DE60020602T2

DE60020602T2 - Elektroleitender Verbundwerkstoff, Verfahren zur Herstellung dieses Verbundwerkstoffes und Verwendung dieses Verbundwerkstoffs

Info

Publication number: DE60020602T2
Application number: DE60020602T
Authority: DE
Inventors: Vladimir Nikolaevich Filatov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2020-03-25
Also published as: DE60020602D1; AU2434100A; ATE296788T1; WO2001047826A1; EP1248749A1; AU3963900A; EP1248749B1; PT1248749E; ES2240084T3; WO2001047825A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrisch leitfähigen, geflochtenen Verbundwerkstoff, der eine hochtemperaturresistente Substanz umfasst, die mit einer Kohlenstoffschicht bedeckt ist, und auf ein Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs.
Es sind viele verschiedene Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche nichtmetallischer Substanzen (z.B. Glas, Keramik, Quarz usw.) mit einer Kohlenstoffschicht oder mit einer Schicht einer Kohlenstoffverbindung bekannt, welche Kohlenstoff als einen Hauptbestandteil oder als ein Zusatzelement der Verbindung enthält.
Es ist ein Verfahren zum Aufbringen einer Kohlenstoffbeschichtung durch thermisches Zersetzen eines organischen Materials zum Bilden von Kohlenstoff als einem festen Zersetzungsprodukt bekannt, bei dem die Zersetzung üblicherweise innerhalb eines porösen Körpers oder an einem porösen Körper durchgeführt wird, nachdem der Körper mit einem geeigneten organischen Material imprägniert wurde ( US 2,556,616 ). Dieses Verfahren wird oft als Grundverfahren zur Herstellung eines Festkörper-Kohlenstoffwiderstandes verwendet.
Als Alternative hierzu kann das zersetzte Material auch ein Kohlenwasserstoffgas sein ( US 2,057,431 oder US 2,487,581 ), aus dem die einen Körper umgebende Atmosphäre mindestens teilweise besteht. Im vorliegenden Fall dient ein Körper als ein Substrat, und der Kohlenstoff wird je nach der Eigenschaft des Substratkörpers in den Poren oder auf der Oberfläche abgelagert. Wo ein Substrat mit einer glatten Oberfläche eingesetzt wird, ist dieser Vorgang die Grundlage von mit Kohlenstoff beschichteten Widerständen. In der Regel ist nach einer thermischen Zersetzung abgelagerter Kohlenstoff in der Form von Partikeln, hat eine relativ niedrige Anhaftungskraft und muss daher physisch geschützt werden. Außerdem ist bei der Verwendung einer gasförmigen Kohlenwasserstoffatmosphäre besondere Sorgfalt geboten, weshalb es oft als für ein industrielles Herstellungsverfahren nicht praktikabel eingeschätzt wird.
Das US-Patent Nr. 4,210,431 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer glasartigen Kohlenstoffbeschichtung auf höchst feuerfesten Substanzen (z.B. Glas oder Keramik). Gemäß diesem Verfahren erfolgt die Ausbildung einer Kohlenstoffbeschichtung dadurch, dass das Substrat, während es heiß ist, mit einem organischen Material (wie zum Beispiel Parafin, Wachse, Olefine, Aromaten, Glykol, Teere und Asphalt) in flüssiger Form in Kontakt gebracht wird. Als ein hauptsächliches Anwendungsgebiet ist die Herstellung von Lichtleitersystemen zu nennen.
Außerdem ist auch die Züchtung dünner C60-Schichten auf Metallsubstraten, insbesondere auf mit Silber oder Gold beschichteten Glassubstraten bekannt. Die dünnen C60-Schichten weisen einen hohen Grad der texturierten Kristallinität auf, wobei eine Abscheidung im Vakuum mit einer hohen Abscheidungsrate, bei einer beträchtlichen Temperatur aufrecht erhalten wird. Ein bekanntes Verfahren gemäß dem US-Patent Nr. 5,876,790 verwendet ein Vakuumverdampfungssystem, bei dem ein Metallsubstrat bei einer hohen Temperatur während einer Abscheidung von C60 auf das Substrat bearbeitet wird. Die dünnen C60-Schichten werden als aktive Schichten in elektronischen Vorrichtungen, wie zum Beispiel Transistoren, Fotovoltaikzellen, Solarzellen, integrierten Schaltkreisen, Sensoren, Lichtemissionsvorrichtungen, Vorrichtungen für die Elektrofotografie, magnetischen Aufzeichnungsscheiben und Supraleitern verwendet.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen Verbundwerkstoff bereitzustellen, der eine Kohlenstoffschicht oder Kohlenstoffverbindungsschicht, wie in Anspruch 1 definiert, verwendet.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines neuen Verbundwerkstoffs bereitzustellen, wie in 7 definiert, das eine beträchtliche Verbesserung der technischen und wirtschaftlichen Eigenschaften des Herstellungsverfahrens sowie eine wesentliche Steigerung der Qualität des Endprodukts erlaubt.
