DE2444907B2

DE2444907B2 - Verfahren zur herstellung eines streifenfoermigen elektrischen widerstandes

Info

Publication number: DE2444907B2
Application number: DE19742444907
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-09-21
Filing date: 1974-09-19
Publication date: 1977-07-21
Also published as: DE2444907C3; DE2444907A1; US4055615A; JPS5056640A; JPS5428976B2; GB1449539A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines streifenförmigen elektrischen Widerstandes, unter Verwendung eines Pulvers aus Polytetrafluoräthylen und eines Pulvers aus elektrisch leitenden Teilchen, wie beispielsweise Kohlenstoffpulver oder Metallpulver, mil einem Anteil von 4 bis 25 Gew.-% der leitfähiger Teilchen an der Gesamtmasse, die gemischt werden und anschließend in eine Metallform eingefüllt und danr unter einem Druck von 600 bis 700 kp/cm² verpreßi werden, wobei der dabei erhaltene Formkörper be einer Temperatur zwischen 320 und 390° C gesintert unc anschließend zu Widerstandselementen weiter verarbeitet wird.

Obgleich bereits zahlreiche Arten von elektrischer Widerständen vorgeschlagen wurden, sind einige dieser Widerstände für gewisse Anwendungsfälle vorteilhaft für andere Anwendungsfälle dagegen nicht geeignet und die Arten dieser Widerstände werden daher entsprechend ihrem jeweiligen Verwendungszweck bestimmt. Beispielsweise sollen elektrische Widerstän de, die als Heizelemente für elektrische Heizdecker Verwendung finden, je nach der Größe, d. h. Länge unc Breite der Heizdecke, unterschiedliche Längen unc Widerstandswerte besitzen. Da eine Heizdecke zuderr häufig gefaltet oder umgebogen wird, sollten die in ihr vorgesehenen Widerstände vorzugsweise flexibel unc dünn sein. Außerdem sollen derartige Widerstände zuverlässig, wärmebeständig und preiswert herstellbai sein.

Aus diesen Gründen werden gewisse Heizelemente aus Metallbändern oder -streifen hergestellt. Zui Erzielung eines Heizelementes einer vorbestimmter Abmessung ist es jedoch erforderlich, einen Metallstrei fen mit beträchtlicher Länge zu verwenden, wodurch die Fertigung kompliziert wird. Für die Herstellung vor Produkten unterschiedlicher Konfiguration und elektri scher Leistung ist es weiterhin notwendig, Metalldrähte oder -streifen verschiedener Durchmesser und Länger herzustellen.

Aus der US-PS 27 44 988 ist ein Widerstandselemen für hohe Temperaturen und ein Verfahren zui Herstellung desselben bekannt, gemäß welchem bei spielsweise ein Kunststoff wie Polytetrafluoräthylen ii Form einer Suspension mit einer Suspension aui leitenden Teilchen, wobei die Suspension noch eir Verteilungsmittel enthalten kann, gemischt wird une wobei dann dafür Sorge getragen wird, daß dies· kolloidale Mischung gerinnt bzw. sich verfestigt, unc zwar unter Anwendung von Hitze oder einen organischen Lösungsmittel, so daß eine pastenförmig) Masse erhalten wird, aus der dann die restlich« Flüssigkeit abgefiltert wird. Diese Masse wird dann ii einer Strangpresse vorgeformt, wird bei einer relatr niedrigen Temperatur getrocknet, so daß die flüchtiger Bestandteile verdampfen, und wird dann bei erhöhte Temperatur, jedoch unterhalb des Sinterpunktes de Kunststoffes getrocknet, bis das verbleibende flüchtig! Material entfernt ist. Die auf diese Weise erhalten« Masse wird dann abgekühlt und in eine Form gegebei und wird bei einer Temperatur gesintert, die oberhall des Übergangspunkte 5 des Kunststoffes liegt, jedocl

unterhalb des Zersetzungspunktes des Kunststoffes. Demnach sind bei diesem bekannten Verfahren verschiedene Trocknungs- und Filterverfahren erforderlich, um schließlich die spritzfähige Masse zu erhalten. Das in der spritzfähigen Masse enthaltene leitende Material kann beispielsweise aus Graphit oder Kohlenstoff bestehen oder aus puderförmigen Metallen wie beispielsweise Silber, Aluminium, Blei usw.

