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Hintergrund
der Erfindung
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(1) Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein PTC-Verbundmaterial, das vorzugsweise
in beispielsweise einem strombegrenzenden Bauteil, das zur Regulierung
von Fehlstrom dient, verwendet wird, wobei "PTC" als Abkürzung für einen "Widerstand mit positivem
Temperaturkoeffizienten" dient.
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(2) Beschreibung verwandter
Gebiete
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PTC-Materialien
verfügen über die
Eigenschaft, den elektrischen Widerstand bei einem Temperaturanstieg
in einem bestimmten Temperaturbereich deutlich zu erhöhen. Deshalb
werden diese beispielsweise als strombegrenzende Bauteile verwendet,
die zur Regulierung von Fehlstrom in einem Schutzschalter dienen.
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Das
am besten bekannte PTC-Material ist eine Keramik vom Bariumtitanattyp,
deren elektrische Eigenschaften sich beim Erreichen des Curie-Punkts ändern. Bei
diesem PTC-Material kommt es jedoch aufgrund dessen hohen spezifischen
Widerstands bei Raumtemperatur zu einem starken Leistungsverlust,
und zudem sind die Produktionskosten hoch. Folglich wurde nach anderen
Substanzen gesucht, die PTC-Eigenschaften
aufweisen.
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Im
Zuge dessen wurde herausgefunden, dass die aus einem Polymer (einer
Matrix) und einer leitfähigen
Substanz (einem Füllstoff)
bestehenden Verbundmaterialien die gleiche PTC-Eigenschaft aufweist
wie die Keramik vom Bariumtitanattyp.
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Beispielsweise
weist ein Gemisch aus bestimmten Anteilen eines kristallinen Polymers
(z.B. eines Polyethylen) als Isolator und leitfähigen Teilchen (z.B. Kohlenstoffteilchen),
das leitfähige
Bahnen in der Polymermatrix ausgebildet hat, einen sehr ge ringen
elektrischen Widerstand auf und dient auf Grund des Isolator-Leiter-Übergangs als Leiter.
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In
einem solchen Verbundmaterial, das aus bestimmten Anteilen eines
kristallinen Polymers und leitfähigen
Teilchen besteht, führt
das kristalline Polymer zu einer starken Ausdehnung, wenn das Verbundmaterial
erhitzt und das kristalline Polymer geschmolzen wird, da das Polymer
einen deutlich höheren
Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist als die leitfähigen
Teilchen.
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Deshalb
werden die leitfähigen
Teilchen, die leitfähige
Bahnen im Polymer ausbilden, voneinander getrennt, die leitfähigen Bahnen
unterbrochen, wodurch es zu einem starken Anstieg des elektrischen
Widerstands des Verbundmaterials kommt und das Verbundmaterial eine
PTC-Eigenschaft aufweist.
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Wenn
eine organische Substanz, wie z.B. das obige Polymer oder dergleichen,
als Matrix in einem PTC-Verbundmaterial verwendet wird, kommt es
jedoch zu dem Problem, dass, wenn hohe, durch Fehlstrom verursachte
Temperaturen über
einen langen Zeitraum andauern, das Verbundmaterial seine beabsichtigte Wirkung
nicht mehr erfüllen
kann, da die organische Substanz im Allgemeinen über eine geringe Hitzebeständigkeit
verfügt.
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Es
wurde auch an Verbundmaterialien geforscht, die aus einer Substanz
vom Silicatyp (einer Matrix), wie z.B. Quarz, Cristobalit oder dergleichen,
und leitfähigen
Teilchen bestehen; siehe beispielsweise T. Ota et al., Journal of
Material Science Letters, Bd. 16, Nr. 3, 239-240. Ähnlich wie
die Keramik vom Bariumtitantattyp weisen diese Materialien einen
hohen spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur auf und verursachen
starke Leistungsverluste.
