EP2740146A2 - Verfahren zur herstellung eines elektrisch leitenden materials, elektrisch leitendes material sowie strahler mit elektrisch leitendem material - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines elektrisch leitenden materials, elektrisch leitendes material sowie strahler mit elektrisch leitendem material

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EP2740146A2
EP2740146A2 EP12734807.6A EP12734807A EP2740146A2 EP 2740146 A2 EP2740146 A2 EP 2740146A2 EP 12734807 A EP12734807 A EP 12734807A EP 2740146 A2 EP2740146 A2 EP 2740146A2
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EP
European Patent Office
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electrically conductive
conductive material
fibers
carbon
mixture
Prior art date
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EP12734807.6A
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French (fr)
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EP2740146B1 (de
Inventor
Sven Linow
Maike Klumpp
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Heraeus Noblelight GmbH
Original Assignee
Heraeus Noblelight GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K3/00—Apparatus or processes adapted to the manufacture, installing, removal, or maintenance of incandescent lamps or parts thereof
    • H01K3/02—Manufacture of incandescent bodies
    • H—ELECTRICITY
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    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H05B3/146—Conductive polymers, e.g. polyethylene, thermoplastics
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/017—Manufacturing methods or apparatus for heaters

Definitions

  • the present application relates to a method for producing an electrically conductive material, an electrically conductive material and a radiator, which includes an electrically conductive material.
  • the electrically conductive materials in question come in particular as electrically heated elements for use in incandescent or infrared radiators into consideration. Accordingly, such electrically conductive materials are particularly suitable for the targeted emission of rays in the visible and especially in the non-visible wavelength range.
  • electrically conductive materials are often carbon-based or consist predominantly of carbon. Electrically conductive materials of the type in question may, however, alternatively or additionally comprise materials other than carbon as starting material which provide electrical conductivity.
  • electrically conductive materials in question may also be referred to as filament, filament, filament, heating rod and in particular as filament. If filaments are mentioned below, the electrically conductive material from which the filament is constructed is always included.
  • electrically conductive materials in particular of carbon-based materials, for use as an electrically heated element for use in incandescent lamps or infrared radiators has long been known.
  • Such electrically conductive materials undergo a variety of manufacturing steps designed to prepare the materials for continuous use at temperatures above 800 ° C.
  • the electrical properties are generally adjusted so that the desired performance (infrared radiation) or the color temperature (incandescent lamps) are achieved at a given rated voltage and given dimensions of the radiation source.
  • the electrically conductive material should have sufficient mechanical strength and dimensional stability.
  • the effort and cost of producing the electrically conductive material should be within a reasonable range.
  • electrically conductive materials will generally vary the requirements shown above, and various technical solutions to comply with these requirements will be selected by the competent expert.
  • An overview of the production of said electrically conductive materials is John W. Howell, Henry Schroeder: History of the Incandescent Lamp, The Maqua Company, Schenectady, NY 1927, removable.
  • said electrically conductive materials can be produced by surrounding fibers which have an electrical conductivity with a suitable surrounding material. This surrounding material can then provide a suitable matrix for the electrically conductive fibers, in particular after a heat treatment has been carried out.
  • EP 0 700 629 B1 discloses electrically conductive materials, in particular as filaments, which provide high powers with a long radiator length and, at the same time, acceptable stability of the electrically conductive material, namely the filament.
  • electrical resistance of the proposed filaments is too low to be able to operate short or very long radiators at industrial electrical voltages.
  • a variation of the type of electrically conductive fibers within the electrically conductive material or the type of resin as a matrix former provides no significant change in this property, if the filament of electrically conductive material is to be simultaneously processed safely.
  • an electrically conductive material may be made of crystalline carbon, amorphous carbon, and other conductivity adjusting substances, such as nitrogen and / or boron.
  • Such materials are described in US 6,845,217 B2.
  • US 6,627,144 proposes the use of organic resin, carbon powder, silicon carbide and boron nitride.
  • electrically conductive material produced in these ways has the property that filaments or heating rods obtained therefrom must not fall below a certain not inconsiderable thickness. Furthermore, the length of such filaments or heating rods is limited to the top. However, the cross section of the filaments resulting from these mechanical requirements results in high conductivity with a low surface area. In addition, the low mechanical stability of such filaments makes industrial processing difficult or even impossible. In order to obtain a good mechanical stability with lower conductivity, the use of electrically conductive materials for lamps or radiators based on fibers or fibrous material is known.
  • the assembled electrically conductive material for example, as a filament or heating rod
  • small thicknesses of the assembled electrically conductive material can be achieved with simultaneously large surfaces, so that in comparison to amorphous graphite higher conductivity in the Fibers can be compensated.
  • Such filaments are usually produced by means of a carbonization and optionally a graphitization.
