramik in den geschmolzenen Kunststoff getaucht. Durch Abkühlen erstarrt der Kunststoff und bildet so eine Kunststoffummantelung. Alternativ kann die Glaskeramik auch mit Hilfe eines Wirbelbettverfahrens beschichtet werden.
In einer weiteren Variante der Erfindung umfasst die Ummantelung einen duroplastischen Kunststoff. Hierzu wird eine Beschichtungszubereitung mit einem Präpolymer und einem Vernetzer aufgebracht. Insbesondere handelt es sich bei der Beschichtungszubereitung um ein Zwei-Komponenten-Gießharz. Das Gießharz kann weitere Additive, beispielsweise zur Beschleunigung der Vernetzungsreaktion enthalten. Die Verkapselung kann insbesondere durch ein Vakuum-Gussverfahren oder ein automatisches Druckgelier-Verfahren aufgebracht werden.
Eine Aushärtung des Harzes erfolgt durch Polymerisation und/oder Vernetzung. Die Beschichtungszubereitung kann bei Raumtemperatur gehärtet werden. Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass die Beschichtungszubereitung heiß härtend ist.
Zusätzlich kann die Beschichtungszubereitung anorganische Füllstoffe, beispielsweise SiO₂ oder Al₂O₃ aufweisen. Der Füllstoffgehalt liegt bevorzugt im Bereich von 50 bis 75 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 55 bis 68 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtungsmasse.
In einer Variante der Erfindung umfasst die Beschichtungszubereitung ein Epoxydgießharzsystem. Die Beschichtungszubereitung umfasst in dieser Variante als Präpolymer ein Epoxydharz sowie einen Härter, bevorzugt ein Anhydrid oder Amin. Insbesondere weist das Präpolymer eine Epoxydzahl (nach ISO 3001) im Bereich von 2 bis 3 Eq/kg, bevorzugt im Bereich von 2,2 bis 2,35 Eq/kg auf.
In einer Ausführungsform enthält die Beschichtungszubereitung ein Epoxydharz auf Basis von Bisphenol A. Hierbei kann es sich um ein lösemittelfreies Epoxydharz handeln, jedoch kann auch abhängig von der gewünschten Viskosität der Beschichtungszubereitung ein Reaktivverdünner als Lösungsmittel eingesetzt werden. Der in der Beschichtungszubereitung enthaltene Härter ist in dieser Ausführungsform ein Härter auf Anhydridbasis. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Beschichtungszubereitung als Präpolymer ein cycloaliphatisches Epoxydharz und/oder ein Epoxydharz mit erhöhter Schlagzähigkeit enthält.

Als vorteilhaft hat sich beispielsweise die Verwendung folgender Zweikomponenten-Epoxydharz-Gießsysteme der Firma Huntsman umfassend ein Präpolymer sowie einen Härtner, d.h. Vernetzer sowie gegebenenfalls anorganische Füllstoffe herausgestellt:

Präpolymer	Vernetzer
CW 5730 N	HY 5731
CW 1446 BDF	HY 2919
CW 2250	HY 2919
CW 1116-1	XW 1257-1
CW 1116-1	HY 2919
CW 1491 BD	HW 1491 BD
CW 2122-1	HY 2123
CW 2122-1	HY 2901-1
XB 5763	HY 5726
CW 5725	HY 5726
CW 5742	HY 5726
CW 1195-1	HW 1196
CW 229-3	HW 229-1

Bei diesen Beschichtungszubereitungen handelt es sich um heiß härtende Epoxydharz-Gießsysteme, d.h. die Vernetzung findet bei diesen Systemen bei erhöhten Temperaturen statt. Es können auch solche Epoxydharz-Gießsysteme verwendet werden, die bei Raumtemperatur aushärten, beispielsweise folgende Systeme der Firma Huntsman:

Präpolymer	Vernetzer
CW 1312	HY 1300
CW 1302	HY 1300
CW 2243-2L	HY 1872
CW 2243-2L	HY 842
CW 2245	HY 2966
CW 2245	HY 956 EN
CW 2248	HY 956 EN
CW 2249	HY 2851
XB 2252	XB 2253
CW 2250-1	HY 2251
CW 5730 N	HY 2966
DBF	HY 2966
DBF	HY 842
DBF	HY 956
DBF	HY 951
CY 220-1	HY 956
CY 221	HY 842
CY 221	HY 2967
CY 221	HY 2966
CY 221	HY 956
CY 223	HY 956
F	HY 956
MY 740	HY 840-1
MY 740	HY 956

