DE69131710T2 - Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters mit anorganischer Isolierung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters mit anorganischer IsolierungInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines anorganischen isolierten elektrischen Leiters gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
- Ein isolierter elektrischer Leiter (d. h. ein isolierendes Bauteil), wie ein isolierter Draht, wird allgemein in Gerätschaften eingesetzt, wie Heizausrüstungen oder Feueralarmanlagen, die Sicherheit bei hohen Temperaturen erfordern. Ein isolierter Draht wird auch im Kraftfahrzeug bei einer Umgebung eingesetzt, welche zu einer hohen Temperatur aufgeheizt wird. Solch ein isolierter Draht wird im allgemeinen von einer Leiter gebildet, der mit einem hitzebeständigen organischen Harz, wie Polyamid oder Flurharz beschichtet ist.
- Solch ein harzbeschichteter Draht kann nur einer Temperatur von maximal 300ºC widerstehen. Ein Draht, der in einem Hochvakuumgerät eingesetzt wird, muß jedoch eine hohe Hitzebeständigkeit gegen Ausbacken, geringe Emissionseigenschaften, was Gas und Wasser anbelangt, die absorbiert sind, um einen hohen Grad an Vakuum zu erreichen und beizubehalten, und geringe Gasemissionen aufweisen, die durch thermische Zersetzung verursacht werden. Es ist unmöglich, derartige Anforderungen an Hitzebeständigkeit und Nicht-Ausgasungs- Eigenschaft mit einem konventionellen Draht, der mit einem organischen Material beschichtet ist, zu erfüllen.
- Wenn ein isolierter Draht verwendet wird, wo eine hohe Hitzebeständigkeit erforderlich ist, oder unter Bedingungen eingesetzt wird, die einen hohen Grad an Vakuum erfordern, ist es unmöglich, eine ausreichende Hitzebeständigkeit oder Nicht-Ausgasungs-Eigenschaft nur mit organischer Beschichtung zu erreichen. In diesem Fall wird deshalb im allgemeinen ein isolierter Draht eingesetzt, der einen Leiter umfaßt, der durch ein Isolatorrohr aus Keramik gesteckt ist, wobei ein MI-Kabel (mineral insulated cabel) einen Leiter umfaßt, der durch ein Rohr aus einer hitzebeständigen Legierung, wie einer rostfreien Stahllegierung, gesteckt ist, das mit feinen Partikeln aus einem Metalloxid, wie Magnesiumoxid, aufgefüllt ist.
- Auf der anderen Seite ist ein mit einem mit Glas umklöppelten Rohr isolierter Draht, der ein Isolierbauteil aus Glasfasergewebe einsetzt, als ein isolierter Draht mit Hitzebeständigkeit und Flexibilität bekannt.
- Ferner werden Drähte untersucht, die mit anorganischen Materialien beschichtet sind, und es ist ein alumitbeschichteter Draht vorgeschlagen worden, der durch Alumitbehandlung der Oberfläche eines Aluminiumleiters zur Bildung eines Aluminiumfilms auf seiner Oberfläche präpariert wurde, sowie ein Draht, der durch Elektrolyse gebildet wird.
- Der aluminiumbeschichtete Draht und der Draht, der durch Elektrolyse gebildet wird, sind jedoch in der Hitzebeständigkeit minderwertiger als ein Draht, der ein Metall wie Cu verwendet, da das Material für die Leiter bei diesen auf Aluminium beschränkt ist. Ferner haben derartige konventionelle Drähte nur geringe Durchbruchsspannungen und hohe Gasemissionscharakterisitiken aufgrund von porösen Filmen.
- Im Falle des MI-Kabels ist auf der anderen Seite der Gesamtdurchmesser verglichen mit dem Leiterdurchmesser vergrößert, was zu einem minderwertigen Raumfaktor führt. Somit ist es unmöglich, einen hohen Strom anzulegen.
