DE8309023U1

DE8309023U1 - Flexibles Heizelement in Bandform, das aus elektrisch leitfähigen Körnchen aus PTC-Material und einem organischen isolierenden Kunststoff als Bindemittel

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Publication number: DE8309023U1
Application number: DE19838309023
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-03-25
Filing date: 1983-03-25
Publication date: 1986-02-20

Description

Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen Berlin und München VPA 83 G 7005 DE

Flexibles Heizelement in Bandform, das aus elektrisch leitfähigen Körnchen aus PTC-Material und einem organischen isolierenden Kunststoff als Bindemittel besteht

Die Neuerung betrifft ein flexibles Heizelement in Bandform, bestehend zu wenigstens 50 VoI- % bis höchstens VoI-SK aus elektrisch leitfähigen Körnchen aus keramisch hergestelltem Widerstandsmaterial mit Perowskitstruktur auf der Basis von durch n- und/oder p-Dotierung leitfähigem Bariumtitanat mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes (PTC-Material) und einem Bindemittel aus im ausgehärteten Zustand flexiblem organischem isolierendem Kunststoff, in das die Körnchen eingebettet sind, mit ihm zusammen das Band bilden und die in die Oberflächen hineinragenden Körnchen zur Bildung von Schliffflächen abgeschliffen sind, und aus Stromzuführungsbelägen an den einander gegenüberliegenden Oberflächen des Bandes, die mit den Schliffflächen der Körnchen sperrschichtfrei in Kontakt, stehen und mit dem Bindemittel an Oberflächenbereichen verbunden sind.

In der DE-OS 31 07 290 ist eine Heizvorrichtung mit einem Heizelement zum Erwärmen eines Objektes beschrieben, bei dem das Heizelement Keramikteilchen enthält, die einen positiven Wärmekoeffizienten des Widerstandes haben und in einem Bindemittel verteilt sind. Als Bindemittel kommen

Bck 1 Kth / 16.01.1986

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isolierende anorganische Materialien in Frage, die hauptsächlich aus Aluminiumoxid bestehen. Auch wärmebeständiges Glas kann als Bindemittel verwendet werden. Organisehe isolierende Bindemittel sind ebenfalls erwähnt, wie wärmebeständiger Silikonkautschuk, Nitrilkautschuk, fluorierter Kautschuk, Tetrafluoräthylen-Psrfluoralkoxyäthylen- -Copolymer-Harze, fluorierte Äthylen-Propylen-Harze, PoIytätrafluoräthylen-Harze oder dergleichen. Die mit zermahlenen PTC-Keramikteilchen und einem geeigneten Härtemittel vermischten organischen Bindemittel werden nach für solche organische Bindemittel (Kunststoffe) bekannten Verfahren gehärtet und mit einem Schleifstein geschliffen oder geschnitten, um eine Heizwalze oder eine Heizplatte in gewünschter Form mit gewünschten Abmessungen zu erhalten. Die PTC-Keramikteilchen sollen vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 50 bis 200 pm haben, sie können aber auch eine Teilchengröße von 1 bis 2 mm oder sogar bis zu 3 mm aufweisen.

Bei dem bekannten Heizelement der bekannten Heizvorrichtung sind durch Brechen oder Zerkleinern eines PTC-Keramikmaterials gewonnene Keramikteilchen nahezu gleicher Größe miteinander mit Hilfe eines Bindemittels, wie z.B.

eines organischen Bindemittels, zusammengeklebt. Auf diese Weise sind bei dem bekannten Heizelement die Keramikteilchen in dem Bindemittel so verteilt, daß sie in gegenseitigem Kontakt stehen und daher elektrisches Leiten zeigen. Dementsprechend ist das gesamte Heizelement elektrisch leitend, so daß durch Anlegen einer Spannung an das Heizelement über äußere Stromzuführungsbeläge jedes der Keramikteilchen eine Spannung zur Wärmeerzeugung empfängt. Dabei zeigt das gesamte Heizelement PTC-Eigenschaften, die den-

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jenigen des in dem Heizelement verteilten PTC-Keramik-Füllmaterials ähnlich sein sollen.