  • the carbonization is usually carried out at temperatures between 400 ° C and 500 ° C under inert atmosphere, wherein hydrogen, oxygen and nitrogen and optionally other elements present in particular from the material surrounding the electrically conductive fibers (surrounding material) are eliminated, so that an electrically conductive material produced with high carbon content.
  • the surrounding material becomes the matrix which surrounds the electrically conductive fibers.
  • a graphitization takes place at temperatures between 1500 ° C and 3000 ° C under an inert atmosphere at atmospheric pressure or in a vacuum, after carbonation optionally still existing carbon-free components from the electrically conductive fibers and the surrounding matrix ausasen and thereby the microstructure of the electrically conductive Material is affected.
  • the matrix is understood as meaning the carbonized material surrounding the electrically conductive fibers (i.e., the carbonized surrounding material).
  • the electrical properties of the electrically conductive material can already be influenced during a Grafitmaschines Kunststoffs.
  • This effect is described in HO Pierson: Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerenes, Noyes Publications, Park Ridge, NJ 1993.
  • HO Pierson Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerenes, Noyes Publications, Park Ridge, NJ 1993.
  • this effect is electrically conductive during manufacture Material for long spotlights straight counterproductive, since for long radiators electrically conductive materials with high resistances at high filament temperatures are needed.
  • the present invention has the object to provide an electrically conductive material and a method for its production, which the operation of
  • Emitters in particular of infrared radiators, of any length allowed at normal mains voltages.
  • the present invention was also based on the object of specifying an electrically conductive material or a method for the production thereof which is suitable for use in emitters, in particular in infrared emitters, and in particular in carbon infrared emitters, and which is in great lengths, ie greater than 0.25 m, preferably greater than 0.5 m, preferably greater than 1, 0 m and particularly preferably greater than 2.0 m, can be produced. Furthermore, the present invention has the object, an electrically conductive material or a method for the production thereof which is suitable for use in emitters, in particular in infrared emitters, and in particular in carbon infrared emitters, and which is in great lengths, ie greater than 0.25 m, preferably greater than 0.5 m, preferably greater than 1, 0 m and particularly preferably greater than 2.0 m, can be produced. Furthermore, the present invention has the object, an electrically conductive material or a method for the production thereof which is suitable for use in emitters, in particular in infrared emitters,
  • Specify material or a method for its production which has a higher electrical resistance in otherwise the same configuration (length, diameter) compared to previously known electrically conductive materials.
  • a contribution to achieving at least one of the above-mentioned objects is provided by a method for producing an electrically conductive material, the method comprising the steps of: a. Providing a carbon fiber,
  • the carbonized plastic fibers form a carbon-based, electrically conductive matrix that at least partially surrounds the carbon fibers.
  • the mixture in the form of a flat layer preferably forms a so-called nonwoven.
  • the scrim is formed of carbon fibers and plastic fibers each having a short fiber length.
  • the electrical resistance of the inventively produced electrically conductive material is based primarily on the ratio of the number or the respective mass of the carbon fibers and the plastic fibers, the length of the fibers, in particular the carbon fibers, the orientation of the fibers to each other and the specific number of Points of contact between different carbon fibers within the material.
  • a current flow oriented in any possible current direction forcibly passes through the electrically conductive material at least in regions through the matrix, which at least partially surrounds the electrically conductive fibers.
  • the electrical properties of the electrically conductive material can be varied in a previously unattainable manner for a very targeted and accurate and on the other in a surprisingly wide range.
  • the matrix material which has an electrical conductivity
  • a targeted and precise selection of the matrix material can result in a very precise and reproducible design of the electrical properties of the electrically conductive material.
  • a matrix material having a rather low or else a high electrical conductivity can be selected.
  • the matrix material arises from the carbonization of the plastic fibers used for the preparation of the mixture.
  • An electrically conductive material according to the invention comprises on the one hand a base material which is suitable for further processing and / or shaping.
  • the term of the electrically conductive material according to the invention also materials that have already undergone a certain confectioning, and in particular also includes a filament, a filament, a filament, a heating rod, or the like.
  • the electrically conductive material may already have electrical connections.
  • the electrically conductive material of the invention relates to materials or filaments, in particular flat filaments, for light radiators, in particular lamps or infrared radiators whose filament temperature significantly exceeds the oxidation limit of carbon in air, and which therefore in vacuum or be operated under a protective atmosphere, in particular under argon.
  • a clutch in the sense of the present application describes a mixture of a multiplicity of individual threads, namely fibers, which are deposited randomly in comparison to braiding or weaving.
  • Such a fabric arises in particular in the mixing and depositing of different threads or fibers, each with a short length.
  • fabrics are generally made by passing one or more weft threads through a series of warp threads.
  • warp and weft threads are at an angle of about 90 ° to each other.
  • at least three threads are laid around each other. As a rule, these are at least three threads in an angle deviating from about 90 ° to each other.
  • weaving and weaving there is no leadership of the individual felicitous.
  • the plastic fibers can also be referred to as surrounding material which surrounds the carbon fibers.