Des Weiteren kann die Beschichtungszubereitung weitere Additive wie z.B. Additive zur Erhöhung der Elastizität des Epoxydharzes (Flex) oder zur Beschleunigung der Vernetzung (Beschleuniger) enthalten. Beispiele für derartige Beschichtungszubereitungen sind folgende Systeme der Firma Huntsman:

Präpolymer	Vernetzer	Flex	Beschleuniger	Füllstoff
Araldite^®	HY 905	DY 040	DY 061	SiO₂
CY 5980	HY 5980	DY 040	DY 061	SiO₂
CY 5936	HY 5945			SiO₂
CY 5948	HY 5945			SiO₂
CW 229-3	HW 229-1
CY 5995	HY 5996			SiO₂
CY 5995	HY 925			SiO₂
CY 5995	HY 227			SiO₂
CY 228-1	HY 918		DY 062	SiO₂
CY 228-1	HY 918	DY 045	DY 062	SiO₂
CY 225	HY 925			SiO₂
CY 225	HY 225			SiO₂
CY 225	HY 227			SiO₂
CT 5900	HT 901			SiO₂
CT 5900	HT 903-1			SiO₂
CT 5900	HT 923			SiO₂
XB 5900	XB 5951
XB 5915	XB 5916
CY 184	HT 907		DY 071	SiO₂
CY 184	HY 1235		DY 062	SiO₂
CY 184	HY 1235		DY 062	SiO₂
CY 184	HY 1235	DY 044	DY 062	SiO₂
CY 5622	HY 1235		DY 062	SiO₂
XB 5918-3	XB 5919-3		DY 062
XB 5957	XB 5958

In einer anderen Variante der Erfindung enthält die Beschichtungszubreitung als Präpolymer ein Polyurethan bzw. eine Polyurethanvorstufe sowie einen Härter. Hierbei haben können beispielsweise folgende 2-Komponenten-Polyurethangießharze der Firma Huntsman verwendet werden:

Präpolymer	Vernetzer
Arathane^® CW 5620	HY 5610
Arathane^® CW 5650	HY 5610
Arathane^® XW 949-1	HY 5610
Arathane^® CW 3200	HY 5611-1
Arathane^® XB 5633	HY 5610
Arathane^® VB U 6920	U 001B
Arathane^® VB U 6910 ACC	HY 5611-1
Arathane^® VB U 6942	VB U001B
Arathane^® CW 5631	HY 5610