Die Oberflächen sind bei dem bekannten Heizelement abgeschliffen, so daß die dort hineinragenden Keramikteilchen Schliffflächen erhalten. An diesen Schuffflächen sind die Keramikteilchen (Körnchen) mit den Stromzufüh-■''". 10 rungsbelägen kontaktiert, wofür beispielsweise Silber, ^rli Kupfer oder Nickel als Elektrodenmaterial genannt wird.

,'■■· Diese Metalle sind auf die Flächen des Heizelementes

j aufgedamft.

Durch die vielfache Berührung der zahlreichen Teilchen aus PTC-Keramikmaterial entstehen Stromwege, wodurch an jeder Grenzschicht zwischen zwei Teilchen Stromübergänge vorhanden sind, die zu einer Erhöhung des Widerstandes führen. Die Berührung der PTC-Keramikteilchen ist, bedingt durch die Gegebenheiten der Teilchenabmessungen und Teilchenformen, jeweils nur punktförmig, so daß der Übergangswiderstand sehr hoch ist.

Es kommt hinzu, daß das bekannte Heizelement im Falle der Verwendung von organischem Bindemittel nicht für sich zur -;■■ Benutzung bestimmt ist, sondern daß das Heizelement dann

auf einem zylindrischen oder ebenen Tragkörper gebildet ι. wird und später diese Form nicht mehr verändert.

30 PTC-Material gemäß Definition im einleitenden Teil ist der auf diesem Gebiet tätigen Fachwelt hinreichend bekannt und in der genannten DE-OS 31 07 290 hinsichtlich sämtlicher Eigenschaften und Variationsmöglichkeiten beschrieben.
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Aus PTC-Material hergestellte sogenannte "Kaltleiter" (PTC-Widerstände, das sind keramisch hergestellte Körper mit einem Positiven Jemperatur-Cpeffizienten) sind als Heizelmente mit selbstthermostatisierendem Effekt bekannt und werden für die verschiedensten Heizzwecke verwendet, beispielsweise für Lötkolben, in Klebepistolen, das sind Werkzeuge, die eine Heizpatrone enthalten, welche einen organischen Kleber schmelzen, ferner für Bügeleisen, Heizplatten sowie zum Vorwärmen von Heizöl. Da solche keramischen Körper aus PTC-Material selbst schlechte Wärmeleiter sind, werden die für Heizzwecke benötigten Kaltleiter sehr dünn hergestellt, wobei dann aber beim Einbau die Gefahr des Bruches besteht. Zusätzlich besteht die Forderung nach exakter Planparallel:'tat der Körper. Gekrümmte Flächen können daher nur unter erhöhten konstruktiven Aufwand thermostatisiert werden.

Der vorliegenden Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, das oben als bekannt geschilderte Heizelement derart weiterzubilden und zu verbessern, daß es flexibel ist, eine hohe Wärmeausnutzung gestattet und auf einfache Weise herstellbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das flexible Heizelement der eingangs angegebenen Art neuerungsgemäß dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Dicke des Bandes und die Abmessungen der Körnchen zu 40 bis 100 % ihrer Menge derart aufeinander abgestimmt sind, daß jedes Körnchen hiervon bis in beide Oberflächen des Bandes hineinreicht und dort an gegenüberliegenden Seiten die Schilffflächen aufweist,

b) daß die auf die beiden Obeflächen des Bandes aufgetragenen Stromzuführungsbeläge direkt mit den beiden Schlifflächen eines jeden Körnchen sperrschichtfrei in Kontakt stehen und

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c) daß auf jedem Stromzuführungsbelag eine biegsame Kontaktierungsauflage vorhanden ist.

