DE2055927C3 - Poröser, elektrisch leitender Gegenstand, insbesondere elektrisches Heizelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen porösen, SS elektrisch leitenden Gegenstand, insbesondere ein elektrisches Heizelement zum raschen Erhitzen von Gasen, Flüssigkeiten, Dämpfen oder Aerosolen, der aus einer Vielzahl von länglichen, miteinander verfilzten Teilchen besteht die an ihren Berührungsstellen metallisch miteinander verbunden sind.

Bei einem bekannten Heizelement dieser Art bestehen diese Teilchen aus Haaren, Nadeln, Stäbchen oder Whiskern mit einem Durchmesser unter 10 μηι oder aus blättchenförmigen Teilchen mit einer Dicke unter 1 μπι. Diese Teilchen können metallisch sein oder aus einem durch eine Metallumhüllung elektrisch leitend gemachten fadenförmigen Nichtleiter wie Aluminiumoxid, Quarz, Glas oder einem organischen Kunststoff bestehen. Von besonderer Bedeutung ist es sehr oft, daß das ausgewählte Material eine hohe Warmfestigkeit aufweist, also auch bei Temperaturen um 1000° C keine wesentliche Festigkeitseinbuße erleidet Aus wirtschaftlichen Gründen ist es weiter bei der Herstellung solcher filzartiger Heizelemente von Bedeutung, daß der fadenförmige Nichtleiter rationell und ohne großen Kostenaufwand mit einer leitenden Metallhülle \ Ersehen werden kann. Femer hat es sich gezeigt daß ein gleichmäßiger Fadenquerschnitt wesentlich für eine homogene Erwärmung des zu erhitzenden Mediums ist Schließlich soll auch das zu metallisierende Ausgangsmaterial möglichst billig sein.

Die vorstehend erwähnten metallisierten haar-, fadenförmigen oder blättchenartigen Teilchen erfüllen diese Forderungen nur zum TeiL Nichtmetallische Whisker aus Aluminiumoxid mit an sich hoher Warmfestigkeit sind für die industrielle Anwendung in filzartigen Heizelementen noch zu teuer (200,— DM pro Gramm). Sie haben zwar ein sehr großes Verhältnis von Länge zu Durchmesser in der Größenordnung von etwa 10 000:1 und darüber, jedoch bedeutet dies bei einem Durchmesser von 1 Mikron lediglich eine Länge von etwa 10 mm, wodurch die rationelle Herstellung von einer Metallumhüllung erschwert wird.

Der Erfindung liegt, die Aufgabe zugrunde, einen porösen, elektrisch leitenden Gegenstand der eingangs genannten Art zu schaffen, der billig herstellbar ist und sich durch eine hohe Warmfestigkeit und ein geringes spezifisches Gewicht auszeichnet

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Teilchen, aus denen der Gegenstand besteht von gegebenenfalls graphitierten Kohlefäden gebildet sind, auf deren Oberfläche durch thermische Zersetzung einer Metallverbindung ein Metall aus der Gasphase abgeschieden ist

Kohlefäden werden bekanntlich dadurch hergestellt daß natürliche oder synthetische Fäden, die aus einer Kohlenstoffverbindung bestehen, wie Baumwollfäden oder Potyacrylnitrilfäden, bei relativ niedrigen Temperaturen verkohlt werden. Für erhöhte Beanspruchungen können diese Kohlefäden bei etwa 2500° C in kristallinen Graphit umgewandelt werden. Diese Kohlefäden werden als graphitierte Kohlefäden bezeichnet Kohlefäden haben eine hohe Warmfestigkeit bis etwa 3000° C, eine hohe spezifische Festigkeit und ein geringes spezifisches Gewicht und sie fallen als Garn in beliebiger Lange an, da das Ausgangsprodukt z. B. Polyacrylnitrilfäden oder Baumwollfäden, als Faden endlos bzw. verzwirnt hergestellt werden kann. Dadurch besteht die Möglichkeit die Kohlefäden in einem Durchlaufverfahren mit hoher Geschwindigkeit (einige m/sec) zu metallisieren, und zwar einzeln, oder was wirtschaftlicher ist in einem Strang aus mehreren tausend Einzelfäden, der nach dem Metallisieren auf die gewünschte Länge zerschnitten wird, worauf die dadurch entstehende metallisierte Stapelfaser verfilzt wird Und die Einzelfäden an ihren Berührungsstellen metallisch miteinander verbunden werden. Polyacrylnitrilfäden werden aus einer Ziehdüse heraus erzeugt und haben daher einen absolut gleichbleibenden Fadenquerschnitt Entsprechend haben auch die aus diesen Fäden durch Verkohlen gewonnenen Kohlefäden einen gleichbleibenden Querschnitt Kohlefäden sind in der Herstellung billiger als warmfeste Nichtmetallwhisker, haben eine noch höhere Warmfestigkeit als diese und ein geringeres spezifisches Gewicht und sie können als

Endlosfäden hergestellt -and damit in der vorher beschriebenen Weise auf rationelle Art elektrisch leitend gemacht werden.

