DE4242368A1 - Widerstandsmaterial und daraus hergestellter Widerstand - Google Patents

Widerstandsmaterial und daraus hergestellter Widerstand

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Description

Die Erfindung betrifft ein Widerstandsmaterial mit einem abhängig vom elektrischen Stromdurchfluß sich verändern­ den Widerstandsverhalten und einen unter Verwendung dieses Widerstandsmaterials hergestellten Widerstand.
Es sind sich selbst regulierende elektrische Widerstände bekannt, die auf dem Prinzip des PTC-Widerstandsverhaltens basieren (PTC = positiver Temperatur Koeffizient). Bei solchen Widerständen ist zumeist ein organisches Polymer­ material mit leitfähigen Partikeln gefüllt. Diese Wider­ stände erhöhen bei Überschreitung eines bestimmten Betriebsstromes sprunghaft ihren Widerstandswert und eignen sich daher als strombegrenzende bzw. stromunter­ brechende Bauteile. Die Funktion der sprunghaften Widerstandserhöhung wird zur Zeit in der Literatur als Resultat der Wärmedehnung des Polymermaterials bei erhöhtem Stromfluß und einer dadurch hervorgerufenen Unterbrechung der Leiterkette aus sich berührenden, stromleitenden Partikeln beschrieben (PTC-Verhalten).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Widerstands­ materialien zu entwickeln und nachzuweisen, welche abhängig vom elektrischen Stromdurchfluß selbstregulie­ rend wirksam sind und bei einem vorbestimmten erhöhten Stromdurchfluß sprunghaft ihren spezifischen elektrischen Widerstand erhöhen, sowie die Herstellung von Wider­ ständen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Wider­ standsmaterials, insbesondere als selbsttätig strom­ begrenzende oder stromunterbrechende Bauelemente zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Widerstandsmaterial mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen Widerstand mit den Merkmalen des Anspruchs 24 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Widerstandsmaterial nutzt ein für den genannten Zweck bisher nicht erkanntes Stoffgemisch und unterliegt somit einem völlig neuartigen Prinzip. Bei dem Gemisch aus einem piezoelektrisch wirksamen Stoff und einem elektrisch leitfähigen Stoff handelt es sich um ein elektrisches Widerstandsmaterial, dessen spezifische Leitfähigkeit vor Ausführung seiner eigentlichen Funktion maximal etwa im Bereich des 0,8fachen der spezifischen Leitfähigkeit des zu seiner Herstellung anteilig verwendeten Leitermaterials liegt. Durch Minderung des Anteils an Leitermaterial im Stoff­ gemisch des Widerstandsmaterials läßt sich dessen spezifische Anfangsleitfähigkeit beliebig absenken. Wird das Widerstandsmaterial von Strom durchflossen, kommt es ab einer bestimmten Stromschwelle zur Ausführung der strombegrenzenden Eigenschaft und die Leitfähigkeit bewegt sich bis zu einem Bereich, der für Isolatoren gilt. Die strombegrenzende Reaktionszeit liegt, abhängig von der Ausführungsform und Größe des Widerstandskörpers und insbesondere von der Kristallkorngröße der im Widerstandsmaterial anteilig enthaltenen piezoelektrischen Substanz, weit unterhalb 250 Microsekunden und geht bis in den Bereich unterhalb einer Nanosekunde. Bei einem aus dem erfindungsgemäßen Widerstandsmaterial herge­ stellten Widerstand handelt es sich um ein strombegren­ zendes Bauelement, dessen Funktion von einem PTC-Verhal­ ten unabhängig ist. Das Widerstandsmaterial arbeitet auch bei Erwärmung erfindungsgemäß bis nahe der Curie- Temperatur des zu seiner Herstellung anteilig verwendeten piezoelektrischen Stoffes.
Die Erfindung und die Funktion des besonderen Wirkungs­ prinzips wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.