  • This surrounding material can coat, bind, hold or impregnate the carbon fibers.
  • the mixture in the form of a sheet-like compound of the carbon fiber and the plastic fiber, in particular in a consolidated form, can also be referred to as a composite of carbon fibers and synthetic fibers.
  • other additives may be present, as appropriate.
  • Such a configuration of the composite between carbon fibers and plastic fibers therefore does not represent a departure from the general idea of the invention.
  • the carbon fibers are also referred to below as electrically conductive fibers. These terms are used synonymously.
  • a consolidation of the mixture in the sense of the application describes a mechanical consolidation or compaction of the mixture of the carbon fiber and the plastic fiber.
  • the consolidation can be accompanied by a heat effect. Consolidation can be accomplished, for example, by rolling or heating the mixture, or both.
  • Carbonizing the mixture to convert the plastic fibers into a carbon-based, electrically conductive matrix involves high temperature treatment of the consolidated mixture in a temperature range of 600 ° C to 1500 ° C. Particularly preferred is a temperature range of 800 ° C to 1200 ° C.
  • a carbon-based matrix which has an electrical conductivity is formed from the plastic fibers or from the surrounding material. The matrix at least partially surrounds the carbon fibers, which undergo substantially no conversion during the carbonation step.
  • carbonization can be followed by graphitization. Both process steps have already been explained above.
  • a possible current direction or current flow direction through the electrically conductive material initially describes any direction in which current can be conducted through the electrically conductive material according to the invention.
  • a preferred current flow direction preferably relates to a longitudinal direction of extension of the electrically conductive material.
  • Such a longitudinal extension direction can coincide in particular with the longitudinal axis of a radiator housing into which the electrically conductive material, in particular as a filament, can be introduced.
  • the electrically conductive material it is always possible for the electrically conductive material to be of a meandering or meandering configuration, so that in this respect a direction of longitudinal extent of the electrically conductive material can deviate from a longitudinal axis of a surrounding housing.
  • a possible current flow direction relates to the longitudinal direction of a filament.
  • the mass fraction of carbon fibers based on the mixture is 1 mass% (wt .-%) to 70 wt .-%.
  • the mass fraction is preferably 30% by mass to 60% by mass, particularly preferably 45% by mass to 55% by mass.
  • the mixture has a fiber surface weight of 75 g / m 2 to 500 g / m 2 .
  • Particular preference is given to a fiber surface weight of 120 g / m 2 to 260 g / m 2 . This information on preferred fiber surface weights refers to a not yet carbonized but already consolidated mixture.
  • a refinement of the method proves to be expedient, wherein within the mixture the carbon fibers and the synthetic fibers differ in their length by at most 50%, based on the length of the carbon fibers.
  • the carbon fibers and the plastic fibers differ in length by a maximum of 10%, particularly preferably by not more than 5%, in each case based on the length of the carbon fibers.
  • the respective fiber length is to be understood as a mean fiber length of the respective species, which can be determined by known statistical methods.
  • the same length as possible of carbon fibers and synthetic fibers initially facilitates the production of a homogeneous mixture.
  • the electrical properties of the subsequently produced electrically conductive material are better adjustable under this condition and thus more accurately predictable.
  • the carbon fiber or the plastic fiber or both have a fiber length of 3 mm to 30 mm within the mixture. Preference is given to a fiber length in a range of 10 mm to 25 mm, and particularly preferably in a range of 15 mm to 20 mm.
  • a better miscibility of the components as well as a precise adjustability of the electrical properties of the electrically conductive material produced later are also obtained.
  • the carbon fiber is preferably obtained from polyacrylonitrile (PAN), tar or viscose, or a mixture of at least two thereof.
  • the carbon fiber preferably has a PAN-based fiber and / or a fiber without coating the surface. If the surface is coated, a coating is preferred which leaves a carbon residue upon further carbonization, but at least does not damage the carbon fiber.
  • a further advantageous embodiment of the method is characterized in that the plastic fiber includes a thermoplastic material.
  • the proportion of thermoplastics on the plastic fiber is preferably at least 40% by mass, preferably at least 80% by mass, and particularly preferably at least 95% by mass, in each case based on the total mass of the plastic fiber.
  • thermoplastic which has thermoplastic components or consists entirely of thermoplastics, proves to be particularly suitable for mixing with a carbon fiber and for producing a flat Geleges. Furthermore, high carbon content is achieved from thermoplastics after carbonization. The thermal consolidation of mixtures comprising thermoplastics is also facilitated.
  • the thermoplastic may include polyethersulfone (PES), polyetheretherketone (PEEK), polyetherimide (PEI), polyethylene terephthalate (PET), polyphthalamide (PPA), polyphenylene sulfide (PPS) or polyimide (PI), or a blend of at least two , Particularly preferred are PEEK and / or PET, which provide a high carbon content after carbonization.