Auch ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wie in Anspruch 4 definiertes Hochspannungskabel zu offenbaren.
In der vorliegenden Erfindung wird der Begriff Kohlenstoff so verwendet, dass er sowohl Kohlenstoff als auch Kohlenstoff als ein Hauptelement enthaltende Verbindungen bedeutet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden elektrisch leitfähige Verbundwerkstoffe zum Ausbilden eines mehrere Fasern enthaltenden Fadens mit zwei oder mehr Fasern verwendet, wobei die Fasern, die aus Substanzen hergestellt sind, die hohen Temperaturen, z.B. Temperaturen von 600°C, vorzugsweise von 1000°C widerstehen, des Fadens, mit einer dünnen Kohlenstoffschicht bedeckt sind. Als ein Beispiel dieser hochtemperaturresistenten Substanzen, die zur Herstellung der Fasern verwendet werden, können Werkstoffe wie zum Beispiel Quarz, Basalt oder Asbest genannt werden. Zwei oder mehr dieser Fäden können eine Flechte bilden. Jede Kohlenstoffschicht hat ein spiegelartiges Aussehen und bildet um jede Faser eine schlauchartige Ummantelung. Die Flechte kann ein schraubenförmiges System von Kohlenstoffschläuchen bilden. Die Kohlenstoffschichten können die Struktur eines Kohlenstoff-Molekül-Gitterkäfigs, wie zum Beispiel Strukturen, die auch als Fullerene bezeichnet werden, aufweisen.
Der elektrisch leitfähige Verbundwerkstoff kann dadurch hergestellt werden, dass man ein Substrat, das aus den Substanzen hergestellt ist, die hohen Temperaturen widerstehen können, durch eine Heizvorrichtung, insbesondere durch eine aktive Zone eines Ofens bei einer geeigneten Temperatur von ungefähr 800° bis 1200°C laufen lässt und den Kohlenstoff auf dem hochtemperaturresistenten Substrat in der aktiven Zone des Ofens ablagert. Eine Kohlenstoff enthaltende Substanz, wie zum Beispiel eine organische Verbindung von Öl, Torfextrakt oder Erdölextrakt wird vor der Erwärmung auf das hochtemperaturresistente Substrat aufgebracht. Das hochtemperaturresistente Substrat kann die Form einer Flechte aufweisen. Geeignete Strukturen für das hochtemperaturresistente Substrat, das vorzugsweise ein Quarzsubstrat ist, und den elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff sind auch solche, die aus der Textilindustrie bekannt sind, d.h. eine beliebige geeignete Anzahl von Fäden, die in einer beliebigen geeigneten Art und Weise verdrillt und/oder miteinander verflochten sind. Die abzulagernde Kohlenstoffmenge kann durch die Geschwindigkeit des Hindurchführens des hochtemperaturresistenten Substrats durch die Heizvorrichtung, insbesondere durch die aktive Zone, sowie durch das Laden der organischen Verbindung oder durch die Temperatur in der aktiven Zone oder durch die Konzentration der organischen Verbindung geregelt werden, wodurch Eigenschaften, wie zum Beispiel die elektrische Leitfähigkeit, variiert werden können.
Es wird hierbei darauf hingewiesen, dass die Existenz der aktiven Zone im Ofen ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung darstellt. Die strukturellen Merkmale der aktiven Zone bestimmen wesentlich die thermodynamischen und hydrodynamischen Bedingungen für einen Verdampfungsvorgang insbesondere bei der Zersetzung von Kohlenstoff aus der organischen Verbindung, sowie für einen Zersetzungsvorgang von Kohlenstoff auf dem hochtemperaturresistenten Substrat.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist erfindungsgemäß das Aufbringen der genannten elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffe, zum Beispiel des Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoffs als ein elektrisch leitfähiges Element eines Spannungskabels, am günstigsten als ein Kernelement in einem Widerstands-Hochspannungskabel. Ein solches Hochspannungskabel kann zum Beispiel im Zündsystem eines Verbrennungsmotors zum Einsatz kommen. Das Hochspannungskabel kann Temperaturen standhalten, die wesentlich höher als der herkömmliche Temperaturschwellenwert von 100° – 200°C sind. Während diese höhere Temperatur ein wichtiges Qualitätskriterium für ein derartiges Hochspannungskabel ist, wird auch die Oberflächenglätte der leitfähigen Schicht erhöht. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hochspannungskabeln hat der Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung eine ideal glatte, spiegelartige Oberfläche ihrer leitfähigen Schicht. Da auf der Oberfläche keine Erhebungen oder scharfen Spitzen existieren, werden keine Ströme erzeugt, die sich auf die Deckschicht des Kabels nachteilig auswirken würden.