Das Widerstandsmaterial besteht aus einem Stoff, der über piezoelektrische Eigenschaften verfügt, beispielsweise Bariumtitanat (IV) - Pulver, und einem leitfähigen Stoff, beispielsweise Kupfer - Pulver. Diese beiden Stoffe in Pulverform mit etwa gleicher Teilchengröße werden ungefähr im Verhältnis 1 : 1 gemischt und sodann zu einem Widerstandskörper geformt, beispielsweise durch Verdichtung. In einem solchen Widerstandskörper liegen die Teilchen der beiden Ausgangsstoffe so nebeneinander, daß die elektrisch leitfähigen Teilchen sich untereinan­ der berühren und diese auch die piezoelektrisch wirksamen Teilchen teilweise oder ganz umschließen.
Eine solche Anordnung der Teilchen ist lediglich schematisch in der einzigen Figur gezeigt, wobei die flächenhafte statt der räumlichen Anordnung zur Erklärung des Funktionsprinzips nebensächlich ist.
Mit L sind elektrisch leitende Teilchen bezeichnet, die ein Teilchen mit piezoelektrischen Eigenschaften PZ umgeben. Fließt ein Strom 1 durch den Widerstandskörper, so entsteht ein Spannungsabfall ΔU entlang der leitenden Teilchen L über eine wirksame Mindestweglänge, die der streckenmäßigen Ausdehnung des benachbarten piezoelek­ trischen Kristallits PZ entspricht. Dieser Spannungs­ abfall erzeugt den reziproken piezoelektrischen Effekt im bezeichneten Kristallit PZ, wodurch ein mechanisch induzierter piezoelektrischer Effekt unter Ausbildung eines elektrischen Polarisationsfeldes hoher Feldstärke auftritt. Durch die Wirkung dieses Feldes in der Umgebung der Piezo-Kristallite PZ werden in den angrenzenden Leiterteilchen L Elektronen aus den inneren Schalen der Leiteratome in deren Valenzorbitale gehoben, womit eine Auffüllung des Leitfähigkeitsbandes einhergeht, so daß ein Nichtleiter resultiert.
Der in dieser Erfindung vorgestellte Widerstand funktio­ niert also nach einem insgesamt neuartigen Mechanismus, der hier mit Elektro-Mechanischer-Feld-Mechanismus (EMF) bezeichnet sei; der Widerstand wird bei einem bestimmten Stromdurchfluß sprunghaft zum Nichtleiter und verfügt daher über besonders gute strombegrenzende Eigenschaften.
Nach Rücknahme der am hochohmig gewordenen Widerstands­ material anliegenden Spannung auf einen Wert, der dem Spannungsabfall am Widerstandsmaterial beim Betrieb vor Ausführung der strombegrenzenden Funktion entspricht, stellt sich der Ausgangszustand guter Leitfähigkeit nach Sekunden bis Minuten wieder ein. Während dieser Relaxationszeit findet im Widerstandsmaterial ein Ausgleich der Polarisationsladungen innerhalb der piezoelektrischen Kristallite statt.
Stoffe die über piezoelektrische Eigenschaften verfügen, sind zum Beispiel Bariumtitanat (IV), ganz allgemein Ferroelektrika mit Perowskit-Struktur, Quarz, Turmalin, ganz allgemein Kristalle oder in Stoffen befindliche Bereiche geordneter Molekülstruktur, die über kein Symmetriezentrum verfügen bzw. deren Gitter polare Achsen aufweist, teilkristalline Gläser, sowie Oxidkeramiken,deren kristalline Bereiche bei der Herstellung willkürlich verzerrt wurden. Stoffe mit elektrisch leitfähigen Partikeln sind zum Beispiel Metalle, intrinsisch leit­ fähige Polymere wie Polypyrrol, verkohlte Polymere wie "Black Orlon", Ruß und homologe Kohlenstoffaggregate.