Aus der US-PS 28 25 702 ist ein Heizelement in Form eines Filmes bekannt, der aus fein verteilten Teilchen mit elektrischer Leitfähigkeit besteht. Diese Teilchen werden mit Hilfe eines Bindemittels zusammengehalten, welches zu Beginn des Herstellungsprozesses flüssig ist, so daß die in dem Bindemittel enthaltenen Teilchen sich fein verteilen können und schließlich nach der Verfestigung des Bindemittels in dieser fein verteilten Form bzw. in dem gewünschten Kontakt und Orientierung festgehalten werden. Die fein verteilten Teilchen bestehen aus Metall wie beispielsweise Silber, Aluminium, Chrom, Kupfer und Nickel und Mischungen aus diesen Metallen, wobei diesem Gemisch auch noch Teilchen mit geringerem elektrischen Leitvermögen oder keinem elektrischen Leitvermögen beigemischt werden können. Als Bindemittel dient bei diesem bekannten Widerstandsfilm ein Kunststoff, dessen reaktive Epoxy- und Hydroxylgruppen unter dem Einfluß von Hitze mit organischen Säuren reagieren.

Aus der DT-PS 7 13 635 ist eine elektrisch halbleitende Masse aus durch Beimengung leitender Stoffe wie Graphit, Ruß od. dgl. leitfähig gemachtem elektrischen Isolierstoff bekannt, wobei eine derartige Masse 'iinsichtlich ihrer Leitfähigkeit dadurch verbessert werden kann, daß dieser Masse zusätzlich blättchen- oder drahtförmige Metallteilchen beigemischt werden. Die Leitfähigkeit der Masse kann durch Änderung des Anteils der beigemischten Metallteilchen weitgehend beeinflußt werden. Eine noch weitere Beeinflussung bzw. Erhöhung der Leitfähigkeit in einer bestimmten Richtung kann dadurch erzielt werden, daß durch entsprechende Behandlung wie Walzen od. dgl. für eine Ausrichtung der Metallteilchen in einer bevorzugten Richtung gesorgt wird.

Aus der DT-Anmeldung S 2 3510 VHIc/21g ist schließlich ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung geformter ferromagnetischer Kerne, Halbleiterwiderstände, dieelektrischer Körper od. dgl. bekannt, bei dem das Ausgangsmaterial in Pulverform wie zum Beispiel Masse-Eisenpulver, Ferritpulver oder sonstiges Metalloxydpulver unter Zusatz plastischer Bindemittel im Strangpreßverfahren zu einem Band mit vorzugsweise rechteckigem Querschnitt verarbeitet wird und sodann aus dem Band vor dem Erhärten der Formkörper ausgestanzt, getrocknet gegebenenfalls gehärtet und gesintert wird.

Gemäß diesem bekannten Verfahren sind somit aufwendige Einrichtungen wie eine Strangpresse für die Herstellung von bandförmigen Widerständen erforderlich.

Darüber hinaus wird gemäß diesem bekannten Verfahren der bandförmige Widerstand erst nach der endgültigen Formgebung getrocknet, gehärtet oder gesintert, wobei jedoch seine räumlichen Abmaße verändert werden und man nicht mehr die Möglichkeit hat, einen elektrischen Widerstand mit einer sehr genau definierten Länge entsprechend einem genau definierten Widerstandswert herzustellen. Auch wird gemäß diesem bekannten Verfahren der Formkörper vor dem Aushärten und Sintern in die endgültige Fom geschnitten, was jedoch zur Folge hat. daß durch den Schneidbzw. Stanzvorgang selbst eine Verformung des bandförmigen Grundkörpers herbeigeführt werden kann, so daß dadurch letzten Endes wiederum der Widersiandswert verändert wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein besonders einfach durchführbares Verfahren der eingangs definierten Art zur Herstellung von streifenförmigen elektrischen Widerständen mit ge- -nauen Widerstandswerten zu schaffen, wobei die Widerstände für hohe Stromaufnahme bzw. Leistung geeignet sein sollen.

Ausgehend von dem Verfahren der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) als Pulver aus elektrisch leitenden Teilchen ein Gemisch aus Kohlenstoffpulver und Metallpulver mit dem Pulver aus Polytetrafluorethylen bereitet wird, in welchem der Anteil der Summe aus dem Metall- und dem Kohlepulver weniger als 30 Vol.-% des Polytetrafluoräthylenpulvers beträgt,

b) daß das so erhaltene Gemisch in einer Metallform mit zylindrischem Formhohlraum eingefüllt wird, in dieser verpreßt und der dadurch erhaltene hohlzylindrische Formkörper anschließend gesintert wird, und

c) daß der hohlzylindrische Formkörper sodann an einer sich parallel zu seiner Längsachse erstreckenden Linie spiralförmig mit fortlaufend kleiner werdendem radialen Abstand der Linie von der Längsachse geschnitten wird.