Dadurch, daß die überwiegende Zahl der Körnchen bis in beide Oberflächen des Bandes hineinreicht und dort an gegenüberliegenden Seiten die Schliffflächen aufweist, ist einerseits eine einwandfreie, sperrschichtfreie Kontaktierung eines jeden Körnchens mit gegenpoligen Stromzuführungsbelägen gewährleistet. Ferner ist gewährleistet, daß keine durch Berührung von Körnchen entstehenden Ubergangswiderstände die Wärmeausnutzung des Heizelementes beeinträchtigen. Vor allen Dingen ist durch die biegsame Kontaktierungauflage gewährleistet, daß beim Verbiegen des flexiblen Heizelementes auftretende Risse in den Stromzuführungsbelägen, die zu einer Abschaltung des jeweiligen Körnchens vom Stromdurchgang führen, vermieden werden.

Die Füllung des Bandes mit Keramikteilchen ist so zu bemessen, daß sich diese Teilchen gegenseitig möglichst nicht oder nur wenig berühren, damit gewissermaßen ein Gelenkeffekt beim Verbiegen des Bandes auftritt.

Bei dem bekannten Heizelement muß zur möglichst weitgehenden Ausnutzung aller Stromwege das Bindemittel zu einem sehr hohen Anteil mit Körnchen gefüllt sein, damit möglichst keine vollständig isolierten, weil vom Bindemittel umgebenen Körnchen vorhanden sind. Das bekannte Heizelement ist durch diesen Füllgrad somit nicht flexibel. Dies spielt aber für den bekannten Zweck keine Rolle, denn - wie ausgeführt - wird bei Verwendung eines organischen Bindemittels dort ein bleibender starrer Träger benutzt.

Durch die Lehre der vorliegenden Neuerung ist es möglich, den Füllgrad beliebig zu gestalten und es ist sogar erwünscht, daß sich die Körnchen innerhalb des Bandes gegenseitig wegen des Gelenkeffektes nicht berühren. Dennoch

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ist eine hohe Ausnutzung des hindurchgeleiteten Stromes zur Umwandlung in Wärme gewährleistet und Übergangswiderstände durch punktförmige Berührung der Körnchen treten nicht auf.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bestehen.die Körnchen aus einem PTC-Material, das einen Nennwiderstand bei 25° C von 10 Ohm cm bis 10 kOhm cm aufweist, damit das Heizelement im Anfangszustand des Heizeffektes möglichst niederohmig ist und schon bei geringen Stromstärken die volle Heizleistung entwickeln kann.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Körnchen nahezu kugelförmig sind und die Schuffflächen parallele Schnitte dieser Kugelform darstellen, weil dann der Gelenkeffekt besonders gut erreicht werden kann.

Eine Korn^röß^ von 0,5 bis 4 mm , insbesondere 2 mm ist besonders vorteilhaft, weil dann auch das Band nur eine Dicke dieser Größe aufweist und damit an gekrümmte oder gewölbte Oberflächen gut angelegt werden kann.

Die Körnchen können aus dichtgesinterten und erneut zermahlener PTC-Keramik bestehten, die in an sich bekannter Weise hergestellt wurde, oder die Körnchen bestehen aus porösem Granulat aus PTC-Keramik. Solches Granulat wird hergestellt, indem - wie bekannt - zunächst in einem
Reaktionsprozeß bei 900 - HOO⁰C die Ausgangsstoffe für das PTC-Material vorgesintert werden, wonach das Reaktionsgut nach Zugabe von org. Bindemitteln im Sprühverfahren (Wirbelsinterverfahren) bei Temperaturen von 1200 bis 135O⁰C zum gesinterten Granulat umgewandelt wird. Das Reaktionsgut kann aber auch durch Zusatz organischer Bindemittel und anschließendem Passieren durch grobmaschige Siebe n»ft
nachfolgender Sinterung in Granulat umgewandelt werden.