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Herkömmliche
Verbundmaterialien wiesen auch das Problem auf, dass diese keine
wiederholten Inbetriebnahmen ermöglichten,
da der Widerstand nach einer Inbetriebnahme nicht zum anfänglichen
Widerstand zurückgeht,
sogar wenn die Temperatur sinkt, sobald der Widerstand zunimmt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Angesichts
der oben erläuterten
Probleme nach dem Stand der Technik wurde die vorliegende Erfindung
fertiggestellt, um ein PTC-Verbundmaterial bereitzustellen, das
hitzebeständig
ist, einen geringen Leistungsverlust aufweist und wiederholte Inbetriebnahmen
ermöglicht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein PTC-Verbundmaterial gemäß Anspruch 1 bereitgestellt, das
aus Cristobalit als Matrix und einem leitfähigen Füllstoff besteht und einen spezifischen
Widerstand bei Raumtemperatur von 10–1 Ωcm oder
weniger aufweist.
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Im
vorliegenden PTC-Verbundmaterial weist der leitfähige Füllstoff einen spezifischen
Widerstand bei Raumtemperatur von vorzugsweise 10–3 Ωcm oder
weniger auf, wenn er per se als ein Sintermaterial hergestellt wird,
und verfügt
vorzugsweise auch über
einen Teilchendurchmesser von 2 bis 50 μm. Das PTC-Verbundmaterial weist
nach dem Brennen eine relative Dichte von vorzugsweise 90 % oder
mehr auf.
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Im
vorliegenden PTC-Verbundmaterial ist der leitfähige Füllstoff zumindest eine aus
Mo, W, Ni, Edelstahl, Metallsiliciden und Metallboriden ausgewählte Substanz;
noch bevorzugter zumindest eine aus MoSi2, WSi2, Mo, W, Ni und Edelstahllegierungen ausgewählte Substanz.
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Vorzugsweise
wird das Material durch Brennen bei einer Temperatur von mehr als
50 °C unter
dem Schmelzpunkt eines Füllstoffs
hergestellt, der unter den Füllstoffmaterialien,
woraus der leitfähige
Füllstoff
des vorliegenden PTC-Verbundmaterials besteht, den niedrigsten Schmelzpunkt
aufweist.
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Im
vorliegenden PTC-Verbundmaterial beträgt der Anteil des leitfähigen Füllstoffs
vorzugsweise 20 bis 35 Vol.-% des PTC-Verbundmaterials.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Diagramm, das die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands
des PTC-Verbundmaterials von Beispiel 4 gemäß der vorliegenden Erfindung
darlegt.
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2 ist
ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung
des PTC-Verbundmaterials der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Das
vorliegende PTC-Verbundmaterial (im weiteren Verlauf als "das vorliegende PTC-Material" bezeichnet) besteht
aus Cristobalit mit hoher Wärmeausdehnung
und einem leitfähigen
Füllstoff
und weist einen spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur von 10–1 Ωcm oder
weniger auf.
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Das
vorliegende PTC-Material ist hitzebeständig, weist einen geringen
Leistungsverlust auf und ermöglicht
eine wiederholte Inbetriebnahme.
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Von
PTC-Materialien wird gefordert, dass sie einen großen Widerstandssprung,
nämlich
einen großen Unterschied
zwischen dem Widerstand vor (Anfangswiderstand) und nach der Inbetriebnahme,
zeigen.
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Das
vorliegende PTC-Material kann einen dreistelligen Widerstandssprung
bereitstellen.
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Im
vorliegenden PTC-Material wird Cristobalit als Matrix verwendet.
Cristobalit ist ein polymorphes SiO2-Mineral,
wie z.B. Quarz und Tridymit, und weist eine starke Ausdehnung auf,
da sich die Kristallstruktur bei 230 °C von einem α-System (tetragonal) zu einem β-System (kubisch)
verändert
(und folglich ein Material mit hoher Wärmeausdehnung darstellt).
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Deshalb
verursacht im vorliegenden PTC-Material, worin Cristobalit (das
per se ein Isolator ist) mit einem vorbestimmten Anteil eines leitfähigen Füllstoffs
vermischt ist und dadurch der Isolator-Leiter-Übergang ermöglicht wird, der Cristobalit
bei einem Temperaturanstieg eine Wärmeausdehnung, wodurch die
im Material ausgebildeten leitfähigen
Bahnen unterbrochen werden und die PTC-Eigenschaft hervortritt.
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Zudem
verfügt
Cristobalit über
einen hohen Schmelzpunkt (1.730 °C),
weist gegenüber
Polymer-Matrizen (organischen Substanzen) eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit
auf, wird, wenn er über
lange Zeiträume
hohen Temperaturen ausgesetzt ist, nicht durch Schmelzen oder dergleichen
beschädigt
und eignet sich deshalb als Matrix für ein PTC-Material.