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Beschichtungsmasse zusätzlich zumindest ein organofunktionelles Silan enthält, welches durch Hydrolyse- und/oder Kondensationsreaktionen kovalent an die Oberfläche der Glaskeramik und/oder der Metallelektroden gebunden werden kann. Zudem kann das organofunktionelle Silan als Vernetzer fungieren.
Das organofunktionelle Silan kann dabei hydrophobe Gruppen enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann der organische Rest des Silans eine oder mehrere reaktive organofunktionelle Gruppen aufweisen, die eine kovalente Anbindung an das Polymer ermöglicht. Auch die Verwendung einer Mischung verschiedener Silane ist möglich.
Das organofunktionelle Silan bzw. die Mischung verschiedender organofunktioneller Silane kann alternativ oder zusätzlich in einem dem Verfahrensschritt c) vorgelagerten Schritt auf die Oberfläche der Glaskeramik aufgetragen werden. Hierbei kann der Auftrag vollständig erfolgen oder es können auch nur Teilbereich der Glaskeramik mit dem organofunktionellen Silan beschichtet werden. Bevorzugt wird das organofunktionelle Silan zumindest auf den Seitenflächen der Glaskeramik aufgetragen. Das organofunktionelle Silan bildet hierbei eine Haftvermittlerschicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung findet in Schritt c) an der Grenzfläche zwischen der Silanschicht und der Kunststoffschicht eine kovalente Anbindung der beiden Schichten statt. Hierbei reagiert die organofunktionelle Gruppe des Silans mit dem Polymers bzw. Präpolymers der Beschichtungszubereitung. Bevorzugt erfolgt die kovalente Anbindung durch Copolymerisation, Endcapping oder radikalische Propfung.
Bei einer kovalenten Anbindung durch Endcapping reagiert die organofunktionelle Gruppe des Silans mit einer funktionellen Endgruppe des Polymers bzw. Präpolymers der Beschichtungszubereitung. Als besonders vorteilhaft haben sich hierbei folgende Kombinationen von Endgruppe und organofunktionellem Silan herausgestellt: Aminosilane und NCO-terminierte Polyurethane, Aminosilane und Acrylpolymere, Aminosilane und Methacrylpolymere, Isocycanatosilane und Polymere mit OH-Endgruppen wie beispielsweise Polyether, Polyester, Polyurethane, Amino-, Epoxy- und/oder Glycidoxysilane und Epoxydharz-Vorstufen als Präpolymere sowie Aminosilane und Phenolharz-Vorstufen als Präpolymere.
Ungesättigte Silane und Polymer bzw. Präpolymer können auch durch eine radikalische Propfreaktion kovalent miteinander verbunden werden. Hierbei haben sich insbesondere folgende Kombinationen als vorteilhaft herausgestellt: Vinylsilane und Polyolefine, Methacryloxysilane und Polyolefine sowie Methocryloxysilane und ungesättigte Polyester.
Die erfindungsgemäßen Kondensatoren bzw. die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kondensatoren können beispielsweise in der Hochspannungstechnik verwendet werden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der 1 bis 3 sowie an Hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Die 1 bis 3 zeigen schematische Darstellungen der Querschnitte unterschiedlicher Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konverters.
1 zeigt eine Ausführungsform des Kondensators 1. Die scheibenförmige Glaskeramik 2 dient als Dielektrikum. Hierbei sind die Oberseite 2a und die Unterseite 2b der Glaskeramik 2 mit den Metallelektroden 3a und 3b beschichtet. Die Elektroden 3a und 3b sind mit die Ableitungen 5a und 5b verbunden. Glaskeramik 2 und Elektroden (3a, 3b) weisen eine Kunststoffummantelung 4 auf. In der hier gezeigten Ausführungsform 1 weisen die Seitenflächen 2c einen vollflächigen Verbund mit der Kunststoffummantelung 4 auf. Die Kunststoffschicht 4 kann einen Vernetzer auf Basis eines Silans enthalten, so dass Glaskeramik 2 und/oder Metallelektroden 3a, 3b und Kunststoffummantelung 4 kovalent miteinander verbunden sein können.
Die in 2 gezeigte Ausführungsform 6 weist zusätzlich zwischen der Kunststoffummantelung 4 und der Glaskeramik 2 bzw. den Elektroden (3a, 3b) eine Haftvermittlerschicht 7 auf. Bevorzugt ist die Haftvermittlerschicht 7 an den Grenzflächen zur Glaskeramik 2 und/oder zu den Elektroden 3a, 3b kovalent über Si-O-Bindungen mit diesen verbunden. Die Haftvermittlerschicht 7 enthält hydrophobe organische Reste und kann mit der Kunststoffschicht 4 durch van-der-Waals-Wechselwirkungen und/oder über kovalente Bindungen verbunden sein. Alternativ zu der in 2 gezeigten Ausführungsform können auch nur Teilbereiche der Glaskeramik 2 und/oder der Elektroden 3a, 3b mit der Haftvermittlerschicht 7 versehen werden. Bevorzugt sind zumindest die Seitenflächen 2c der Glaskeramik mit der Haftvermittlerschicht 7 beschichtet.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform 8 des Kondensator, bei der die Glaskeramik 2 zusätzlich eine SiO₂-haltige Schicht 9 aufweist. Die SiO₂-haltige Schicht 9 verbessert insbesondere die Benetzung der Glaskeramikoberflächen. In der gezeigten Ausführungsform 8 ist zusätzlich eine Haftvermittlerschicht 7 vorhanden.
Im Ausführungsbeispiel 1 wird als Glaskeramik eine bariumtitantathaltige Glaskeramik verwendet. Ober- und Unterseite der Glaskeramik sind mit einer silberhaltigen Beschichtung versehen, welche jeweils als eine Elektrode fungiert. Die silberhaltige Beschichtung enthält Silber und Glaspartikel. Die beschichtete Glaskeramik ist mit einer Kunststoffschicht auf Basis eines Epoxydharzes ummantelt. Das Epoxydharz ist mit anorganischen Füllstoffen verstärkt.
Zur Herstellung der Kunststoffummantelung wird ein Zweikomponenten-Epoxyd-Giessharzsystem mit einem Epoxydharz auf Basis von Bisphenol A als Präpolymer und einem Anhydridhärter (Araldit^®-Giessharzsystem der Firma Huntsman mit den Komponenten Araldit^® CW 229-3 und Aradur^® HW 229-1) verwendet.
Harz- und Härterkomponente werden hierzu in der benötigten Menge bei leicht erhöhter Temperatur bis zu 60°C unter Vakuum homogenisiert. Die Ummantelung erfolgt mit einem konventionellen Vakuum-Gießverfahren oder mit einem automatischen Druckgelier-Verfahren (ADG-Verfahren).
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel handelt es sich ebenfalls um einen Kondensator mit einer Bariumtitanat-Glaskeramik als Dielektrikum und silberhaltigen Beschichtungen als Elektroden. Zur Herstellung der Kunststoffummantelung wird ein Zweikomponenten-Epoxydgiessharzsystem der Firma Huntsman mit den Komponenten Araldit^® CW 1446 BDF und Aradur^® HY 2919 verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 3001 [0039]