  • thermosetting plastic is used in addition to the plastic fiber made of thermoplastic material.
  • This thermosetting plastic may preferably include a vinyl ester resin, a phenolic resin or an epoxy resin, or a mixture of at least two thereof.
  • the electrically conductive material is produced with a carbon content of at least 95% by mass.
  • a preferred carbon content is in particular more than 96% by mass, particularly preferably more than 97% by mass.
  • a preferred upper limit for the carbon content, however, is 99.6% by mass.
  • the matrix has a lower specific electrical conductivity than the electrically conductive fibers.
  • an increase in the electrical resistance of the electrically conductive material can be achieved overall.
  • the matrix has a specific conductivity of at least 5, preferably at least 10, lower than that of the electrically conductive fibers.
  • a preferred embodiment of the method provides for the use of carbon fibers, in particular of PAN-based carbon fibers, which at room temperature has a specific electrical resistance of from 1.0 to 10 -3 to 1.7 x 10 3 ⁇ cm, more preferably 1, 6 ⁇ 10 3 ⁇ cm.
  • the use of synthetic fibers is preferred which have a specific electrical resistance of more than 10 7 ⁇ cm, particularly preferably more than 10 16 ⁇ cm, at room temperature
  • Plastic fibers is produced in a subsequent step of the method according to the invention, the electrical conductivity matrix.
  • thermoplastic and / or thermosetting parts are preferred.
  • further fillers such as inorganic particles, preferably oxides, sulfates or aluminates, or mixtures thereof, may be added.
  • the plastic fiber comprises a thermoplastic material as surrounding material and basis for the matrix.
  • the surrounding material may also comprise a thermosetting material.
  • the scrim is again deformed by heating before forming and deformed, in particular by pulling and / or stretching in the plane of the scrim and / or by deformation perpendicular to the plane of the scrim and / or by twisting of the occasion.
  • a targeted influencing of the electrical and / or mechanical properties of the subsequently produced electrically conductive material is made possible.
  • the scrim may be reinforced by at least one layer of carbon fibers prior to carbonization, in particular prior to slicing or consolidation or drying.
  • the material may be reinforced by at least one carbon fiber roving prior to carbonization, in particular prior to trimming or consolidation or drying.
  • Carbon fiber rovings are bundles of carbon fibers, which preferably have very long lengths. Furthermore, rovings are preferably non-twisted fiber bundles. Commercially available rovings are offered for example with 12000, 3000 and more rarely with 1000 fibers per roving. The diameter of a single carbon fiber is generally about 5 pm to about 8 [im.
  • the scrim is thermally consolidated prior to strengthening with at least one layer or at least one roving of carbon fibers, and is re-thermally consolidated after strengthening and before carbonization.
  • an embodiment of the method is proposed in which carbon is removed from the electrically conductive material.
  • This removal process preferably takes place after the completion of the electrically conductive material.
  • a treatment of the electrically conductive material with a reactive fluid, in particular hydrogen and / or water vapor.
  • a protective gas can be used in the treatment, preferably argon.
  • a contribution to the solution of the abovementioned objects is also provided by an electrically conductive material obtainable by a process according to the present invention.
  • This electrically conductive material can serve in particular for the generation of infrared radiation, and is particularly suitable for the provision of filaments, filaments, incandescent filaments, incandescent filaments or heating rods as radiation sources, in particular for infrared radiators. Reference is made to the statements relating to the method according to the invention.
  • Particularly preferred is an embodiment in which more than 40% of the carbon fibers passing through the cutting plane do not contact any further carbon fiber extending through the same cutting plane.
  • the statement of the proportion of those carbon fibers which contact no further carbon fiber extending through the same sectional plane is a measure of the specific electrical resistance of the electrically conductive material.
  • the electrical properties of the electrically conductive material are adjustable in a wide range and with considerable accuracy.
  • the proportion of contacting carbon fibers can be determined by statistical methods. In this case, microscopic sectional photographs of the electrically conductive material can be used.
  • a said cutting plane is defined by the electrically conductive material so that the cutting plane is oriented orthogonal to a possible current flow direction through the material.
  • the concept of a possible current flow direction through the electrically conductive material has already been defined. It is expedient in particular to determine a cutting ne, which is oriented orthogonal to a longitudinal extension direction of the electrically conductive material, in particular wherein the electrically conductive material is elongated, preferably as a filament.
  • the matrix has a defined specific electrical conductivity
  • the matrix specifies an orientation of the carbon fibers
  • the matrix specifies a specific number of points of contact between carbon fibers, iv. the carbon fibers are distributed and / or oriented in the matrix in such a way that a current flow through the material necessarily passes through at least part of the matrix.
  • an electrically conductive material which has several of the above-mentioned properties, very particularly preferred is a material which has all of these properties.
  • the electrically conductive material according to the invention can also be produced directly as a filament, which already has electrical terminal contacts.