Nicht zuletzt wird am Hochspannungskabel gemäß der vorliegenden Erfindung, genauer am elektrisch leitfähigen Element eines solchen Kabels, keine Polymerisation oder Sinterung durchgeführt, welche die Leitfähigkeitseigenschaften des Kabels nachteilig beeinflussen könnten.
Es folgt eine Beschreibung eines Aspekts der vorliegenden Erfindung im Einzelnen. Dem Erfinder der vorliegenden Erfindung ist es gelungen, elektrisch leitfähige Verbundwerkstoffe, insbesondere Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoffe in der Form einer Flechte herzustellen. Die Flechte, die einen Durchmesser von ungefähr einem Millimeter aufweisen kann, ist aus mehreren Quarz- oder Siliziumdioxidfäden zusammengesetzt. Die Flechte wird durch einen noch zu beschreibenden technischen Vorgang mit einer spiegelartigen Kohlenstoffschicht bedeckt. Es wird darauf hingewiesen, dass der Kohlenstoff aufgrund des eingesetzten technischen Verfahrens, auch wenn er auf die Flechte insgesamt angewendet wird, auf jeder Faser der Fäden einzeln abgeschieden wird. Auf diese Weise bildet die Kohlenstoffstruktur ein schraubenförmiges System dünner Kohlenstoffröhren. Dies verringert die Emission von Radiowellen mit Frequenzen von 30 – 1000 MHz beträchtlich.
Es hat sich herausgestellt, dass die Kohlenstoffschichtstruktur zur Familie der Kohlenstoffmolekülgitter-Käfigstrukturen gehören kann, die als Fullerene bezeichnet werden. Solche Kohlenstoffmolekül-Cluster sind zur Ausformung röhrenförmiger "Bucky-Röhren"-Fasern fähig. Solche Fasern haben eine fast perfekte Molekülstruktur und sind chemisch stabiler als andere derzeit bekannte Fasern, insbesondere findet bei ihnen keine Polymerisation statt, wenn sie elektrischen Strom leiten.
Die Forschung an Fullerenen in den letzten fünf Jahren hat eine große Anzahl von Ausnahmeerscheinungen bei den mechanischen, chemischen, magnetischen und elektrischen Eigenschaften ergeben, einschließlich der Tatsache der sogenannten Hochtemperatur-Supraleitfähigkeit. Das Kristallgitter der Fullerene kann schrauben-röhrenförmig sein, wofür es bei organischen Verbindungen keine Vorbilder gibt.
Es folgt eine Beschreibung eines möglichen Verfahrens zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffs, zum Beispiel des Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoffs. Eine Flechte oder Kordel aus hochtemperaturresistenten Fasern, in diesem Beispiel Quarzfasern, wird in herkömmlicher Art und Weise hergestellt. Die Anzahl der Fasern und/oder der Fäden, die zur Herstellung der Flechte oder Kordel verwendet werden, sowie die Textileigenschaften werden von den Bedingungen des technischen Prozesses und/oder durch die Anforderungen an das Endprodukt bestimmt. Dann führt man die Flechte durch ein Bad einer organischen Verbindung und hiernach durch ein Rohr, das in einem Ofen so angeordnet ist, dass es die aktive Zone des Ofens bildet. Die organische Verbindung kann ein Öl, ein Ölextrakt, ein Torfextrakt, zum Beispiel Torfwachsteer oder eine Lösung dieser Substanzen in einem geeigneten Lösungsmittel, zum Beispiel Xylen, Ölxylen oder Toluol sein. Die organische Verbindung oder die Lösung der organischen Verbindung im Lösungsmittel wird mit dem hochtemperaturresistenten Material, zum Beispiel dem Quarzsubstrat, in Kontakt gebracht, und der Kohlenstoff wird bei einer geeigneten Temperatur von ungefähr 800 – 1200°C darauf zersetzt. Der Kohlenstoff wird auf die Oberfläche der hochtemperaturresistenten Fasern abgeschieden, die ein Quarzsubstrat sein können, wodurch er hierauf in der Form einer Schicht kristallisiert.