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Cristobalit
wird durch Kalzinieren von Quarz bei hohen Temperaturen erhalten.
Cristobalit kann auch durch Kalzinieren von Quarz bei niedrigen
Temperaturen in Gegenwart eines Alkalimetalls oder eines Erdalkalimetalls,
das den Cristobalit stabilisiert, erhalten werden.
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In
der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass Quarz als Ausgangsmaterial
für die
Matrix verwendet wird und beispielsweise während des Brennens nach dem
Formen in Cristobalit überführt wird.
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Der
leitfähige
Füllstoff
stellt ein Additiv zur Verleihung von Leitfähigkeit an Cristobalit dar,
der ein Isolator ist. In der vorliegenden Erfindung kann als leitfähiger Füllstoff
zumindest eine aus der aus Metallen, wie z.B. Ni und Edelstahl,
Metallsiliciden, Metallcarbiden und Metallboriden bestehenden Gruppe
ausgewählte Substanz
verwendet werden. Es wird jedoch bevorzugt, zumindest eine aus den
Teilchen von Metallen, wie z.B. Molybdän, Wolfram und dergleichen,
und Metallsiliciden, wie z.B. Molybdänsilicid, Wolframsilicid und
dergleichen, die jeweils über
einen hohen Schmelzpunkt verfügen,
ausgewählte
Substanz zu verwenden.
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In
der vorliegenden Erfindung weist der leitfähige Füllstoff einen spezifischen
Widerstand bei Raumtemperatur von vorzugsweise 10–3 Ωcm oder
weniger auf, wodurch der spezifische Widerstand bei Raumtemperatur
des vorliegenden PTC-Materials auf 10–1 Ωcm oder
weniger verringert wird und der Leistungsverlust des PTC-Materials unterdrückt wird.
Deshalb kann ein Kohlenstoff, der einen spezifischen Widerstand
bei Raumtemperatur von 10–3 Ωcm oder mehr und eine geringe
Leitfähigkeit
aufweist, den Leistungsverlust mitunter nicht unterdrücken und
gelangt somit vorzugsweise nicht zur Verwendung als leitfähiger Füllstoff
für das vorliegende
PTC-Material.
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In
der vorliegenden Erfindung beträgt
der Teilchendurchmesser des leitfähigen Füllstoffs vorzugsweise 2 μm oder mehr.
Im Allgemeinen kann ein großer
Widerstandssprung vor und nach der Inbetriebnahme durch Verringerung
der Menge des Füllstoffs
(Leiters), bezogen auf die Menge des Cristobalit (Isolators), erzielt
werden. Diese Verminderung führt
jedoch zu einem erhöhten
spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur und erhöhten Leistungsverlust.
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In
der vorliegenden Erfindung wird der Teilchendurchmesser des leitfähigen Füllstoffs
bei 2 μm
oder mehr gehalten, wodurch der leitfähige Füllstoff über eine Oberfläche verfügt, die
ausreicht, um einen gegenseitigen Kontakt zwischen den einzelnen
Teilchen zu bilden, und es möglich
wird, den Kontaktwiderstand dadurch zu verringern und einen beabsichtigten
Widerstandssprung zu erzielen, während
ein Anstieg des spezifischen Widerstands bei Raumtemperatur vermieden
wird.
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Die
Teilchendurchmesser des leitfähigen
Füllstoffs
betragen vorzugsweise auch 50 μm
oder weniger. Teilchendurchmesser von mehr als 50 μm erschweren
nämlich
die einheitliche Dispersion des Füllstoffs in der Matrix.
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Bei
einer zu geringen Menge des verwendeten Füllstoffs kommt es zu keiner
Bildung von leitfähigen Bahnen,
zudem wird ein erhöhter
spezifischer Widerstand bei Raumtemperatur erhalten. Bei einer zu
großen Menge
des Füllstoffs
kommt es zu keinem Unterbrechen der leitfähigen Bahnen bei hohen Temperaturen
und auch zu keinem Widerstandssprung.