  • the plastic fiber has a thermoplastic plastic
  • the following partial method is proposed: a) cutting the slip, b) attaching the electrical end contacts, c) carbonization, d) graphitization. Subsequently, the filament can be processed to a spotlight.
  • the plastic fiber has a thermosetting plastic
  • the following partial method is preferred: a) cutting the slip, b) attaching the electrical end contacts, c) optionally oxidation, d) carbonization, e) graphitization. Subsequently, the filament can be processed to a spotlight.
  • a contribution to the solution of the aforementioned objects is also provided by a spotlight, which includes:
  • the electrically conductive material arranged in the radiator can in particular be made up as a filament and / or in the form of a filament, a filament, a filament, a heating rod or a heating plate.
  • a radiator in which the electrically conductive material has such flexibility that it is circular and over its entire length by a radius of 1, 0 m, preferably less than 1.0 m, more preferably of 0.25 m, bent can be without causing breakage of the carbon fibers and / or the matrix and / or separation of carbon fibers and the matrix.
  • the electrically conductive material should have the tendency to return to its stretched shape after bending.
  • the emitter may comprise an electrically conductive material which has an electrical conductivity, measured as the electrical operating voltage per length of the electrically conductive material, in particular of the filament, in a range greater than 150 V / m, preferably greater than 300 V / m.
  • FIG. 1 schematically shows a greatly enlarged sectional view of a mixture 1 in the form of a sheet 2, wherein the mixture 1 within a preferred embodiment of the method according to the invention represents a precursor of the electrically conductive material obtainable according to the invention.
  • the sheet-like scrim 2 is a mixture 1 of substantially randomly deposited carbon fibers 3 (shown filled) and plastic fibers 4 (shown in outline), which each have a short fiber length in the range between about 3 mm to about 30 mm.
  • the carbon fibers 3 and the plastic fibers 4 differ in their length by a maximum of 50%, based on the length of the carbon fibers 3.
  • the plastic fibers 4 in this case contain a thermoplastic material.
  • a thermoplastic material In particular PEEK and / or PET is preferred.
  • consolidation of the mixture 1, namely the sheet 2 takes place after a possibly necessary drying step. Thereafter, the mixture 1 can preferably have a fiber area weight of 75 g / m 2 to 500 g / m 2 have.
  • the carbonization of the mixture 1 is then carried out, the carbonized plastic fibers 4 being converted into a carbon-based, electrical conductivity-containing matrix which at least partially surrounds the carbon fibers 3.
  • This matrix is formed only in the electrically available according to the invention, electrically conductive material and therefore not yet shown in Fig. 1.
  • FIG. 2 shows in a likewise schematic, greatly enlarged sectional view a section of a preferred embodiment of the electrically conductive material 5 according to the invention, which is obtainable by a preferred embodiment of the method according to the invention.
  • the carbon fibers 3 are still shown as filled in.
  • the carbon fibers of the plastic fibers have been used to form a carbon-based matrix 6 containing electrical conductivity, which surrounds the carbon fibers 3. Therefore, the plastic fibers in Fig. 2 are no longer shown.
  • the electrically conductive material 5 according to the invention is formed in this example as filament 7, of which a middle section is shown.
  • the electrically conductive material 5, namely the filament 7, extends in a longitudinal direction 8, which coincides with the direction of current flow 9 during later operation of the filament 7.
  • FIG. 2 additionally illustrates a consideration for the quantitative determination of the number of contact points 10 between carbon fibers 3 within the matrix 6.
  • a sectional plane 11 is arbitrarily determined by the electrically conductive material 5.
  • the sectional plane 11 is expediently oriented orthogonal to a possible current flow direction 9.
  • the current flow direction 9 is predetermined by the longitudinal extension direction 8 of the filament 7, so that the cutting plane 11 is oriented orthogonally to the longitudinal direction 8 of the filament 7.
  • FIG 3 shows a side view of a preferred embodiment of a radiator 12 according to the invention, which is designed here as an infrared radiator.
  • the radiator 12 comprises an electrically conductive material 5, which is formed as an elongate filament 7.
  • the filament 7 is made of an electrically conductive material 5 according to the present invention.
  • the filament 7 is surrounded by a transparent housing 13, which may also be referred to as a cladding tube.
  • a protective gas namely argon.
  • the filament 7 can be operated in the housing 13 under vacuum.
  • the filament 7 is connected by means of contact elements 14 with electrical leads 15. Between the contact elements 14 and the electrical leads 15 each have a spiral compensating element 16 is arranged to compensate for the different thermal expansion of the housing 13 and the filament 7 can.
  • the electrical leads 15 are led out of the housing 13 in a vacuum-tight manner. Crimp connections or any other suitable techniques for vacuum-tight implementation can be used for this purpose.
  • the specified values of the specific electrical resistance refer to a determination by a measuring method according to DIN IEC 60093: 1983; Test method for electrical insulation materials; Specific volume resistance and surface resistivity of solid, electrically insulating materials.