Die abzulagernde Kohlenstoffmenge kann durch die Auswahl der Durchlaufgeschwindigkeit des Quarzsubstrats oder durch die Auswahl der Konzentration der Verbindung oder durch Variieren der Temperatur in der Heizvorrichtung, insbesondere in der aktiven Zone des Ofens, variiert werden. Bei diesem Verfahren ist es möglich, die physikalischen Eigenschaften der elektrischen Leitfähigkeit des Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoffs in einem großen Bereich zu variieren. Der Erfinder hat herausgefunden, dass der erfindungsgemäße Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoff zur Konstruktion eines Kabels besonders geeignet ist.
Es gibt seit langem den Bedarf, Hochspannungskabel in Zündsystemen von Verbrennungsmotoren vorzusehen. Die hohe Temperaturbeständigkeit solcher Kabel sowie ein niedriger Pegel von Hochfrequenzemissionen sind die wichtigsten Qualitätskriterien eines solchen Kabels.
Der Temperaturschwellenwert eines Kabels hängt meist von den Eigenschaften der leitfähigen Schicht ab. Die erfindungsgemäße Kohlenstoff-Quarz-Verbindung hält einer Temperatur von bis zu 800°C und mehr stand.
Herkömmliche leitfähige Schichten eines Hochspannungskabels werden durch die Aufbringung eines Graphits auf Polyvinyl- oder Glasfäden hergestellt. Die jeweiligen Verbindungen können keiner höheren Temperatur als 200°C standhalten. Im Gegensatz hierzu sind erfindungsgemäße Proben unter der Verwendung herkömmlicher Polymere und der elektrisch leitfähigen Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber einer wesentlich höheren Temperatur als 200°C beständig. Unter der Verwendung modernster Polymere hat ein Kabel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Wärmebeständigkeit von 500 – 600°C.
Ein zweites Qualitätskriterium eines Hochspannungskabels ist die Oberflächenglätte der auf dem Substrat aufgetragenen leitfähigen Schicht. Herkömmliche Kabel werden durch das Aufbringen einer Dispersion (einer Graphit enthaltenden Mischung) auf einem Träger, gefolgt von der Polymerisation der Mischung hergestellt. Die leitfähige Mischung wird vom Träger aufgesogen. Bei diesem Verfahren entstehen vorstehende Teile oder Spitzen auf der Oberfläche der leitfähigen Schicht, die Foucault-Ströme erzeugen, die sich schädlich auf die Deckschicht des Kabels auswirken. Im Gegensatz hierzu hat der erfindungsgemäße Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoff eine ideal glatte, spiegelartige Oberfläche der leitfähigen Schicht.
Ein drittes Qualitätskriterium für ein Kabel ist die Lebensdauer. Hochspannungskabel bekannter Konstruktion erfahren bei der Leitung von Strom eine Polymerisation, welche die Struktur zu einem solchen Grad "sintern" lässt, dass die elektrisch leitfähige Eigenschaft verändert wird oder sogar vollständig verschwindet. Herkömmliche Kabel dieses Typs können höchstens ein Jahr betrieben werden. Beim erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Quarz-Verbundstoff tritt unter den Bedingungen des Anliegens einer Hochspannung keine Polymerisation auf.
Ein viertes Qualitätskriterium bei Kabeln sind niedrige Emissionspegel von Hochfrequenzrauschen (30 – 1000 MHz). Wenn man die Tatsache betrachtet, dass moderne Transportmittel, insbesondere moderne Automobile, eine große Anzahl elektronischer Systeme oder Geräte enthalten, die gegenüber elektromagnetischer oder Hochfrequenzinterferenz sehr empfindlich sein können, ist es sehr wichtig, diese Art der Interferenz zu unterdrücken. Bei dem den leitfähigen Verbundwerkstoff, zum Beispiel den erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoff verwendenden Hochspannungskabel ist es möglich, die Hochfrequenz und/oder elektromagnetische Interferenz im Wesentlichen zu unterdrücken.
Es wurden Untersuchungen eines erfindungsgemäßen Hochspannungskabels in Kombination mit einem Zündsystem eines Verbrennungsmotors durchgeführt. Es wurden eine beträchtliche Verringerung der elektromagnetischen und Hochfrequenzinterferenz sowie eine beträchtliche Erhöhung des Temperaturschwellenwerts bewiesen. Außerdem ist eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs von mindestens 5 – 10% zu erwarten, was bei Transportanwendungen des Verbrennungsmotors die Umweltfaktoren verbessert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung lässt sich anhand der Beispiele der 1 bis 4 besser verstehen. Es zeigt:
1 eine vergrößerte Darstellung einer Flechte aus einem erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff, zum Beispiel einem Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoff;
2 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochspannungskabels unter der Verwendung der Flechte von 1 als elektrisch leitfähiges Element;
3 ein Schema eines Herstellungsverfahrens eines erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoffs; und
4 eine Laboranordnung zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffs, z.B. eines erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoffs.