- Bei dem mit einem mit Glas umklöppelten Rohr isolierten Draht wird ferner feines Glaspulver erzeugt und der Leiter ist aufgrund einer Netzverschiebung nachteilhaft offengelegt.
- Die US-A-2 975 078 offenbart die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruches 1.
- Die JP-A-02 301 909 offenbart ein anorganisches Isolierbauteil mit einer Aluminiumlegierungsschicht, einer Oxidschicht aus der Aluminiumlegierung und eine anorganische Isolierschicht.
- Die EP-A-0 292 780 offenbart einen elektrischen Draht, der mit einem Gelfilm beschichtet ist, der durch Aufbringen einer Lösung gebildet wird, die durch Hydrolisieren und Dehydrieren/Kondensieren von Alkoxiden auf einem äußeren Teil des Leiters erhalten wird.
- Die GB-A-2 220 295 verweist auf einen superleitfähigen Gegenstand mit einer allgemein substoichiometrischen Sauerstoffisolation zwischen superleitfähigen Drahtsträngen.
- Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines anorganischen Isolierbauteils bereitzustellen, welches bezüglich Hitzebeständigkeit und Isolierfähigkeit exzellent ist.
- Das erfundene Verfahren zur Herstellung dieses anorganischen Isolierbauteils umfaßt die Merkmale des Anspruches 1.
- Die Oxidschicht aus Nickel und Nickellegierung wird durch Oxidationsbehandlung von Nickel oder der Nickellegierung, die die äußere Schicht des Leiters bildet, gebildet.
- Eine derartige Oxidationsbehandlung wird vorzugsweise in einer Dampfphase, die Sauerstoff enthält, ausgeführt.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die isolierende anorganische Verbundschicht aus Al&sub2;O&sub3; oder SiO&sub2; auf der Oxidschicht aus Nickel oder einer Nickellegierung durch Hydrolisieren und Polykondensieren von Metall-Alkoxiden oder Metall Carboxylaten, beispielsweise gebildet werden.
- Die isolierende anorganische Verbundschicht kann alternativ durch thermische Zersetzung eines organischen Metallpolymers gebildet werden.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die isolierende anorganische Verbundschicht feine Partikel aus Keramik enthalten.
- Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird angewandt, um einen Draht für eine hohe Temperatur oder beispielsweise einen isolierten Leitungsdraht herzustellen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige Anwendung beschränkt.
- Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die eine erste Ausführungsform zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist eine Nickeloxidschicht 2 um einen Nickelleiter 1 gebildet und eine isolierende anorganische Verbundschicht 3 ist um die Nickeloxidschicht 2 gebildet.
- Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die eine zweite Ausführungsform zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist. Bezugnehmend auf Fig. 2 ist eine Oxidschicht 12 von einer Nickellegierung um einen Leiter 11 aus einer Nickellegierung gebildet. Eine isolierende anorganische Verbundschicht 13 ist um die Oxidschicht 12 aus der Nickellegierung gebildet.
- Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die eine dritte Ausführungsform zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist eine Diffusionsschutzschicht 24, beispielsweise aus Kohlenstoff, um einen Kupferleiter 20 vorgesehen. Eine Nickelschicht 21 ist um die Diffusionsschutzschicht 24 gebildet. Eine Nickeloxidschicht 22 ist um die Nickelschicht 21 gebildet und eine isolierende anorganische Verbundschicht 23 ist um die Nickeloxidschicht 22 gebildet.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Metall einzusetzen, das eine höhere Hitzebeständigkeit als Aluminium aufweist, das im allgemeinen als ein Leiter eingesetzt wird. Zumindest die äußere Oberfläche eines Leiters, der bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, wird aus Nickel oder einer Nickellegierung gemacht. Obwohl der gesamte Leiter aus Nickel oder einer Nickellegierung gemacht werden kann, weist ein derartiges Material eine niedrige Leitfähigkeit auf. Während Aluminium eine Leitfähigkeit von 60% IACS aufweist, ist jene von Nickel oder einer Nickellegierung 25% IACS und nicht mehr als 25% IACS. Um die Leitfähigkeit zu verbessern, kann deshalb die äußere Oberfläche eines Kupferleiters mit Nickel plattiert oder verkleidet sein. Wenn ein derartiger nickelplattierter oder nickelverkleideter Kupferleiter für eine lange Zeit bei hoher Temperatur verwendet wird, findet jedoch eine gegenseitige Diffusion zwischen Nickel und Kupfer statt, um eine Legierungsschicht zu bilden und die Leitfähigkeit zu reduzieren. Um damit fertig zu werden, kann eine Diffusionsschutzschicht z. B. aus BN, an der Grenzfläche zwischen Nickel und Kupfer vorgesehen sein, wie in Fig. 3 gezeigt.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, wird die isolierende anorganische Verbundschicht aus SiO&sub2; oder Al&sub2;O&sub3; hergestellt, welches durch Hydrolisieren und Polykondensieren von Metall-Alkoxiden oder Metall- Carboxylaten darstellbar ist. Derartige Metalloxide sind extrem dicht und haben glatte Oberflächen, wodurch dieselben eine hohe Isolierfähigkeit und geringe Gasemission aufweisen. Ferner weist auch SiO&sub2;, welches durch thermische Zersetzung organischer Metallpolymere erhalten wird, ebenfalls eine hohe Isolierfähigkeit und geringe Gasemission auf.
- Eine isolierende anorganische Verbundschicht aus einem derartigen Material hat eine geringe Affinität zu Nickel oder Nickellegierungen, die die äußere Oberfläche des Leiters bilden. Wenn diese Schicht direkt aufgebracht wird, ist es deshalb unmöglich, eine hohe Adhäsion zu erreichen und die Schicht wird einfach gelöst. Somit kann das Bauteil nicht gebogen werden.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Nickel oder die Nickellegierung, die die äußere Oberfläche des Leiters bilden, einer Oxidationsbehandlung zur Bildung einer Nickeloxidschicht oder einer Oxidschicht aus einer Nickellegierung unterworfen, so daß die isolierende anorganische Verbundschicht auf dieser Oxidschicht gebildet wird. Die Oxidschicht ist in einem extrem engen Kontakt mit der Leiteroberfläche und hat eine ausgezeichnete Haftung zur isolierenden anorganischen Verbundschicht. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird deshalb die isolierende anorganische Verbundschicht kaum abgetrennt und eine exzellente Flexibilität ist erreicht, wenn das erfindungsgemäße isolierende Bauteil beispielsweise auf einem Draht angebracht wird.
- Die vorangegangen und anderen Aufgaben, Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung deutlich, wenn sie im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gesehen werden.
- Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt und
- Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
- Leiter aus (1) einem Nickeldraht mit 0,5 mm Drahtdurchmesser, (2) Nickel-15 Gew.-% Chrom-Legierungsdraht mit 0,32 mm Drahtdurchmesser und (3) einem Ni/BN/Cu verkleideten Draht, die einen Kupferdraht mit 0,38 mm im Durchmesser umfassen, der mit einer Nickelschicht von 50 um Dicke über eine Karbonschicht von 10 um Dicke, die als eine Diffusionsschutzschicht fungiert, verkleidet ist, wurden eingesetzt, um anorganische Isolierbauteile gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen.
- Die Leiter (1) und (2) wurden in der Atmosphäre bei 800ºC für 30 min zur Oxidation der Oberflächen wärmebehandelt, wodurch Oxidschichten gebildet wurden. Der Leiter (3) wurde einer Plasmaoxidationsbehandlung in Ar-10% O&sub2; bei 10 mTorr (1,33 Pa) für 30 min zur Bildung einer Oxidschicht unterworfen.