  • the electrical resistance of the electrically conductive material incorporated in a radiator and / or during normal operation can be calculated from a measurement of the voltage drop across the radiator and the measurement of the current flowing through the radiator, by Ohm's law. If the geometrical dimensions of the electrically conductive material have also been determined prior to the incorporation of the electrically conductive material into the radiator, the temperature-dependent temperature can also be determined in this way
  • a determination of the specific electrical conductivity can be carried out by separately measuring the electrically conductive fibers (namely the carbon fibers) before they are used to produce the electrically conductive material and the matrix material (namely the carbonized plastic fibers).
  • the matrix material without electrically conductive fibers can be obtained by, for example, 50 g of the plastic fibers (for example, a thermoplastic polymer) under exclusion of air for about 60 min at about 980 ° C heat treated.
  • the fiber lengths are geometrically determinable before processing into a background. From these values, the average fiber length and the fiber length distribution can be derived. The fiber lengths change by cutting the filaments on average in a predictable manner.
  • the flexibility can be determined by bending the electrically conductive material circularly and over its entire length by a radius, which may preferably have a value of approximately 0.25 m-1.0 m.
  • the non-occurrence of fractures of the carbon fibers and / or the matrix and / or the absence of a separation of carbon fibers and the matrix is a measure of the flexibility of the electrically conductive material.
  • electrically conductive materials are considered to be particularly flexible if they can be bent around a circular profile with a radius of 0.25 m. In order to pass the flexibility test with a specific radius, the electrically conductive material should always have the tendency to return to the stretched shape previously impressed on it.
  • the electrically conductive material here in the form of a filament
  • a so-called non-woven material is first produced, from which then the filaments are cut to the required dimensions.
  • the non-woven material is composed of 3-12 mm length cut carbon fibers and about the same length cut fibers made of a thermoplastic, in this case PEEK together.
  • PET is also possible, but then, if necessary, a different ratio of carbon fibers to thermoplastic fibers must be selected.
  • the carbon fibers and the plastic fibers, here in the form of thermoplastic fibers are distributed simultaneously and homogeneously on one surface. The uniform distribution takes place, for example via a vibrator, which distributes the fibers on an expiring belt.
  • the vibrator preferably has a track width of 300 mm.
  • the carbon fibers and the thermoplastic fibers are preferably a) distributed in a uniform density over the surface, so that a homogeneous distribution of thermoplastic fibers and carbon fibers takes place even on a small scale, and b) distributed in a mixing and mutually overlapping manner on the surface. It should be avoided that distinguishable layers of carbon fibers and plastic fibers on top of each other and not homogeneously mixed.
  • a homogenous distribution which also exists on a small scale means that a homogeneous distribution is preferably present on an area of 10 mm ⁇ 10 mm, preferably 4 mm ⁇ 4 mm.
  • the later electrical properties of the electrically conductive material are defined.
  • the electrical conductivity can u.a. over the basis weight, i. the mass per area of the consolidated material, the number of carbon fiber contact points per unit area, and the volume fraction of plastic fibers in the consolidated mixture.
  • the consolidated mixture is now dried, if necessary, and then thermally consolidated.
  • the spilled material is first heated, which is preferably done by means of infrared radiation.
  • the proportion of the mixture formed from the synthetic fibers here consisting of thermoplastics, becomes deformable and is compressed directly after the heating process between hot and pressurized rolls.
  • the required filaments are then cut to the desired width and length. Subsequently, electrical contacts are applied to the filaments, the filaments are carbonized and then graphitized as needed.
  • these filaments can be provided with electrical leads, are introduced into quartz tubes and these quartz tubes are suitably closed, so that inside the radiator tube formed a protective gas atmosphere, preferably of argon, can be located. Finally, ceramics and electrical leads are attached to the outside as needed.
  • a protective gas atmosphere preferably of argon
  • the electrically conductive material here in the form of a filament
  • a so-called non-woven material is first produced, from which then the filaments are cut to the required dimensions.
  • the non-woven material is composed of 3-12 mm length cut carbon fibers and about the same length cut fibers made of a thermoplastic, in this case PEEK together.
  • a thermoplastic in this case PEEK together.
  • PET is also possible, but then, if necessary, a different ratio of carbon fibers to thermoplastic fibers must be selected.
  • the carbon fibers and the plastic fibers are distributed simultaneously and homogeneously on one surface.
  • the uniform distribution is e.g. via a vibrator, which distributes the fibers on an expiring belt.
  • the vibrator preferably has a track width of 300 mm.
  • the carbon fibers and the thermoplastic fibers are preferably a) distributed in a uniform density over the surface, so that a homogeneous distribution of thermoplastic fibers and carbon fibers takes place even on a small scale, and b) distributed in a mixing and mutually overlapping manner on the surface. It should be avoided that distinguishable layers of carbon fibers and plastic fibers on top of each other and not homogeneously mixed.