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Die Stromzuführungsbeläge bestehen vorteilhafterweise aus einem einen sperrschichtfreien Kontakt auf den Kaltleiterkcrnchen liefernden Metall und werden z.B. durch das sog. "Flammspritzverfahren" (vgl. US-PS 3 676 211) oder Plasmaverfahren (Sputtern) oder durch Aufdampfverfahren (s. z.B. DE-PS 1 415 406 entsprechend US-PS 3 027 529)

|! aufgetragen.

f Die Stromzuführungsbeläge können aber auch vorteilhafter-

V 10 weise aus stromlos aufgebrachtem Nickel oder Phosphor ent- ^;; haltendem Wickel bestehen. Diese Art der sperrschichtfreien Kontaktierung ist beispielsweise in der DE-PS 24 ,Γ 458 oder in der US-PS 35 86 534 beschrieben.

Die Kontaktierungsauflagen bestehen vorzugsweise aus Metallfolien, insbesondere Bleifolien, aus dünngewalztem, biegsamem Metallblech, wie Kupferblech, Weißblech, aus feinmaschigen Geflechten aus dünnen Drähten (Maschendraht) mit einem Drahtdurchmesser von 0,2 bis 1 mm oder aus klebfähigen Kunststoff, der durch Einlagerung von Leitpartikeln

elektrisch leitfähig ist und in Bandform oder in Form ei-( nes Lackauftrages vorliegt.

Die Kontaktierungsauflagen sind an den Stromzuführungsbelägen befestigt, beispielsweise durch Verwendung eines sogenannten Leitklebers, wie dies in der DE-AS 1 103 419 beschrieben ist, wobei dann auch laschenförmige Stromzuführungsdrähte mit angeklebt werden.

An sich sind dem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann sowohl die Methoden zur sperrschichtfreien Kontaktierung durch Aufdampfen, stromlose Abscheidung oder durch Ver-. festigung bei Erhitzung als auch die Verwendung biegsamer

ι Metallfolien oder Metallbleche und die Befestigung solcher

Auflagen an Metallschichten mittels Leitkleber bekannt. Der Hinweis auf die einschlägigen Literaturstellen ist ein B<2leg hierfür. Die günstigste Kontaktauflage

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besteht aus einem durch Einlagerung von Metallpartikeln : leitfähig gemachtem Klebeband, wie dies ebenfalls in der

schon erwähnten DE-AS 1 103 419 beschrieben ist, oder aus i

einer mit metallisch leitenden Partikeln gefüllten SiIi- ι?

konkautschukschicht oder Polyimidschicht in Form einer ^

Suspension (Lack) aufgetragen und anschließend ausgehär- ;'

tet wird. ^i

Ein Verfahren zum Herstellen des flexiblen Heizelementes |j gemäß der Neuerung sieht beispielsweise vor, daß die Menge Si; der Körnchen einlagig auf den ebenen Boden einer an den > Rändern allseitig begrenzten Form geschüttet und dort c

möglichst gleichmäßig verteilt werden, daß danach die Form mit dem auszuhärtenden organischen Bindemittel so ausgegossen wird, daß die im Durchmesser größten Körnchen gerade , noch überdeckt werden, daß danach das Bindemittel ausgehärtet wird und beide Oberflächen geschliffen, beispielsweise in an sich bekannter Weise geläppt werden, bis der überwiegende Anteil der Körnchen an beiden Seiten Schliffflachen aufweist, wonach die sperrschichtfreien Stromzuführungsbeläge erzeugt und dann darauf die Kontaktierungsauflagen befestigt werden.

Die in der DE-OS 31 07 290 beschriebene Herstellungsart, bei der aus den .Körnchen und den noch nicht ausgehärteten Bindemitteln eine Suspension erzeugt wird, die dann ebenfalls in eine Form gegossen wird, kann zur Herstellung der flexiblen Heizelemente gemäß der vorliegenden Neuerung ebenfalls eingesetzt werden.