Durch das genannte Mischungsverhältnis zwischen Metall- und Kohlestoffpulver einerseits und dem Polytetrafluoräthylenpulver andererseits wird der Vorteil erreicht, daß der dadurch erhaltene Formkörper eine gewisse Plastizität besitzt, durch die der Schneidvorgang bzw. das Schälen in der angegebenen Weise einfach gestaltet wird bzw. dieser Schälvorgang mit größter Präzision durchgeführt werden kann, so daß man streifenförmige Widerstände mit genauem Widerstandswert pro Längeneinheit erzeugen kann.

Im Gegensatz zu dem Bekannten wird beim erfindungsgemäßen Verfahren der bandförmige Widerstand erst nach dem Sintervorgang und dem Härtevorgang in seine endgültige Form gebracht, so daß seine räumlichen Abmaße unverändert bleiben und man pro Längeneinheit des bandförmigen Elements einen genau definierten Widerstandswert erhält.

Besonders zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 8.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Fließschema zur Veranschaulichung der aufeinanderfolgenden Arbeitsscnritte,

F i g. 2A und 2B Schnittansichten einer Form in verschiedenen Verfahrensschritten gemäß F i g. 1,

F i g. 3A eine perspektivische Darstellung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Widerstandsblocks,

Fig.3B perspektivische Darstellungen von aus dem Widerstandsblock gemäß Fig.3A hergestellte Widerstände,

F i g. 4 Kennkurven eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Widerstands, welche die Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstandswert und dem Verhältnis zwischen Kohlepulver und Metall-

bzw. Kupferpulver im Gemisch mit einem Tetrafluoräthylen-Polymeren veranschaulichen,

F i g. 5A und 5B Schnittansichten einer Form zur Herstellung eines Widerstands mit an ihm ausgebildeten Anschlüssen oder Klemmen,

Fig.6 und 7 perspektivische Darstellungen zur Veranschaulichung zweier verschiedener Verfahren zur Herstellung von Flachwiderständen aus dem nach dem Verfahren gemäß den Fig.5A und 5B hergestellten Widerstandsblock.

Im folgenden sind zunächst die grundsätzlichen Arbeitsschritte des Verfahrens anhand des Fließschemas gemäß Fig. 1 erläutert. Wie in Schritt (a) veranschaulicht, werden zuerst Pulver aus Polytetrafluorethylen (CF2-CF₂)_n, Kohlenstoff und Metall, wie Messing, Silber oder Gold, zubereitet, und diese Pulver werden sodann gemäß Schritt (b) vermischt. Der Prozentsatz des Gemisches aus Kohlenstoff und Metall gegenüber dem Polytetrafluorethylen- bzw. Polymerpulver wird dabei auf weniger als 30 Vol.-% begrenzt. » Im Verfahrensschritt (c) wird dann das so erhaltene Gemisch 10 in eine Metallform 11 (Fig.2A) eingefüllt und sodann verpreßt oder verdichtet, indem durch Kolben 13 ein Druck auf das Gemisch ausgeübt wird. Der verdichtete Körper wird daraufhin aus der Form entnommen und gesintert, so daß ein hohlzylindrischer Widerstandsblock 20 der Art gemäß Fig.3A erhalten wird.

Die beim Verfahren verwendeten Polytetrafluorethylene sind wärmehärtende Kunstharze mit hoher Wärmebeständigkeit und ausreichender Flexibilität. Dieses Polymere läßt sich nach dem Aushärten ohne weiteres durch Schneiden bzw. spanabhebende Bearbeitung verarbeiten. Der Widerstandsblock 20 wird längs seiner Umfangsfläche spiralig geschnitten oder »geschält«, so daß ein lagenförmiger Flachwiderstand 23 der Art gemäß F i g. 3B erhalten wird. Durch Änderung der Dicke des Ringkörpers oder der flachen Lage können Widerstände mit jedem gewünschten Widerstandswert hergestellt werden. Die Strombelastbarkeil oder Stromaufnahme des Widerstands kann ebenfalls durch Änderung seiner Dicke und Länge eingestellt werden.

Da — wie erwähnt — Polytctrafluoräthylen verwendet wird, besitzt der Widerstand ausreichende Flexibilitat, so daß er in Abhängigkeit von der Einbauposition oder von den jeweiligen Betriebsbedingungen gebogen oder verformt werden kann.