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Eine
geeignete Menge des zuzusetzenden Füllstoffs hängt vom Durchmesser der Matrixteilchen
und der Füllstoffteilchen
ab. Die Menge des verwendeten Füllstoffs
beträgt
vorzugsweise 20 bis 35 Vol.-% des Gesamtvolumens des vorliegenden
PTC-Materials, wenn
die Teilchendurchmesser der Matrix in einem Bereich von 0,1 bis
10 μm und
die Teilchendurchmesser des Füllstoffs
in einem Bereich von 2 bis 50 μm
liegen.
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In
der vorliegenden Erfindung wird das Material vorzugsweise durch
Brennen bei einer Temperatur von mehr als 50 °C unter dem Schmelzpunkt eines
Füllstoffs
hergestellt, der unter Füllstoffmaterialien,
woraus der leitfähige
Füllstoff
besteht, den niedrigsten Schmelzpunkt aufweist, um das Schmelzen
des Füllstoffs
während des
Brennens zu verhindern.
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Dies
hängt damit
zusammen, dass der Füllstoff
außerhalb
des Sinterkörpers
herausgelöst
wird, wenn der Füllstoff
während
des Brennens schmilzt, was die Steuerung des Anteils des zuzusetzenden
Füllstoffs
erschwert. Zudem können
die leitfähigen
Bahnen nicht unterbrochen werden und es kommt zu keinem Widerstandssprung,
sogar wenn der Cristobalit einer Wärmeausdehnung unterzogen wird,
da die Füllstoffe
gegenseitig auf dem Sinterkörper
aufgebracht sind.
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Der
Einfluss der Brenntemperatur wurde unter Verwendung einer einfachen
Ni-Substanz (Schmelzpunkt:
1.450 °C)
als leitfähiger
Füllstoff
nachgewiesen. Daraus ergibt sich, dass, wie in Tabelle 1 angeführt, ein bei
1.350 °C
oder 1.375 °C
gebrannter Sinterkörper
einen Widerstandssprung aufwies, während ein bei 1.450 °C und 1.400 °C gebrannter
Sinterkörper
keinen Widerstandssprung aufwies. Die Herauslösung von Ni wurde mittels externer
Beobachtung ermittelt.
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Wenn
der Füllstoff
aus einem einzigen Füllstoffmaterial
besteht, wird dieser deshalb bei einer Temperatur von mehr als 50 °C unter dem
Schmelzpunkt des Füllstoffmaterials
gebrannt, sofern das Brennen möglich ist.
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Wenn
der Füllstoff
aus einer Vielzahl von Füllstoffmaterialien
besteht, wird die Brenntemperatur auf Basis eines Schmelzpunkts
eines Füllmaterials,
das den niedrigsten Schmelzpunkt aufweist, bestimmt.
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Das
vorliegende PTC-Material kann nach dem Sintern eine relative Dichte
von vorzugsweise 90 % oder mehr, noch bevorzugter von 95 % oder
mehr, aufweisen.
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Wenn
die relative Dichte weniger als 90 % beträgt, ist eine wiederholte Inbetriebnahme
mitunter nicht möglich,
da das resultierende PTC-Material nicht zum Anfangswiderstand zurückgeht,
obgleich ein beabsichtigter Widerstandssprung sogar bei einer Senkung
der Temperatur erzielt wird.
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Die
relative Dichte des PTC-Materials nach dem Sintern wird nicht nur
von den Teilchendurchmessern der verwendeten Rohmaterialien beeinflusst,
sondern ist auch gering, wenn eine geringe Brenntemperatur angewandt
wird.
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Im
Folgenden wird ein Beispiel für
ein Verfahren zur Herstellung des vorliegenden PTC-Materials beschrieben.
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Das
Verfahren zur Herstellung des vorliegenden PTC-Materials umfasst
drei wie in 2 angeführte Schritte. Die im Verfahren
verwendeten Ausgangsmaterialien werden wie folgt hergestellt.
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Wenn
Cristobalit als Ausgangsmaterial für die Matrix verwendet wird,
wird ein Quarzpulver bei hohen Temperaturen kalziniert oder der
Quarz wird in Gegenwart eines Alkalimetalls oder eines Erdalkalimetalls
kalziniert, um das Quarzpulver oder den Quarz in Cristobalit zu überführen. Der
resultierende Cristobalit wird in einer Nassmühle gemahlen, um ein Cristobalitpulver
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1 μm oder weniger zu erhalten.
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Wenn
Quarz als Ausgangsmaterial für
die Matrix verwendet wurde, wurde der Quarz in einer Nassmühle gemahlen,
um ein Quarzpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,5
bis 2 μm
zu erhalten.