Die Neuerung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die schematisch einen Ausschnitt aus einem flexiblen Heizelement gemäß der vorliegenden Neuerung im Schnitt zeigt.

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In der Figur sind die Oberflächen des Heizelementes mit und A bezeichnet; das Bindemittel 2 füllt die Hohlräume zwischen den Körnchen, die hier mit 1 bezeichnet sind.

Durch Abschleifen der Oberfläche nach Bildung des flexiblen Heizelementes entstehen an den Körnchen 1 Schliffflächen 5 und 6 an den Oberflächen 3 und 4. Die Stromzuführungsbeläge 7 und 8 berühren die Körnchen 1 an beiden Schuf flächen 5 und 6, so daß, wie anhand von Stromwegen 18 gezeigt, die Körnchen ohne Unterbrechungen vom Strom durchflossen werden.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß die Körnchen in sich sowohl als dichtgesinterte und danach zermahlene PTC-Ke-

ramik polykristallin sind. Dies gilt auch für Granulat, das sich von dichtgesinterter Keramik dadurch unterscheidet, daß die Granulatkörnchen noch porös sind. Für die Ausbildung der Stromwege 18 spielt dies jedoch kr ine Rolle. 20

Gemäß der vorliegenden Neuerung können auch kleine Körnchen 16 und 17 vorhanden sein, jedoch ist der Anteil solcher Körnchen sehr gering und spielt für den Stromdurchgang keine Rolle, wie es anhand eines schematischen Beispiels dargestellt ist.

Die Oberflächenbereiche 9 und 10 des Bindemittels 2, die zusammen mit den Schlifflächen 5 bzw. 6 die Oberflächen und 4 des Heizelementes bilden, stehen mit den Stromzuführungsbelägen 7 und 8 ebenfalls in Verbindung.

Die Dicke des Heizelementes ist mit 15 bezeichnet. Man erkennt, daß die Dicke 15 und die Abmessungen der Körnchen 1 entsprechend der Erfindung aufeinander abgestimmt sind. 35

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- 10 - VPA 83 G 7005 DE

Auf die Stromzuführungsbeläge 7 und 8 sind Kontaktierungsauflagen 11 und 12 aufgebracht und daran befestigt, wie es oben beschrieben ist. Die Kontaktierungsauflagen 11 und 12 sind biegsam und gewährleisten auf diese Weise, daß beim Verbiegen des flexiblen Heizelementes die Stromzuführungsbeläge 7 und 8 im Bereich der Schilffflächen 5 und 6 der Körnchen 1 stets elektrisch kontaktiert sind. Die nahezu kugelförmigen Körnchen 1 gewährleisten dabei gewissermaßen einen Gelenkeffekt, weil sie miteinander nur geringfügig oder gar nicht innerhalb des Heizelementes in Berührung stehen.

Die Stromzuführungsdrähte 13 und 14 sind an den Kontaktierungsauflagen 11 und 12 befestigt und verbinden das Heizelement mit der Stromquelle, wie dies schematisch dargestellt ist.

Bezugszeichenliste
9 Schutzansprüche
Zusammenfassung
1 Blatt Zeichnungen

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-11- VPA 83 G 7005 DE Bezugszeichenliste