Im folgenden ist die Erfindung zum besseren Verständnis anhand von Beispielen naher beschrieben, so

Beispiel 1

Einem Pulver aus Polytetrafluoräthylen wurde ein Gemisch aus Pulvern aus Silber und Kohlenstoff in einem Volumenverhältnis von 8:2 zugesetzt. Das Volumenverhältnis von Silberpulver zu Kohlepulver kann dabei ebenfalls 8:2 betragen. 5% des Silberpulvers besitzen eine Teilchengröße von etwa 0,031 -0.035 mm (250 bis 350 mesh), und der Restanteil besitzt eine Teilchengröße von über etwa 0,035 mm (350 mesh). Das Gemisch wurde etwa 20 min lang in einem Hammermischer gerührt.

Nach dem Einfüllen in eine Form 11 der Art gemäß F i g. 2A wurde das Gemisch unter einem Druck von 630 kp/cm¹ verdichtet, wobei die Geschwindigkeit der 6} Kolben 13 3 mm/min betrug. Nach dem Anhalten der Kolben wurde das Gemisch noch 2 min lang unter Druck gehalten. Der Formkörper wurde sodann aus der Form entnommen und hierauf bei einer Temperatur von 370-380⁰C während einer Zeitspanne von einer Stunde je 25,4 mm radialer Dicke des Sinterkörpers gesintert, wobei der Sinterblock 20 gemäß F i g. 3A erhalten wurde.

Wenn einBand- oder streifenförmiger Widerstand mit einer Dicke von 0,1 mm und einer Breite von 50 mm durch spiraliges Schneiden des Widerstandsblocks auf die in F i g. 3B gezeigte Weise hergestellt wurde, besaß der so gebildete Widerstand einen Widerstandswert von 2,5 Ω/m.

Beispiel 2

Das Verfahren gemäß Beispiel 1 wurde mit dem Unterschied wiederholt, daß das Volumenverhältnis von Silberpulver zu Kohlepulver auf 1 :9 geändert wurde. Hierbei wurde ein streifenförmiger Widerstand mit einem Widerstandswert von 3,5 Ω/m erhalten.

Beispiel.3

Bei diesem Beispiel wurde das Volumenverhältnis zwischen Silberpulver und Kohlepulver auf 6:4 geändert. Die anderen Bedingungen waren die gleichen wie in Beispiel 1. Der hiernach erhaltene Widerstand besaß einen Widerstandswert von 15 Ω/m.

Beispiel 4

Die Verfahrensschritte gemäß Beispiel 1 wurden mit dem Unterschied wiederholt, daß das Volumenverhältnis zwischen Silberpulver und Kohlepulver auf 2:8 geändert wurde. Dabei wurde ein Widerstand mit einem Widerstandswert von 136 Ω/m erhalten.

In F i g. 4 gibt die Abszisse den Volumen-Prozentsatz der dem Polytetrafluoräthylen-Polymeren zugesetzten Substanz und die Ordinate den Widerstandswert des erhaltenen Widerstands an. Die Kurven a und b zeigen die Eigenschaften der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Widerstände. Die Kurve α wurde bei Änderung der Menge an Kohlepulver bei gleichzeitiger Aufrcchterhaltung der Menge an Metallpulver auf 5 Vol.-% erhalten, während die Kurve b das Ergebnis der Änderung der Menge an Metallpulver bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Kohlepulvcrmenge auf 5 Vol.-% zeigt. Die Teilchengrößen des Kohlenstoffs und des Metalls sowie die anderen Fertigungsbedingungen waren die gleichen wie in Beispiel 1, nur mit dem Unterschied, daß mit 3% Silber plattierte Kupferteilchen verwendet wurden. Die Kurve c zeigt die Eigenschaften eines Widerstands aus einem Gemisch aus Tetrafluorethylen-Polymeren und Kohlepulver, jedoch ohne Metallpulver, während die Kurve d die Eigenschaften eines Widerstands aus Polytetrafluoräthylen· und Kupferpulver, aber ohne Kohlepulver veranschaulicht. Diese Kurven verdeutlichen, daß sich der Widerstandswert des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Widerstands bei variierenden Mengen an Kohlenstoff und Metall gleichmäßig ändert. so daß Widerstände hergestellt werden können, deren Widerstandswert sich über einen weiten Bereich hinweg gleichmäßig ändert.