Auf die Bezugszeichen in den Zeichnungen wird in der Bezugszeichenliste eingegangen.
1 ist eine vergrößerte Darstellung einer Flechte 12, die einen elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff, z.B. einen Kohlenstoff-/Kohlenstoffverbindungs-Quarz-Verbundwerkstoff 1, darstellt, der aus einer Flechte von Fäden 10 besteht, die aus Bündeln von Fasern 11, zum Beispiel Kohlenstoff- oder Kohlenstoffverbindungs-Quarz-Verbundfasern, bestehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisch leitfähiger Verbundwerkstoff, z.B. ein Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoff 12 aus Quarzfäden 10 gebildet, die aus einer Vielzahl von Fasern bestehen, wobei die Quarzfasern 11 der Fäden 10 mit einer dünnen Schicht Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindung bedeckt sind. Mehrere Quarzfäden 10, die aus einer Vielzahl von Fasern bestehen, bilden eine Flechte 12, die einen Durchmesser von ungefähr einem Millimeter hat. Jede dünne Schicht aus Kohlenstoff hat eine äußere Erscheinung in der Art eines Spiegels und bildet eine "Röhre" auf der jeweiligen Quarzfaser 11. Auf diese Weise bildet der wirksame Teil der Kohlenstoff-Quarz-Flechte 12 ein helixförmiges System dünner Kohlenstoff-"Röhren", wobei jede Kohlenstoff-"Röhre" die Struktur eines röhrenförmigen Kohlenstoff-Molekül-Gitterkäfigs, wie zum Beispiel eines Fullerens, aufweisen kann.
Im Gegensatz zum Stand der Technik weisen die Kohlenstoffschichten auf den Quarzfasern 11 eine wesentlich bessere Anhaftung als Kohlenstoffschichten auf herkömmlicherweise verwendeten Substraten auf (zum Beispiel Glas oder Keramik oder metallbeschichtetes Glas oder Polymer-Substrate). Geeignete Zusatzstoffe in der Kohlenstoffverbindung können diese anhaftende Eigenschaft noch unterstützen. Trotzdem wird der neue Verbundwerkstoff in einer einfacheren und billigeren Art und Weise als bisherige Verbundwerkstoffe hergestellt.
Die bevorzugte Anwendung oder Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht in der Anwendung des genannten Verbundwerkstoffs, z.B. des Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoffs als ein elektrisch leitfähiges Element 12 eines Spannungskabels, insbesondere eines Hochspannungskabels, wie es in 2 gezeigt ist. Ein solches Hochspannungskabel 11 – 15 ist zum Beispiel in einem Zündsystem eines Verbrennungsmotors nützlich. Das Hochspannungskabel 11 – 15 kann Temperaturen standhalten, die wesentlich höher als der herkömmliche Temperaturschwellenwert von 100 – 200°C sind. Der Temperaturschwellenwert ist zwar eines der wichtigsten Qualitätskriterien für ein Hochspannungskabel, doch wird auch die Glätte der Oberfläche der leitfähigen Schicht ebenfalls verbessert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hochspannungskabeln hat der Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung eine ideal glatte, spiegelartige Oberfläche seiner leitfähigen Schicht. Da hervorstehende Teile oder Spitzen auf der Oberfläche fehlen, werden keine Ströme erzeugt, welche sich auf die Deckelemente 13 – 15 des Kabels negativ auswirken würden. Außerdem ist das Hochspannungskabel, welches die erfindungsgemäß hergestellten Verbundwerkstoffe verwendet, dazu fähig, die elektromagnetische und die Hochfrequenzinterferenz im Wesentlichen zu unterdrücken.
Das leitfähige Element 12 des Hochspannungskabels gemäß 2 wird durch ein im Zusammenhang mit 3 und 4 zu beschreibendes Verfahren hergestellt.
Zu seiner Verwendung als ein Hochspannungskabel wird das leitfähige Element 12 mit einer Schutzbeschichtung oder Versiegelung 13 bedeckt, die vorzugsweise aus Materialien wie zum Beispiel Polymeren, hergestellt ist, die hohen Temperaturen und mechanischen Belastungen, wie zum Beispiel Biegen und Strecken standhalten. Solche Polymere sind im Stand der Technik bekannt. Gemäß 2, ist die Versiegelung 13 von einer Isolierschicht, wie zum Beispiel einer Flechte 14 aus Glasfäden bedeckt. Die Glasfadenflechte 14 dient als Isolier- und Verstärkungselement des Kabels das in einer bekannten Art und Weise durch eine Ummantelung 15 geschützt ist.