- Die oxidationsbehandelten Leiter (1) bis (3) wurden verwendet um Drähte gemäß den Beispielen 1 bis 2 herzustellen.
- Tetrabutyl-Orthosilikat wurde hydrolisiert und polykondensiert in einer Lösung aus Isopropyl-Alkohol, um eine Beschichtungslösung A herzustellen. Die Lösung A wurde auf den oxidationsbehandelten Leiter (3) aufgebracht und in Atmosphäre bei 500ºC geglüht, um eine isolierende anorganische Verbundschicht aus SiO&sub2; zu bilden. Diese SiO&sub2;-Isolierschicht war etwa 5 um dick.
- Al(NO&sub3;)&sub3; von 8% wurde der Beschichtungslösung A zugesetzt, welche wiederum auf den Leiter (1) aufgebracht wurde und bei 500ºC ausgelagert wurde, um eine SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3; Verbundschicht von 6 um Dicke zu bilden.
- Tabelle 1 zeigt die Durchbruchsspannungen und Flexibilitätswerte der gemäß den Beispielen 1 und 2 gebildeten Drähte. Die Flexibilitätswerte wurden in Form von Durchmesserverhältnissen durch Wicklung der Drähte auf kreisförmige Zylinder eines vorgeschriebenen Durchmessers und Messung des minimalen Durchmessers ermittelt, der keine Trennung der isolierenden anorganischen Verbundschichten verursacht. Ein Vergleichsbeispiel wurde aus einem Alumitdraht hergestellt, der durch Bildung einer Al&sub2;O&sub3;-Schicht von 10 um Dicke um einen konventionellen Aluminiumdraht erhalten wurde. Tabelle 1
- Wie klar aus der Tabelle 1 zu entnehmen, besitzen die Drähte der Beispiele 1 und 2, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden sind, eine höhere Durchbruchsspannung und sind überlegen in der Flexibilität, verglichen mit dem Alumitdraht des Vergleichsbeispiels.
- Wie oben beschrieben weist das anorganische Isolierbauteil, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist, eine isolierende anorganische Verbundschicht auf, welche kaum abzutrennen ist um welche exzellent in der Hitzebeständigkeit und in der Isolationsfähigkeit ist.
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung eines anorganischen isolierten elektrischen
Leiters, umfassend:
Bereitstellen eines Leiters, der Nickel oder eine Nickellegierung zumindest
in seiner äußeren Oberfläche enthält;
Bilden einer Oxidschicht von Nickel oder von einer Nickellegierung durch
Oxidationsbehandlung der äußeren Oberfläche des Leiters; und Bilden einer
isolierenden anorganischen Verbundschicht auf der Oxidschicht von Nickel
oder der Nickellegierung;
dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende anorganische
Verbundschicht aus Al&sub2;O&sub3; oder SiO&sub2;, welche durch Hydrolisieren und
Polykondensieren von Metall-Alkoxiden oder Metall-Carboxylaten darstellbar sind, oder
aus SiO&sub2; gebildet ist, welches durch thermisches Zersetzen eines
organischen Metallpolymers erhalten wird.
2. Verfahren zur Herstellung eines anorganischen isolierten elektrischen
Leiters nach Anspruch 1, bei welchem die Oxidschicht von Nickel oder einer
Nickellegierung durch Oxidieren der äußeren Oberfläche des Leiters in
einer Sauerstoff enthaltenden Dampfphase gebildet ist.
3. Verfahren zur Herstellung eines anorganischen isolierten elektrischen
Leiters nach Anspruch 1, bei welchem die isolierende anorganische
Verbundschicht feine Keramikpartikel enthält.
4. Verfahren zur Herstellung eines anorganischen isolierten elektrischen
Leiters nach Anspruch 1, das angewandt wird, um einen hitzebeständigen
Draht oder einen isolierten Leitungsdraht herzustellen.
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