  • a homogenous distribution which also exists on a small scale means that a homogeneous distribution is preferably present on an area of 10 mm ⁇ 10 mm, preferably 4 mm ⁇ 4 mm.
  • the later electrical properties of the electrically conductive material are defined.
  • the electrical conductivity can be determined, inter alia, via the surface weight, ie the mass per area of the consolidated material, the number of carbon fiber contact points per unit area, and the volume fraction of plastic fibers in the consolidated mixture. The fewer points of contact of carbon fibers are present to each other and the higher the proportion of plastic fibers, the higher the specific electrical resistance of the electrically conductive material.
  • the consolidated mixture is now dried, if necessary, and then thermally consolidated.
  • the spilled material is first heated, which is preferably done by means of infrared radiation.
  • the proportion of the mixture formed from the synthetic fibers, here consisting of thermoplastics becomes deformable and is compressed directly after the heating process between hot and pressurized rolls.
  • the required filaments are then cut to the desired width and length.
  • these filaments are now plasticized by heat and reshaped. So it is possible to draw the band (filament) locally and also to deform it in the plane.
  • desired electrical properties of the later electrically conductive material can be designed in a targeted manner.
  • the ribbon (filament) is subsequently stretched in length so as to allow preferential alignment of the fibers in the longitudinal direction of the ribbon.
  • the resistance of the strip itself is essentially no longer changed, since this is essentially determined by the length of the line route and the number of points of contact between the carbon fibers.
  • the specific filament length electrical power output (typically expressed in W / cm) is varied.
  • the ribbon (filament) is subsequently stretched in width so as to have a preferred orientation of the fibers in the transverse direction to enable the band.
  • the resistance of the tape itself is essentially no longer changed, but the specific power output (typically expressed in W / cm) is changed.
  • Embodiment 2.3 According to this embodiment, a twisted filament is produced.
  • the stretched and heated filament is transferred by means of suitable rollers and guides in a drilled shape in itself.
  • the helical shape can remain stress-free in the material after cooling.
  • electrical contacts are applied to the filaments and the filaments are carbonized.
  • twisted filament tapes are stabilized in shape by means of holders stored in the oven so that the twisted shape of the tapes is not lost. After carbonization then there are twisted tension-free tapes, which can now be graphitized if necessary.
  • the filaments according to embodiments 2.1 and 2.2 are carbonized according to the steps described above in a manner already described in detail.
  • these filaments can be provided with electrical supply lines, introduced into the quartz tube, and these quartz tubes can be suitably closed so that a protective gas atmosphere, preferably of argon, can be located inside the emitter tube formed.
  • a protective gas atmosphere preferably of argon
  • a non-woven material is produced which is additionally reinforced with continuous carbon fibers. From this reinforced material then the filaments are cut to the required dimensions.
  • the non-woven material consists of cut to 3-12 mm length cut carbon fibers and about the same length cut fibers from a thermoplastic, in this case PEEK together.
  • a thermoplastic in this case PEEK together.
  • PET is also possible, but then, if necessary, a different ratio of carbon fibers to thermoplastic fibers must be selected.
  • the carbon fibers and the plastic fibers are distributed simultaneously and homogeneously on one surface.
  • the uniform distribution is e.g. via a vibrator, which distributes the fibers on an expiring belt.
  • the vibrator preferably has a track width of 300 mm.
  • the carbon fibers and the thermoplastic fibers are preferably a) distributed in a uniform density over the surface, so that a homogeneous distribution of thermoplastic fibers and carbon fibers takes place even on a small scale, and b) distributed in a mixing and mutually overlapping manner on the surface. It should be avoided that on the surface distinguishable layers of carbon fibers and plastic fibers are superimposed and not homogeneously mixed.
  • a homogenous distribution which also exists on a small scale means that a homogeneous distribution is preferably present on an area of 10 mm ⁇ 10 mm, preferably 4 mm ⁇ 4 mm.
  • the electrical conductivity can u.a. over the basis weight, i. the mass per area of the consolidated material, the number of carbon fiber contact points per unit area, and the volume fraction of plastic fibers in the consolidated mixture. The fewer points of contact of carbon fibers are present to each other and the higher the proportion of plastic fibers, the higher the specific electrical resistance of the electrically conductive material.
  • This non-woven material is now reinforced by one or more carbon fiber layers by applying one or more carbon fiber layers on one or both sides of the non-woven material.
  • a carbon fiber layer is made by passing one or more carbon fiber rovings through a wide, fine comb so that the fibers are as broad as possible. be spread parallel to each other over a larger area. In the carbon fiber layer obtained in this way, many fibers are arranged side by side over the width, the thickness resulting from individual or a few superimposed carbon fibers.
  • the mixture is now optionally dried and is then thermally consolidated.