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Als
Ausgangsmaterial für
den leitfähigen
Füllstoff
wurden Metallsilicid- oder Metallteilchen verwendet. Diese wurden
gemahlen und anschließend
klassiert, um ein leitfähiges
Füllstoffpulver
mit den gewünschten Teilchendurchmessern
zu erhalten.
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Der
erste Schritt zur Herstellung des vorliegenden PTC-Materials stellt
das Vermischen dar, worin das Ausgangsmaterial für die Matrix und das Ausgangsmaterial
für den
Füllstoff
vermischt werden. Das Ausgangsmaterial für die Matrix und das Ausgangsmaterial
für den
Füllstoff
wurden zu gewünschten
Anteilen eingewogen und in einer Nass- oder Trockenkugelmühle vermischt,
um ein Gemisch zu erhalten.
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Wenn
Quarz als Ausgangsmaterial für
den leitfähigen
Füllstoff
verwendet wird, muss der Quarz in diesem Schritt in Cristobalit überführt werden.
Deshalb kann ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall als Stabilisator
für den
Cristobalit während
des Vermischens der zwei Ausgangsmaterialien zugesetzt werden.
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Der
zweite Schritt umfasst das Formen, worin das im ersten Schritt erhaltene
Gemisch einem Pressformverfahren unterzogen wird, um ein Formmaterial
zu erhalten. Wenn im dritten Schritt ein Brennen bei Normaldruck
durchgeführt
wird, kann das Formmaterial einem weiteren isotropen Pressformverfahren
unterzogen werden.
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Der
dritte Schritt umfasst einen Sintervorgang, worin das Formmaterial
gesintert wird. In diesem Schritt wird das im zweiten Schritt erhaltene
Formmaterial einem Heißpressvorgang
unterzogen, indem das Formmaterial bei hohen Temperaturen in einem
Stickstoffstrom bei einem vorbestimmten Druck gehalten wird, wodurch ein
Sintermaterial erhalten wird.
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Das
nach dem isotropen Pressformen erhaltene Formmaterial wird bei Normaldruck
gebrannt, indem das Formmaterial bei hohen Temperaturen in einem
Argonstrom gehalten wird, wodurch ein Sintermaterial erhalten wird.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen spezifisch
beschrieben.
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Beispiel 1
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Zu
einem Cristobalitpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser
von 0,8 μm
wurde ein Molybdänsilicidpulver
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 6,5 um so zugesetzt,
dass die Menge des letzteren Pulvers 25 Vol.-% des Gesamtvolumens
der zwei Pulver betrug. Das Vermischen erfolgte in einer Nasskugelmühle.
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Das
resultierende Gemisch wurde bei einem Druck von 200 kg/cm2 einem Pressformverfahren unterzogen. Das
resultierende Formmaterial wurde einem Heißpressen unterzogen, indem
das Formmaterial 3 Stunden lang in einem Stickstoffstrom bei einem
Druck von 200 kg/cm2 und einer Temperatur
von 1.450 °C gehalten
wurde, wodurch ein Sintermaterial erhalten wurde.
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Das
Sintermaterial wurde in ein viereckiges Prisma mit 5 × 5 × 30 mm
verarbeitet und auf den spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur
und die Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands mittels der Gleichstrom-4-Sondenmessung
gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angeführt.
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Beispiel 2
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Zu
einem Cristobalitpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser
von 0,8 μm
wurde ein Molybdänsilicidpulver
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 10 μm so zugesetzt, dass die Menge
des letzteren Pulvers 26 Vol.-% des Gesamtvolumens der zwei Pulver
betrug. Das Vermischen erfolgte in einer Nasskugelmühle. Das
resultierende Gemisch wurde dem gleichen Pressform- und Heißpressvorgang
wie in Beispiel 1 unterzogen. Das resultierende Sintermaterial wurde
auf den spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur und die Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 angeführt.
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Beispiel 3
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Zu
einem Cristobalitpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser
von 0,8 μm
wurde ein Molybdänsilicidpulver
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 19 μm so zugesetzt, dass die Menge
des letzteren Pulvers 24 Vol.-% des Gesamtvolumens der zwei Pulver
betrug. Das Vermischen erfolgte in einer Nasskugelmühle. Das
resultierende Gemisch wurde dem gleichen Pressform- und Heißpressvorgang
wie in Beispiel 1 unterzogen. Das resultierende Sintermaterial wurde
auf den spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur und die Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 angeführt.