1 Körnchen aus geschliffenem PTC-Material

2 organisches isolierendes Bindemittel Z Oberfläche des Bandes

4 Oberfläche des Bandes

5 Schliffflächen der Körnchen 5 Schliffflächen der Körnchen

7 Stromzuführungsbelag

8 Stromzuführungsbelag

9 Oberflächenbereich des Bindemittels

10 Oberflächenbereich des Bindemittels

11 Kontaktierungsauflage

12 Kontaktierungsauflage

13 Stromzuführungsdraht

14 Stromzuführungsdraht

15 Dicke des Bandes

16 nur in eine Oberrfläche 3 oder 4 reichende Körnchen

17 mit keiner Oberfläche in Berührung sthende Körnchen

18 Stromwege

19 Stromübergänge

Claims

-12- VPA 83 G 7005 DE Schutzansprüche

1. Flexibles Heizelement in Bandform, bestehend zu wenigstens 50 VoI* bis höchstens 95 VoI* aus elektrisch leitfähigen Körnchen aus keramisch hergestelltem Widerstandsmaterial mit Perowskitstruktur auf der Basis von durch n- und/oder p-Dotierung leitfähigem Bariumtitanat mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes (PTC-Material) und einem Bindemittel (2) aus im ausgehärteten Zustand flexiblem organischem isolierendem Kunststoff, in das die Körnchen eingebettet sind, mit ihm zusammen das Band bilden und die in die Oberflächen (3,4) hineinragenden Körnchen zur Bildung von Schliffflächen (5,6) abgeschliffen sind, und aus Stromzuführungsbelägen (7,l>) an den einander gegenüberliegenden Oberflächen (3,4) des Bandes, die/ mit den Schliffflächen (5,6) der Körnchen sperrschichtfrei in Kontakt stehen und mit dem Bindemittel (2) an Oberflächenbereichen (9,10) verbunden sind, d a -durch gekennzeichnet,

a) daß die Dicke (15) des Bandes und die Abmessungen der Körnchen (1) zu 40 bis 100 515 ihrer Menge derart aufeinander abgestimmt sind, daß jedes Körnchen (1) hiervon bis in beide Oberflächen (3,4) des Bandes hineinreicht und dort an gegenüberliegenden Seiten die Schlifffiächen (5,6) aufweist,

b) daß die auf die beiden Oberflächen (3,4) des Bandes

aufgetragenen Stromzuführungsbeläge (7,8) direkt mit den beiden Schliffflächen (5,6) eines jeden Körnchens (1) sperrschichtfrei in Kontakt stehen und

c) daß auf jedem Stromzuführungsbelag (7,8) eine biegsame Kontaktierungsauflage (11,12) vorhanden ist.

2. Flexibles Heizelement nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Körnchen (1) aus einem PTC-Material bestehen, das einen Nennwiderstand bei 25⁰C von 10 Ohm cm bis 10 kOhm cm aufweist.

-13- VPA 83 G 7005 DE

3. Flexibles Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, d a H durch gekennzeichnet, daß die Körn- |i chen (1) nahezu kugelförmig sind und die Schliff flächen

|ζ (5,6) parallele Schnitte dieser Kugelform darstellen.

S 5

4. Flexibles Heizelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, jf dadurch gekennzeichnet, daß die

j'· Körnchen (1) eine Korngröße von 0,5 bis 4 mm, insbesondere

2 mm aufweisen,
ν 10

5. Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die

• Körnchen (1) aus dichtgesinterter und erneut zermahlener

PTC-Keramik bestehen.
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6. Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Körnchen (1) aus porösem Granulat aus PTC-Keramik bestehen.

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7. Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungsbeläge (7,8) durch Flammspritzen,Sputtern oder Aufdampfen eines einen sperrschichtfreien Kontakt auf den Kaltleiterkörnchen (1) liefernden Metall hergestellt sind.

8. Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungsbeläge (7,8) aus stromlos aufgebrachten Nickel oder Phosphor enthaltendem Nickel bestehen.

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-14- VPA 83 G 7005 DE j

9. Flexibles Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ^: dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungsauflagen (11,12) vorhanden sind bestehend aus ] Metallfolien, insbesondere Bleifolien, aus dünngewalztem, φ biegsamem Metallblech, wie Kupferblech, Weißblech, aus |

feinmaschigen Geflechten aus dünnen (Durchmesser 0,2 bis 1 |; mm) Drähten (Maschendraht) oder aus klebfähigen Kunststoff, der durch Einlagerung von Leitpartikeln elektrisch leitfähig ist, in Bandform oder als Lackauftrag.