F i g. 5 veranschaulicht ein abgewandeltes Verfahren, bei dem beim Formpressen des Widerstandsblocks aus einem Gemisch aus Polytetrafluoräthylen, Kohlepulver und Metallpulver — wie erwähnt - gleichzeitig die Anschlüsse oder Klemmen am Widerstandsblock angeformt werden. Die Anschlüsse selbst werden dabei aus einem Gemisch eines Polytetrafluoräthylenpulvers und eines Pulvers aus einem elektrisch gut leitenden

Metall, wie Kupfer. Gold oder Silber, gebildet. Gemäß I ig.5Λ wird zunächst ein Gemisch zur Bildung eines Anschlusses in eine Metallform 21 eingegeben, worauf ein Gemisch 22 zur Bildung des Widerstands auf das Gemisch 20 eingefüllt wird. Schließlich wird ein s Gemisch 23 zur Ausbildung des anderen Anschlusses auf das Gemiseh 22 geschüttet. Nach dem Verdichten mittels Kolben 24 auf die in I·' i g. 51) gezeigte Weise wird der Formkörper gesintert. Durch Schneiden, d. h. »Schälen« des so erhaltenen Widcrstandsblockes längs seines Umfangs kann ein slreifcnförmiger Widerstand 28 erhalten werden, der längs seiner beiden Kanten Klemmen oder Anschlüsse 26 und 27 aufweist.

Zur Ausbildung der Anschlüsse 2b und 27 wird das Verhältnis zwischen dem Metallpulver und dem Polytctrafluoräthylcn auf mehr als 12% eingestellt. Bei diesem Mischungsverhältnis wird ein spezifischer Widersland von etwa 0,03 Ω/cm erzielt.

Die Bedingungen beim Formpressen und Sintern sind die gleichen wie bei der Herstellung des Widerstands selbst.

Bei dem vorstehend in Verbindung mit den F i g. 5 und b beschriebenen Verfahren ist es möglich, die Anschlüsse gleichzeitig mit der Herstellung des Widerstandsblocks auszubilden und mit Anschlüssen versehene Widerstände durch einfaches spiraliges Aufschneiden bzw. »Schälen« des Widerstandsblocks herzustellen. Da hierbei die Anschlüsse materialeinhcitlieh am Widerstand angeformt sind, kann der Koniaktwiderstand zwischen den Anschlüssen und dem Widerstand selbst erheblich vermindert werden, wodurch eine Frwärmung des Kontaklbcrcichs vermieden wird.

Beim abgewandelten Ausführungsbeispiel gemäli I"ig.7 wurden zwei Widerstände 30 und 31 mit zwei randseitigen Anschlüssen 32 und 34 sowie einen mitileren Anschluß 33 nach einem ähnlichen Verführer wie demjenigen gemäß den F i g. 5Λ und 5B hergestellt Der mittlere Anschluß 33 kann sich dabei in cinei beliebigen Zwischenstellung befinden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines streifenförmigen elektrischen Widerstandes, unter Verwendung eines Pulvers aus Polytetrafluoräthylen und eines Pulvers aus elektrisch leitenden Teilchen, wie beispielsweise Kohlenstoffpulver oder Metallpulver, mit einem Anteil von 4 bis 25 Gew.-% der leitfähigen Teilchen an der Gesamtmasse, die gemischt werden und anschließend in eine Metallform eingefüllt und dann unter einem Druck von 600 bis 700 kp/cm² verpreßt werden, wobei der dabei erhaltene Formkörper bei einer Temperatur zwischen 320 und 390⁰C gesintert und anschließend zu Widerstandselementen weiter verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) als Pulver aus elektrisch leitenden Teilchen ein Gemisch aus Kohlenstoffpulver und Metallpulver mit dem Pulver aus Polytetrafluoräthylen bereitet wird, in welchem der Anteil der Summe aus dem Metall- und dem Kohlepulver weniger als 30 Vol.-% des Polytetrafluoräthylenpulvers beträgt,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Kupfer, Silber, Gold oder Messig verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein flockenförmiges Metallpulver verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper nach dem Verpressen während einer vorbestimmten Zeitspanne weiterhin dem Formdruck ausgesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein erstes Gemisch aus einem Polytetrafluoräthylenpulver, einem Kohlepulver und einem Metallpulver zubereitet wird, bei welchem der Anteil der Summe aus Kohlenstoff und Metall weniger als 17 Vol.-% des Polytetrafluoräthylens beträgt, daß sodann ein zweites Gemisch aus einem Polytetrafluoräthylenpulver und einem Pulver eines elektrisch leitfähigen Metalls zubereitet wird, und das erste und das zweite Gemisch in einer vorbestimmten Reihenfolge in die Metallform eingefüllt und unter Druck verpreßt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an elektrisch leitfähigem Metall im zweiten Gemisch auf höchstens 12 Vol.-%, bezogen auf die Menge an Polytetrafluoräthylen, eingestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das zweite Gemisch, sodann das erste Gemisch und schließlich wieder das zweite Gemisch in die Form eingefüllt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das zweite, dann das erste, dann wieder das zweite, darauf wieder das erste und schließlich wieder das zweite Gemisch in die Form eingefüllt werden.