Claims

Kondensator, insbesondere geeignet für Hochspannungsanwendungen, umfassend zumindest – einen Glaskeramikformkörper als Dielektrikum, – zwei Metallelektroden, wobei die Metallelektroden in Form einer metallhaltigen Beschichtung auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Glaskeramikformkörpers aufgebracht sind und – eine Ummantelung aus Kunststoff, wobei die Ummantelung die mit den Metallelektroden beschichtete Glaskeramik umschließt, wobei insbesondere die unbeschichteten Seitenflächen der Glaskeramik einen vollflächigen Verbund mit dem Kunststoff aufweisen.
Kondensator gemäß Anspruch 1, wobei der Glaskeramikformkörper platten- oder scheibenförmig ausgebildet ist und die Metallelektroden auf der Ober- und Unterseite aufgebracht sind.
Kondensator einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Glaskeramik bariumtitanathaltige Phasen, bevorzugt Bariumtitanat-, Bariumstrontiumtitanat- und/oder Bariumaluminiumtitanatphasen, strontiumtitantathaltige Phasen und/oder bariumzirkonathaltige Phasen enthält.
Kondensator gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Glaskeramik eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 20, bevorzugt im Bereich von 0,15 bis 10 mm aufweist.
Kondensator gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ummantelung eine Dicke im Bereich von 1 bis 15 mm, bevorzugt im Bereich von 3 bis 10 mm aufweist. Kondensator einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kunststoff einen Polyurethan, ein Epoxydharz und/oder ein Silikonharz umfasst.
Kondensator gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kunststoff über Siloxaneinheiten vernetzt ist.
Kondensator gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kunststoff ein tan δ bei 50 Hz und 23 °C im Bereich von 0,3 bis 10, bevorzugt 0,3 bis 5 und/oder ein ε_r bei 23°C im Bereich von zumindest 3, bevorzugt zumindest 10 aufweist.
Kondensator gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ummantelung anorganische Füllstoffe, bevorzugt SiO₂ und/oder Al₂O₃ enthält.
Kondensator gemäß einem der vorherigen Ansprühe, wobei die Glaskeramik zumindest in Teilbereichen eine SiO₂-haltige Schicht aufweist.
Kondensator gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest Teilbereiche des Kondensators zwischen der Glaskeramik und dem Kunststoff eine Haftvermittlerschicht, bevorzugt eine Haftvermittlerschicht umfassend ein organofunktionalisiertes Silan, besonders bevorzugt ein Silan mit hydrophoben Gruppen, aufweisen.
Kondensator gemäß Anspruch 11, wobei Glaskeramik und Haftvermittlerschicht an der Grenzfläche über kovalente Bindungen, bevorzugt über Si-O-Bindungen, miteinander verbunden sind.
Kondensator gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei Kunststoff und Haftvermittlerschicht an der Grenzfläche kovalent miteinander verbunden sind.