Zur Beschichtung der Kohlefäden wird vorzugsweise ein Carbonyl der Metalle Chron, Nickel, Wolfram, s Molybdän oder ehr Gemisch solcher Carbonyle verwendet Metallcarbonyle haben bekanntlich die Eigenschaft, daß sie sich bei einer bestimmten Temperatur in Metall und Kohlendioxid zersetzen, wobei die Metalle sich aus atomarem Zustand feinkristallin auf der Oberfläche der Kohlefäden niederschlagen und so eine festhaftende, zusammenhängende Hülle bilden, die mit den Hüllen benachbarter Kohlefäden elektrisch leitend verbunden werden kann. Diese Verbindung kann durch Sintern, durch zusätzliches Abscheiden von Metall aus der Gasphase bis zur metallischen Verkittung an den Berührungspunkten der einzelnen metallumhüllten Kohlefäden, durch Hochfrequenz-Induktionserhitzung bis zum Verschweißen der einzelnen Fäden, durch Elektronenstrahlschweißen, durch Ultraschallschweißen, durch Laserstrahlerhitzung und andere bekannte Maßnahmen erfolgen.

Für extreme Bedingungen, beispielsweise zum Erhitzen von reaktiven Flüssigkeiten, kann eine Reaktion der Metallhülle mit dem Material des Kohlefadens herbeigeführt werden. Wird z. B. ein Kohlefaden mit Wolfram beschichtet und wird dieser beschichtete Faden auf über 1000° C erhitzt, so bildet sich durch eine bekannte Reaktion des Wolframs mit der Kohle Volframcarbid, das sich bekanntlich durch eine außerordentliche Härte und chemische Beständigkeit auszeichnet

Einige Verfahrensbeispiele zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gegenstandes werden nun im folgenden beschrieben.

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Beispiel 1

Kohlefäden mit einem Durchmesser zwischen 0,1 und 10 Mikron werden zu einem endlosen Garn verzwirnt oder versponnen und durch bekannte Maßnahmen, beispielsweise durch Hochfrequenz, auf die Zersetzungstemperatur von Nickelcarbonyl erhitzt, die zwischen 100 und 160° C liegt Anschließend werden die erhitzten Fäden durch einen abgeschlossenen Raum geführt in den ein Gemisch aus 90% Argon und 10% Nickelcarbonyidampf eingeleitet wird Das Nickelcarbonyl zersetzt sich an den erhitzten Fäden in Nickel und CO, wobei um jeden einzelnen Faden eine kohärente Hülle aus Nickel gebildet wird. Die Dicke der so Beschichtung ist abhängig von der Verweilzeit der Fäden im Reaktionsraum, d. h, von der Durchzugsgeschwindigkeit Sie beträgt beispielsweise 0,1 bis 04 Mikron. Die auf diese Weise metailbeschichteten Fäden sind noch ohne Zusammenhang und werden nun in Stapelfasern zerschnitten, die auf bekannte Weise, z. B. mit einem Windsichtverfahren, in die Form eines !ösen Haufwerkes gebracht werden. Dieses lose Haufwerk wird nun in den in der Zeichnung dargestellten Zylinder 1 zwischen zwei aufeinander zu bewegbare Kolben 2 und 3 gebracht Die Kolben 2 und 3 begrenzen auf ihren voneinander abgewandten Seiten die Zyiinderräume 4 und 5. In den Zylinderraum 5 mündet eine Zuflußleitung 6 für ein Gemisch aus Nickelcarbonyidampf und einem inerten Gas und von dem Zylinderraum 4 geht eine Auslaßleitung 7 für die unzersetzten Restgase sowie für das bei der Zersetzung des Nickelcarbonyle anfallende CO aus. Die Kolben 2 und 3 haben Kanäle 8, sind an ihren einander zugewandten Stirnflächen elektrisch leitend und können an eine Stromquelle angeschlossen werden. Nach dem Einbringen des Haufwerks 10 zwischen die Kolben 2 und 3 werden die beiden Kolben gegeneinander bewegt bis die gewünschte Porosität erreicht ist Dann werden die Kolben 2 und 3 an die Stromquelle angeschlossen und das Haufwerk wird durch direkten Stromdurchgang auf die Zersetzungstemperatur des verwendeten Carbonyls erhitzt Nun wird durch die Zuflußleitung 6 ein Gemisch aus 90% Argon und 10% Nickelcarbonyldampf in den Zylinderraum 5 und durch die Kanäle 8 im Kolben 3 durch das Haufwerk 10 geleitet wo sich das Nickelcarbonyl zersetzt und Nickelatome auf den metallumhüllten Fäden und an den Berührungsstellen der Fäden abgeschieden werden, wodurch eine elektrisch gut leitende Verbindung zwischen den Fäden hergestellt wird. Diese zweite Beschichtung kann eine Dicke von 0,1 bis 2 Mikron haben. Wesentlich ist bei diesem Vorgang, daß der durch die Kolben 2 und 3 auf das Haufwerk 10 ausgeübte Druck während der nachfolgenden Metallisierung erhaltenbleibt da die metallisierten Kohlefaden aufgrund ihres hohen Elastizitätsmoduls sonst bestrebt sind, sich wieder voneinander zu entfernen.