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Beispiel 4
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Zu
einem Cristobalitpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser
von 0,8 μm
wurde ein Molybdänsilicidpulver
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 35 μm so zugesetzt, dass die Menge
des letzteren Pulvers 25 Vol.-% des Gesamtvolumens der zwei Pulver
betrug. Das Vermischen erfolgte in einer Nasskugelmühle. Das
resultierende Gemisch wurde dem gleichen Pressform- und Heißpressvorgang
wie in Beispiel 1 unterzogen. Das resultierende Sintermaterial wurde
auf den spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur und die Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 und 1 angeführt.
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Beispiel 5
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Zu
einem Cristobalitpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser
von 0,8 μm
wurde ein Wolframpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser
von 10 μm
so zugesetzt, dass die Menge des letzteren Pulvers 27 Vol.-% des
Gesamtvolumens der zwei Pulver betrug. Das Vermischen erfolgte in
einer Nasskugelmühle. Das
resultierende Gemisch wurde dem gleichen Pressform- und Heißpressvorgang
wie in Beispiel 1 unterzogen. Das resultierende Sintermaterial wurde
auf den spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur und die Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 angeführt.
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Beispiel 6
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Zu
einem Cristobalitpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser
von 0,8 μm
wurde ein Nickelpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von
30 μm so
zugesetzt, dass die Menge des letzteren Pulvers 30 Vol.-% des Gesamtvolumens
der zwei Pulver betrug. Das Vermischen erfolgte in einer Nasskugelmühle. Das
resultierende Gemisch wurde dem gleichen Pressform- und Heißpressvorgang
wie in Beispiel 1 unterzogen. Das resultierende Sintermaterial wurde
auf den spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur und die Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 angeführt.
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Beispiel 7
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Zu
einem Cristobalitpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser
von 0,8 μm
wurde ein SUS-316-Pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser
von 10 μm
so zugesetzt, dass die Menge des letzteren Pulvers 30 Vol.-% des
Gesamtvolumens der zwei Pulver betrug. Das Vermischen erfolgte in
einer Nasskugelmühle.
Das resultierende Gemisch wurde dem gleichen Pressform- und Heißpressvorgang
wie in Beispiel 1 unterzogen. Das resultierende Sintermaterial wurde
auf den spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur und die Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2
angeführt.
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Beispiel 8
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Zu
einem Quarzpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,6 μm wurde ein
Molybdänsilicidpulver
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 6,5 μm so zugesetzt, dass die Menge
des letzteren Pulvers 25 Vol.-% des Gesamtvolumens der zwei Pulver
betrug. Dazu wurde 1 Mol-% Natriumhydrogencarbonat, bezogen auf
das Quarzpulver, zugesetzt. Das Vermischen erfolgte in einer Trockenkugelmühle. Das
resultierende Gemisch wurde dem gleichen Pressform- und Heißpressvorgang
wie in Beispiel 1 unterzogen. Das resultierende Sintermaterial wurde
auf den spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur und die Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 angeführt.
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Beispiel 9
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Zu
einem Quarzpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,2 μm wurde ein
Metallmolybdänpulver
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 3,1 μm so zugesetzt, dass die Menge
des letzteren Pulvers 25 Vol.-% des Gesamtvolumens der zwei Pulver
betrug. Dazu wurde 1 Mol-% Natriumhydrogencarbonat, bezogen auf
das Quarzpulver, zugesetzt. Das Vermischen erfolgte in einer Trockenkugelmühle.
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Das
resultierende Gemisch wurde bei einem Druck von 200 kg/cm2 einem Pressformverfahren und anschließend einem
isotropen Pressformen bei einem Druck von 7 t/cm2 unterzogen.
Das resultierende Formmaterial wurde bei Normaldruck gebrannt, indem
das Formmaterial 3 Stunden lang in einem Argonstrom bei einer Temperatur
von 1.600 °C
gehalten wurde. Das resultierende Sintermaterial wurde auf den spezifischen
Widerstand bei Raumtemperatur und die Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 angeführt.