3 zeigt ein Schema des bevorzugten Verfahrens zur Herstellung eines textilartigen, elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffs, zum Beispiel des Kohlenstoff-/Kohlenstoffverbindungs-Quarz-Verbundwerkstoffs. Ein Textilsubstrat 1 aus einem hochtemperaturresistenten Material (z.B. eine Quarzflechte) wird von einem Eingangspaket 1 mittels eines Zugmechanismus durch ein Bad 2 gezogen, in dem eine Lösung einer organischen Verbindung enthalten ist, die zum Beispiel ein Öl, insbesondere ein Rohöl, ein Ölextrakt oder ein Torfextrakt, zum Beispiel ein Teer aus Torfwachs, sein kann. Nachdem es mit dieser Lösung gesintert bzw. imprägniert ist, wird das Textil, z.B. das Quarzsubstrat 1 in eine aktive Zone 4 eines Ofens 3 geführt bzw. durch sie hindurchgezogen, wobei es dem Einfluss einer Wärmeenergiequelle, zum Beispiel einer Temperatur von 800 – 1200°C, ausgesetzt wird. Auf seinem Weg in die aktive Zone 4 des Ofens 3 wird das Lösungsmittel der Lösung, die aus dem Bad 2 stammt, zur Gänze oder teilweise verdampft. Wenn das Quarzsubstrat 1 durch die aktive Zone 4 gelangt, erfolgt eine Zersetzung des Kohlenstoffs und/oder der Zusatzstoffe aus der organischen Verbindung, gefolgt von einer Abscheidung des Kohlenstoffs oder der Kohlenstoffverbindung auf dem Textil, z.B. auf dem Quarzsubstrat 1, in einer solchen Art und Weise, dass ein textilartiger, elektrisch leitfähiger Verbundwerkstoff, zum Beispiel ein Kohlenstoff-/Kohlenstoffverbindungs-Quarz-Verbundstoff 5 bzw. das leitfähige Element 12 gebildet wird. Die aktive Zone 4 des Ofens 3, die anhand von 4 noch näher beschrieben wird, ist so konstruiert, dass eine qualitativ hochwertige Beschichtung von Kohlenstoff auf einem Quarzsubstrat (z.B. auf einer Quarzflechte 1) erzielt wird. Die Kohlenstoffbeschichtung oder -schicht kann auch Zusatzstoffe enthalten, die ebenfalls zersetzt und abgeschieden werden können und aus der Lösung der organischen Verbindung in dem Bad 2 stammen.
4 zeigt ein Beispiel einer Laboranordnung zur Herstellung des Verbundwerkstoffs, z.B. zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoffs 12. Ein Quarzsubstrat 1 aus der Eingangsrolle 1a wird durch eine Retorte 2a geleitet, die mit einem Öl oder mit einer Xylen- oder Toluollösung einer organischen Verbindung gefüllt ist, die vorzugsweise ein Öl, ein Ölextrakt oder ein Torfextrakt, zum Beispiel ein Teer des Torfwachses, ist. Danach gelangt das Quarzsubstrat 1 direkt oder nach einer Richtungsänderung, die durch ein Laufrad 6 erzielt werden kann, durch ein in einem Quarzrohr 4a vorzugsweise senkrecht oder geneigt angeordnetes Metallrohr 4b, wobei beide Rohre in einem elektrischen Ofen 3a angeordnet sind. Das Metallrohr 4e und das Quarzrohr 4a bilden die aktive Zone 4 des Ofens, in dem die Vorgänge des Zersetzens des Kohlenstoffs aus der organischen Verbindung, des nachfolgenden Abscheidens auf dem Quarzsubstrat 1 und der Bildung des Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoffs 12 stattfinden. Ein Thermoelement 9 dient zur Regelung der Temperatur im Ofen 3a oder innerhalb der aktiven Zone, welche durch das Metall- und das Quarzrohr 4b bzw. 4a des Ofens 3a gebildet wird. Beim Herausführen aus der aktiven Zone wird der Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoff 12 bezüglich seines elektrischen Widerstands mittels eines Kohlenstoffmessmittels 7 vermessen, das vor (oder nach) Walzen 8 angeordnet ist, die als ein Zug- oder Ziehmechanismus dienen können. Hiernach kann der Kohlenstoff-Quarz-Verbundwerkstoff 12 endlich auf eine Produktrolle 5a aufgewickelt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die aktive Zone des Ofens bei der Umsetzung der vorliegenden Erfindung eine wichtige Rolle spielt. Die genaue Umsetzung der Konstruktion dieser aktiven Zone des Ofens, insbesondere die Größe und die Proportion des Metallrohrs 4b und des Quarzrohrs 4a sowie ihre Neigung bestimmen wesentlich die thermodynamischen und hydrodynamischen Eigenschaften der Prozesse, welche in der aktiven Zone stattfinden.