Die Stoffe werden gleichmäßig miteinander vermischt und unter Anwendung von Druck zu einem Körper verdichtet, oder zu einem Körper erschmolzen oder dazu versintert. Der Zusammenhalt kann auch unter Zusatz eines Binders bewirkt oder verstärkt werden, so daß ein Widerstands­ körper entsteht, der mit zwei Elektroden versehen wird. Die Elektroden können dann vom Körper umschlossen sein oder ihn teilweise umschließen, oder permanent an diesen Körper gedrückt werden. Sie können weiterhin mit leitfähigem Klebstoff am Widerstandskörper befestigt oder durch anschmelzen damit verbunden sein. Auch durch zusammendrücken der Mischung in Pulverform können flächen­ hafte Elektroden über diese Mischung leitend verbunden werden. Auch können zwei Elektroden gemäß der vorgenannten Konfigu­ rationen kapazitiv, d. h. über eine isolierende Schicht angeschlossen werden, so daß über den Widerstand nur ein Wechselstrom fließen kann.
Die gewünschte Funktion des Widerstandes bezüglich Spannungs/Strom-Kennlinie und Verlustleistung ist durch das Mischungsverhältnis zwischen piezoelektrischem Material und elektrischem Leitermaterial, sowie deren jeweilige Kristallit- bzw. Teilchengrößen einstellbar. Im Falle der Druckverfesti­ gung der Mischung ist die vorgenannte Funktion auch durch den Verfestigungsdruck, der in der Regel ein Zusammenfließen des Leitermaterials bewirkt, einzustellen.
Die vorliegende Erfindung läßt die Herstellung von selbsttätig strombegrenzenden bzw. stromunterbrechenden Bauteilen für voraussichtlich sämtliche der in der Elektroindustrie gefertigten Stromverbraucher zu. Die Anwendung des beschriebe­ nen, neuartigen Wirkungsprinzips dürfte auch zur Herstellung aktiver Bauelemente bis zu höchsten Frequenzen dienen.
Auch die Herstellung eines Hochtemperatur-Supraleiters größer 20°C dürfte nach dem hier beschriebenen neuartigen (EMF) Prinzip, der Erzeugung in mikros­ kopischen Abständen aufeinanderfolgender starker Polarisationsfelder entlang eines Stromleiters, gelingen.

Claims (30)

1. Widerstandsmaterial mit einem abhängig vom elektri­ schen Stromdurchfluß sich verändernden Widerstandsver­ halten, gekennzeichnet durch ein Gemisch von zumindest zwei Stoffen, von denen der eine Stoff über piezoelek­ trische Eigenschaften verfügt und der andere Stoff elektrisch leitende Eigenschaften aufweist, und Teilchen beziehungsweise Körner der beiden Stoffe in dem Gemisch derart verteilt nebeneinander vorliegen, daß über die elektrisch leitenden Teilchen nach Verdichtung des Gemisches ein Strom fließen kann, und diese die piezo­ elektrisch wirksamen Teilchen ganz oder teilweise umschließen.
2. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen Eigenschaften ein Titanat, beispielsweise Bariumtitanat (BaTiO3 (IV)) ist.
3. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen Eigenschaften ein Zirkonat, beispielsweise Bleizirkonat (PbZrO3) ist.
4. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen Eigenschaften ein Niobat, beispielsweise Bariumniobat (BaNbO3) ist.
5. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen Eigenschaften ein Stannat, beispielsweise Bleistannat (PbSnO3) ist.
6. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen Eigenschaften ganz allgemein ein kristalliner Stoff mit Perowskit-Struktur, beispielsweise aus chemischen Verbindungen der Formel ABO3 mit A = Pb, Ca, Ba und B = Ti, Zr, Nb, Sn ist.
7. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen Eigenschaften eine chemische Verbindung des Typs MII 2MIIIRuO6 mit mII = Element der 2. Hauptgruppe und MIII = Element der 3. Hauptgruppe des Periodensystems, beispielsweise Ba2LaRuO6 ist.
8. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen Eigenschaften ganz allgemein polykristallin ist und dessen Kristalle oder Zonen mikroskopischer Fernordnung über kein Symmetriezentrum verfügen.
9. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen Eigenschaften ein natürliches oder synthetisches Mineral, beispielsweise Quarz oder Turmalin ist.
10. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen Eigenschaften eine Oxidkeramik ist.
11. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen Eigenschaften eine Oxidkeramik, der die piezoelektri­ schen Eigenschaften bei der Herstellung willkürlich aufgeprägt wurden, beispielsweise eine Blei-Zirkonat- Titanat enthaltende Keramik, ist.
12. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen Eigenschaften ein Phosphat, beispielsweise Kalium­ dihydrogenphosphat (KH2PO4) ist.
13. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen Eigenschaften ein Salz, dessen Kristalle über kein Symmetriezentrum verfügen, beispielsweise Lithiumsulfat oder Ethylendiamintartrat, ist.
14. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen Eigenschaften ganz allgemein kristallin ist und dessen Kristallgitter polare Achsen aufweist.
15. Widerstandsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den piezoelektrischen Eigenschaften ganz allgemein ein teilkristallines Glas mit einem kristallinen Anteil von mindestens 10% ist.
16. Widerstandsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den elektrisch leitenden Eigenschaften ein Metall, beispielsweise Kupfer, Silber, Aluminium, Zinn, Blei ist.
17. Widerstandsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den elektrisch leitenden Eigenschaften eine Metallegierung, beispielsweise Zinn/Blei oder Kupfer/Zink ist.
18. Widerstandsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den elektrisch leitenden Eigenschaften eine n-dotierte organische Metallkomplexverbindung, beispielsweise ein Metallo-Porphyrin ist.
19. Widerstandsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den elektrisch leitenden Eigenschaften eine metallorganische Verbindung, beispielsweise ein oligomeres oder polymeres Butylantimonid ist.
20. Widerstandsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den elektrisch leitenden Eigenschaften ein n-leitend dotierter Halbleiter, beispielsweise n-leitend dotiertes Germanium ist.
21. Widerstandsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den elektrisch leitenden Eigenschaften ein intrinsisch leitendes Polymer, beispielsweise Polypyrrol ist.
22. Widerstandsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den elektrisch leitenden Eigenschaften ein verkohltes Polymer, beispielsweise "Black-Orlon" ist.
23. Widerstandsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit den elektrisch leitenden Eigenschaften ein Ruß oder Graphik oder homologes molekulares Kohlenstoffaggregat oder ganz allgemein leitfähiger Kohlenstoff ist.
24. Elektrischer Widerstand mit abhängig vom Strom­ durchfluß sich sprunghaft änderndem Widerstandswert, gekennzeichnet durch die Verwendung des Widerstands­ materials nach einem der Ansprüche 1 bis 23, in welchem die gleichmäßig durchmischten Stoffteilchen des Widerstandsmaterials zu einem Körper mit ausreichender Festigkeit verbunden sind und der Körper seinerseits mit zwei Elektroden für den elektrischen Stromanschluß versehen ist.
25. Widerstand nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffteilchen des Widerstandsmaterials unter Anwendung von Druck zu einem Körper verdichtet sind.
26. Widerstand nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffteilchen des Widerstandsmaterials zu einem Körper verschmolzen sind.
27. Widerstand nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffteilchen des Widerstandsmaterials zu einem Körper versintert sind.
28. Widerstand nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffteilchen des Widerstandsmaterials unter Zusatz eines Bindemittels zusammengehalten oder in ihrem Zusammenhalt verstärkt sind.
29. Widerstand nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffteilchen des Widerstandsmaterials zwischen zwei flächenhaften Elektroden, die federnd gegeneinander drücken, permanent zusammengedrückt werden.
30. Widerstand nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffteilchen des Widerstandsmaterials unter Zusatz eines Bindemittels und Anwendung von Druck zu einem Körper verdichtet sind.
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