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Vergleichsbeispiel 1
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Zu
einem Cristobalitpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser
von 0,8 μm
wurde ein Molybdänsilicidpulver
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,0 μm so zugesetzt, dass die Menge
des letzteren Pulvers 25 Vol.-% des Gesamtvolumens der zwei Pulver
betrug. Das Vermischen erfolgte in einer Nasskugelmühle. Das
resultierende Gemisch wurde dem gleichen Pressform- und Heißpressvorgang
wie in Beispiel 1 unterzogen. Das resultierende Sintermaterial wurde
auf den spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur und die Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 angeführt.
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Vergleichsbeispiel 2
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Zu
einem Cristobalitpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser
von 0,8 μm
wurde ein Molybdänsilicidpulver
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,0 μm so zugesetzt, dass die Menge
des letzteren Pulvers 35 Vol.-% des Gesamtvolumens der zwei Pulver
betrug. Das Vermischen erfolgte in einer Nasskugelmühle. Das
resultierende Gemisch wurde dem gleichen Pressform- und Heißpressvorgang
wie in Beispiel 1 unterzogen. Das resultierende Sintermaterial wurde
auf den spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur und die Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 angeführt.
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Vergleichsbeispiel 3
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Zu
einem Quarzpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,6 μm wurde ein
Molybdänsilicidpulver
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 6,5 μm so zugesetzt, dass die Menge
des letzteren Pulvers 20 Vol.-% des Gesamtvolumens der zwei Pulver
betrug. Dazu wurde 1 Mol-% Natriumhydrogencarbonat, bezogen auf
das Quarzpulver, zugesetzt. Das Vermischen erfolgte in einer Trockenkugelmühle. Das
resultierende Gemisch wurde dem gleichen Pressform- und Heißpressvorgang
wie in Beispiel 1 unterzogen. Das resultierende Sintermaterial wurde
auf den spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur und die Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 angeführt.
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Vergleichsbeisqiel 4
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Zu
einem Quarzpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,6 μm wurde ein
Molybdänsilicidpulver
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 6,5 μm so zugesetzt, dass die Menge
des letzteren Pulvers 35 Vol.-% des Gesamtvolumens der zwei Pulver
betrug. Dazu wurde 1 Mol-% Natriumhydrogencarbonat, bezogen auf
das Quarzpulver, zugesetzt. Das Vermischen erfolgte in einer Trockenkugelmühle. Das
resultierende Gemisch wurde dem gleichen Pressform- und Heißpressvorgang
wie in Beispiel 1 unterzogen. Das resultierende Sintermaterial wurde
auf den spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur und die Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 angeführt.
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Vergleichsqbeispiel 5
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Zu
einem Quarzpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 10 μm wurde ein
Molybdänsilicidpulver
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 80 μm so zugesetzt, dass die Menge
des letzteren Pulvers 25 Vol.-% des Gesamtvolumens der zwei Pulver
betrug. Dazu wurde 1 Mol-% Natriumhydrogencarbonat, bezogen auf
das Quarzpulver, zugesetzt. Das Vermischen erfolgte in einer Nasskugelmühle. Das resultierende Gemisch
wurde dem gleichen Pressform- und Heißpressvorgang wie in Beispiel
1 unterzogen. Das resultierende Sintermaterial wurde auf den spezifischen
Widerstand bei Raumtemperatur und die Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 angeführt.
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Vergleichsbeispiel 6
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Zu
einem Quarzpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,2 μm wurde ein
Metallmolybdänpulver
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 3,1 μm so zugesetzt, dass die Menge
des letzteren Pulvers 25 Vol.-% des Gesamtvolumens der zwei Pulver
betrug. Dazu wurde 1 Mol-% Natriumhydrogencarbonat, bezogen auf
das Quarzpulver, zugesetzt. Das Vermischen erfolgte in einer Trockenkugelmühle.
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Das
resultierende Gemisch wurde bei einem Druck von 200 kg/cm2 einem Pressformverfahren und anschließend einem
isotropen Pressformen bei einem Druck von 7 t/cm2 unterzogen.
Das resultierende Formmaterial wurde bei Normaldruck gebrannt, indem
das Formmaterial 3 Stunden lang in einem Argonstrom bei einer Temperatur
von 1.400 °C
gehalten wurde. Das resultierende Sintermaterial wurde auf den spezifischen
Widerstand bei Raumtemperatur und die Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 angeführt.