1: Quarzsubstrat (durch Flechtmaschine geliefert)
1a: Eingangsrolle mit Quarzsubstrat 1
2: Bad mit Lösung einer organischen Verbindung
2a: Retorte mit Xylenlösung eines Torfextrakts
3: Ofen
3.a: Elektroofen (mit einer Calido-Drahtspirale als Heizelement)
4: Aktive Zone
4.a: Quarzrohr als Teil der aktiven Zone 4
4.b: Metallrohr als Teil der aktiven Zone 4
5: Kohlenstoff-/Kohlenstoffverbindungs-Quarz-Verbundwerkstoff
5.a: Produktrolle für Verbundwerkstoff
6: Umlenkrolle
7: Kohlenstoffmessmittel zum Messen des elektrischen Widerstands des Verbundwerkstoffs 12
8: Walzen
9: Thermoelement
10: Faden (Bündel von Fasern)
11: Faser
12: Leitfähiges Element (geflochtene Flechte oder Kordel mit Fasern 11 von Fäden 10, die mit einer Kohlenstoff- oder Kohlenstoff-Verbindungs-Schicht beschichtet sind
13: Schutzbeschichtung (Versiegelung)
14: Glasfadenflechte (Isolator und/oder Verstärkung)
15: Ummantelung

Claims

Elektrisch leitfähiger Verbundwerkstoff (1), umfassend ein hochtemperaturresistentes Substrat (10), das mit einer Kohlenstoffschicht oder einer Kohlenstoff als ein Hauptelement enthaltenden Schicht bedeckt ist, wobei der Verbundwerkstoff eine aus einer Vielzahl von Fasern bestehende Flechte (12) aufweist und wobei die Schicht aus Kohlenstoff oder Kohlenstoff enthaltendem Material eine schlauchähnliche Ummantelung auf jeder Faser der Flechte bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das hochtemperaturresistente Substrat aus Quarz, Basalt oder Asbest besteht.
Elektrisch leitfähiger Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, bei dem die Flechte einen Durchmesser von zwischen 0,1 und 10 mm und vorzugsweise zwischen 0,7 und 3 mm, insbesondere zwischen 1,2 und 1,5 mm hat.
Elektrisch leitfähiger Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Flechte aus 5 bis 25 Fäden, vorzugsweise 12 bis 16 Fäden besteht, wobei jeder Faden eine Textildichte von 100 bis 150 Tex, vorzugsweise 130 bis 135 Tex aufweist.
Hochspannungskabel (11–15), das den elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als ein elektrisch leitfähiges Kernelement umfasst.
Kabel nach Anspruch 4, wobei das Kabel dazu fähig ist, eine elektromagnetische und/oder eine Hochfrequenz-Interferenz im Wesentlichen zu unterdrücken.
Kabel nach Anspruch 5, wobei das Kabel ein Hochspannungskabel in einem Zündsystem eines Verbrennungsmotors ist.
Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffes, mit den folgenden Schritten: – Laden einer organischen Verbindung auf die Oberfläche eines hochtemperaturresistenten Substrats, wobei das Substrat ein aus einer Vielzahl von Fasern geflochtenes Substrat ist, – Laufen-Lassen des geladenen Substrats durch einen Ofen, – um hierdurch bei Temperaturen von ungefähr 800°C – 1200°C den Kohlenstoff und optional zusätzliches Material aus der organischen Verbindung zu zersetzen, um eine Schicht aus Kohlenstoff oder aus einer Kohlenstoff als ein Hauptelement enthaltenden Verbindung auf dem Substrat zu bilden, wobei jede Faser des geflochtenen Substrats mit einer schlauchartigen Schicht aus dem Kohlenstoff oder der Kohlenstoff enthaltenden Verbindung beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die organische Verbindung eine Lösung aus einem organischen Stoff in einem Lösungsmittel ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die organische Verbindung Erdöl, vorzugsweise Rohöl oder ein Erdölextrakt ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die organische Verbindung oder der organische Stoff einen Torfextrakt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Torfextrakt ein Teer aus Torfwachs ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Torfextrakt eine Lösung in einem Lösungsmittel aus Xylen, Erdöl-Xylen oder Toluol ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem der Torfextrakt eine Lösung von Teer aus Torfwachs in Erdöl-Xylen ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem eine Konzentration von Teer aus Torfwachs in Erdöl-Xylen variabel ist, vorzugsweise zwischen 3% w/w und 12 % w/w, insbesondere zwischen 9,5 % w/w und 10,5 % w/w.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem der Torfextrakt eine Lösung in Toluol einer Konzentration ist, die variabel und vorzugsweise mindestens 10% w/w ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, bei dem die Zersetzung oder Verdampfung von Kohlenstoff oder der Kohlenstoff enthaltenden Verbindung in einer aktiven Zone des Ofens durchgeführt wird, die aus einem Metallrohr eines vorbestimmten Durchmessers besteht, das koaxial in einem Quarzrohr angeordnet ist, dessen Durchmesser größer als der des Metallrohrs ist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Metallrohr einen Durchmesser von ungefähr 2 mm hat.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem die aktive Zone des Ofens senkrecht positioniert oder geneigt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem eine Temperatur in dem Ofen auf zwischen 800°C und 1200°C, vorzugsweise zwischen 1000°C und 1200°C, insbesondere zwischen 1150°C und 1170°C gehalten wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, zur Herstellung eines Hochspannungskabels für einen Verbrennungsmotor, insbesondere zur Herstellung eines Kabels für ein Zündsystem des Verbrennungsmotors, wobei das Kabel umfasst: – ein elektrisch leitfähiges Kernelement in der Form eines Seils (12), – wobei das Seil aus einer vorbestimmten Anzahl von Fäden (10) geflochten ist, – wobei jeder Faden aus einer vorbestimmten Anzahl von Fasern (11) gedrillt ist, – wobei jede der Fasern aus einem Kohlenstoff-Quarz-Verbundmaterial ist, so dass ein Quarzsubstrat durch eine Schicht aus Kohlenstoff oder aus einer Kohlenstoff enthaltenden Verbindung bedeckt ist, – wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Herstellen eines Quarzseils durch Verdrillen der vorbestimmten Anzahl unbeschichteter Quarzfasern zu Fäden und Flechten der vorbestimmten Anzahl von Fäden zu dem Seil, – Vorsehen eines Bads aus einer organischen Verbindung, wie zum Beispiel Erdöl, oder wie zum Beispiel einem Teer aus Torfwachs in einem Lösungsmittelöl aus Erdöl-Xylen oder in einem Lösungsmittel aus Toluol, – Imprägnieren des Quarzseils in dem Bad aus der organischen Verbindung, – Laufen-Lassen des imprägnierten Seils durch einen Ofen mit einer aktiven Zone, die aus einem im Wesentlichen senkrechten Metallrohr besteht, dessen Durchmesser ungefähr 2 mm beträgt und das koaxial in einem senkrechten oder geneigten Quarzrohr angeordnet ist, dessen Durchmesser größer als der Durchmesser des Metallrohrs ist, – wodurch der Kohlenstoff oder die Kohlenstoff enthaltende Verbindung aus der organischen Verbindung bei Temperaturen von ungefähr 1100°C bis 1200°C im Ofen zersetzt wird und – der Kohlenstoff oder die Kohlenstoff enthaltende Verbindung auf dem Quarzsubstrat derart abgelagert wird, dass jede Faser mit einer Schicht aus dem Kohlenstoff oder der Kohlenstoff enthaltenden Verbindung bedeckt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 zum Herstellen eines Kernelements eines Hochspannungskabels, insbesondere eines Hochspannungskabels für Automobil-Zündsysteme, mit den folgenden Schritten: – Imprägnieren eines geflochtenen Quarzseils, dessen Durchmesser ungefähr 1,25 mm beträgt, mit einer organischen Verbindung, die vorzugsweise Erdöl oder eine Lösung eines Teers aus Torfwachs in Erdöl-Xylen oder in Toluol ist, und – danach Unterziehen des imprägnierten geflochtenen Quarzseils einer Wärmebehandlung in einem Ofen bei Temperaturen zwischen 1150°C und 1170°C im Ofen, wobei die Wärmebehandlung in einer aktiven Zone des Ofens durchgeführt wird, wobei thermodynamische und hydrodynamische Bedingungen geschaffen werden, die zum Zersetzen des Kohlenstoffs oder der Kohlenstoff enthaltenden Verbindung aus der organischen Verbindung und zum Ablagern des zersetzten Kohlenstoffs oder der Kohlenstoff enthaltenden Verbindung auf jede Faser des geflochtenen Quarzseils nötig sind, indem die aktive Zone als ein Metallrohr ausgelegt wird, dessen Durchmesser um 0,75 mm größer als der Durchmesser des geflochtenen Quarz-Seils ist.