Beispiel 2

Kohlefaden werden in der vorher beschriebenen Weise mit einer Nickelumhüllung von 1 bis 2 Mikron Dicke versehen. Dann werden die endlosen Fäden auf Längen von etwa 1 cm zerschnitten und diese Stapelfasern werden in die Form eines losen Haufwerks gebracht indem sie in eine Form geschüttet werden oder indem man sie aus einer Flüssigkeit absetzen läßt Nun werden die einzelnen Faserstückchen einander bis zum Erreichen der gewünschten Porosität genähert und dann durch Erhitzen auf etwa 600 bis 1000° C über einen Zeitraum von etwa 30 Minuten miteinander verbacken. Es ist ersichtlich, daß bei diesem zweiten Verfahren die Dicke der Metallbeschichtung der endlosen Kohlefaden dicker ist als bei dem ersten Beispiel, da bei der nachfolgenden Verbindung der Einzelfäden durch einen Sintervorgang im Gegensatz zu dem ersten Beispiel keine nochmalige Metallabscheidung auf den Fäden stattfindet

Der erfindungsgemäße Gegenstand ist als elektrisches Heizelement für das rasche Erhitzen von Gasdämpfen, Aerosolen und Flüssigkeiten geeignet Mit dem erfindunsgemäßen Heizelement können beispielsweise flüssige Kohlenwasserstoffe in Bruchteilen von Sekunden in Dampfform umgewandelt werden oder es kann ein heißer Gasstrahl, z. B. aus Argon, mit einer Temperatur von beispielsweise 1300° C erzeugt werden, der zum Hartlöten, Schweißen oder Brennschweißen verwendet wurden kann. Obgleich der erfindungsgemäße Gegenstand vornehmlich für Anwendungszwecke bestimmt und geeignet ist, bei denen sehr hohe Anforderungen an die Warmfestigkeit bestehen, ist er auch als Heiß- oder Kaltelektrode für elektrochemische Verfahren, Brennstoffzellen oder Sammler geeignet. Hierbei ist das geringe spezifische Gewicht von besonderer Bedeutung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche;

1. Poröser, elektrisch leitender Gegenstand, insbesondere elektrisches Heizelement zum raschen S Erhitzen von Gasen, Flüssigkeiten, Dämpfen oder Aerosolen, bestehend aus einer Vielzahl von länglichen, miteinander verfilzten Teilchen, die an ihren Berührungsstellen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese Teilchen aus gegebenenfalls graplhitierten Kohlefaden bestehen, auf deren Oberfläche durch thermische Zersetzung einer Metallverbindung ein Metall aus der Gasphase abgeschieden ist

2. Poröser, elektrisch leitender Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallverbindung ein Carbonyl eines der Metalle Chrom, Nickel, Wolfram, Molybdän oder ein Gemisch von Carbonylen dieser Metalle ist

3. Verfahren zur Herstellung eines porösen, elektrisch leitenden Gegenstandes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verkohlen von natürlichen oder künstlichen Fäden, die aus einer Kohlenstoffverbindung bestehen, Kohlefäden gewonnen und diese in einem Durchlaufverfahren auf die Zersetzungstemperatur eines Metallcarbonyle erhitzt, dann einer Metallcarbonyldampf enthaltenden Atmosphäre ausgesetzt werden, bis ihre Oberflächen mit einer Metallschicht gewünschter Dicke versehen sind, darauf die metallisierten Kohlefaden zu Stapelfasern zerschnitten, in die Form eines losen Haufwerkes gebracht, auf die gewünschte Porosität komprimiert und an ihren Berührungsstellen metallisch miteinander verbunden werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der metallumhüllten Kohlefäden miteinander durch nochmaliges Erhitzen des komprimierten Haufwerkes und Zuführen eines Metallcarbonyldampfes unter Aufrechterhaitung des Komprimierdruckes erfolgt, wobei eine Abscheidung von Metall auf den Fäden und an den Berührungsstellen der Fäden stattfindet und dieser Vorgang so lange durchgeführt bzw. so oft wiederholt wird, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß die Kohlefäden nach der Metallbeschichtung auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der eine chemische Reaktion zwischen so dem Metall der Umhüllung und der Kohle eintritt