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In
den PTC-Materialien der Beispiele 1 bis 9, die unter Verwendung
eines leitfähigen
Füllstoffs
mit einem Teilchendurchmesser von 2 μm oder mehr erhalten wurden,
kam es zu einem geringen spezifischen Widerstand und einem hohen
Widerstandssprung, obwohl sich die PTC-Materialien bezüglich verwendeter
Art der Ausgangsmaterialien, Mischverfahren der Ausgangsmaterialien
und Brennverfahren voneinander unterschieden.
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Im
PTC-Material des Vergleichsbeispiels 1, das auf gleiche Weise wie
in Beispiel 1 erhalten wurde, mit der Ausnahme, dass die Teilchendurchmesser
des leitfähigen
Füllstoffs
nur 1,0 μm
betrugen, kam es zu keiner Bildung von leitfähigen Bahnen, und der spezifische
Widerstand bei Raumtemperatur war hoch, wodurch keine Widerstandssprünge auftraten.
Im PTC-Material des Vergleichsbeispiels 2, das auf gleiche Weise
wie in Beispiel 1 erhalten wurde, mit der Ausnahme, dass die Teilchendurchmesser
des leitfähigen
Füllstoffs
nur 1,0 μm betrugen,
jedoch die Zugabemenge des leitfähigen
Füllstoffs
erhöht
wurde, kam es zur Bildung von leitfähigen Bahnen, und der spezifische
Widerstand bei Raumtemperatur war gering, wobei die leitfähigen Bahnen
bei hohen Temperaturen jedoch nicht unterbrochen werden konnten
und keine Widerstandssprünge
auftraten.
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Im
PTC-Material des Vergleichsbeispiels 3, das auf gleiche Weise wie
in Beispiel 8 erhalten wurde, mit der Ausnahme, dass die Menge des
leitfähigen
Füllstoffs
zu gering war (20 %), kam es zu keiner Bildung von leitfähigen Bahnen,
und der spezifische Widerstand bei Raumtemperatur war hoch, wodurch
keine Widerstandssprünge
auftraten. Im PTC-Material des Vergleichsbeispiels 4, das auf gleiche
Weise wie in Beispiel 8 erhalten wurde, mit der Ausnahme, dass die
Zugabemenge des leitfähigen
Füllstoffs
zu hoch war (35 %), konnten die leitfähigen Bahnen bei hohen Temperaturen
nicht unterbrochen werden, und es traten keine Widerstandssprünge auf.
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Im
PTC-Material des Vergleichsbeispiels 5 mit einer relativen Dichte
von weniger als 90 % trat ein Widerstandssprung auf, wobei es jedoch
sogar bei einer Temperatursenkung zu keinem Rückgang zum Anfangswiderstand
kam. Folglich konnte keine wiederholte Inbetriebnahme durchgeführt werden.
Deshalb wird, wie aus den Beispielen 1 bis 9 ersichtlich wird, eine
relative Dichte von 95 % oder mehr bevorzugt.
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Die
relative Dichte des PTC-Materials wird, wie aus Vergleichsbeispiel
5 hervorgeht, von den Teilchengrößen des
verwendeten Ausgangsmaterials beeinflusst. Die relative Dichte ist
auch gering, wenn eine niedrige Brenntemperatur angewandt wird,
wie aus Vergleichsbeispiel 6 ersichtlich ist.
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Wie
oben beschrieben weist das PTC-Verbundmaterial der vorliegenden
Erfindung eine verlässliche Hitzebeständigkeit
auf, die für
ein strombegrenzendes Bauteil erforderlich ist, da im vorliegenden
PTC-Material Cristobalit als Matrix verwendet wird. Zudem weist
das vorliegende PTC-Material einen geringen spezifischen Widerstand
bei Raumtemperatur und einen hohen Widerstandssprung auf, was bei
herkömmlichen
PTC-Materialien vom SiO2-Typ nicht möglich war,
da darin ein Füllstoff
verwendet wird, der über
eine hohe Leitfähigkeit (z.B.
Metallsilicid) und gesteuerte Teilchendurchmesser verfügt.
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Darüber hinaus
ist mit dem vorliegenden PTC-Material eine wiederholte Inbetriebnahme
möglich,
da dieses eine hohe relative Dichte aufweist.