  • the poured material is first heated (preferably by means of infrared radiation) together with the carbon fibers and optionally underlayed, so that the plastic component, in this case thermoplastics, becomes deformable and is compressed directly in the connection between hot and pressurized rolls ,
  • the filaments are then cut to the desired width and length.
  • the further processing is analogous to Embodiment 1, but great care should be taken in parallel alignment of the reinforcing carbon fibers with respect to the pulling direction. Furthermore, the longitudinal cutting should be exactly parallel to the reinforcing carbon fiber rovings.
  • the electrically conductive material here in the form of a filament
  • a so-called non-woven material is first produced, which is additionally reinforced with continuous carbon fibers. From this reinforced material then the filaments are cut to the required dimensions.
  • the non-woven material is composed of 3-12 mm length cut carbon fibers and about the same length cut fibers made of a thermoplastic, in this case PEEK together.
  • a thermoplastic in this case PEEK together.
  • PET is also possible, but then, if necessary, a different ratio of carbon fibers to thermoplastic fibers must be selected.
  • the carbon fibers and the plastic fibers are distributed simultaneously and homogeneously on one surface.
  • the uniform distribution takes place, for example via a vibrator, which distributes the fibers on an expiring belt.
  • the vibrator preferably has a track width of 300 mm.
  • the carbon fibers and the thermoplastic fibers are preferably a) distributed in a uniform density over the surface, so that even a small space homogeneous distribution of thermoplastic fibers and carbon fibers takes place, and b) mixing and distributing each other over the surface. It should be avoided that distinguishable layers of carbon fibers and synthetic fibers are present on the surface and not homogeneously mixed.
  • a homogenous distribution which also exists on a small scale means that a homogeneous distribution is preferably present on an area of 10 mm ⁇ 10 mm, preferably 4 mm ⁇ 4 mm.
  • the later electrical properties of the electrically conductive material are defined.
  • the electrical conductivity can u.a. over the basis weight, i. the mass per area of the consolidated material, the number of carbon fiber contact points per unit area, and the volume fraction of plastic fibers in the consolidated mixture. The fewer points of contact of carbon fibers are present to each other and the higher the proportion of plastic fibers, the higher the specific electrical resistance of the electrically conductive material.
  • This non-woven material is now reinforced by one or more carbon fiber layers by applying one or more carbon fiber layers on one or both sides of the non-woven material.
  • a carbon fiber layer is made by passing one or more carbon fiber rovings through a wide, fine comb so that the fibers are largely distributed parallel to each other over a larger area.
  • many fibers are arranged side by side over the width, the thickness resulting from individual or a few superimposed carbon fibers.
  • the carbon fibers can be used either evenly distributed as thin layers, or targeted as a low fiber rovings are inserted at specific positions.
  • a roving with 12000 fibers per roving (12k roving) it has proven useful to design a roving with 12000 fibers per roving (12k roving) to a width of 60 mm. This achieves an ideal combination of tensile reinforcement of the material and a slight increase in the conductivity of the filament.
  • rovings with 1000 fibers per roving (1k roving) can be preferably designed so that two rovings lie at least the width of the future filament.
  • the distance between the rovings is determined by the geometry of the filament. For example, for a filament 10 mm wide, a roving 2 mm apart and a roving 8 mm apart are inserted from the left edge of the filament. This achieves an ideal combination of tensile reinforcement of the material and even a slight increase in the conductivity of the filament.
  • the mixture is now optionally dried and is then thermally consolidated.
  • the poured material is first heated (preferably by means of infrared radiation) together with the carbon fibers and optionally underlayed, so that the plastic component, in this case thermoplastics, becomes deformable and is compressed directly in the connection between hot and pressurized rolls ,
  • the filaments are then cut to the desired width and length.
  • the further processing is analogous to Embodiment 1, but great care should be taken in parallel alignment of the reinforcing carbon fibers with respect to the pulling direction. Furthermore, the longitudinal cutting should be exactly parallel to the reinforcing carbon fiber rovings.
  • a non-woven material is produced, which is additionally reinforced with continuous carbon fibers. From this reinforced material then the filaments are cut to the desired dimensions.
  • the non-woven material is composed of 3-12 mm length cut carbon fibers and about the same length cut fibers made of a thermoplastic, in this case PEEK together.
  • a thermoplastic in this case PEEK together.
  • PET is also possible, but then, if necessary, a different ratio of carbon fibers to thermoplastic fibers must be selected.
  • the carbon fibers and the plastic fibers are distributed simultaneously and homogeneously on one surface.
  • the uniform distribution takes place, for example via a vibrator, which distributes the fibers on an expiring belt.
  • the vibrator preferably has a track width of 300 mm.
  • the carbon fibers and the thermoplastic fibers are preferably a) distributed in a uniform density over the surface, so that even a small space homogeneous distribution of thermoplastic fibers and carbon fibers takes place, and b) mixing and distributing each other over the surface. It should be avoided that distinguishable layers of carbon fibers and synthetic fibers are present on the surface 980 nander and not homogeneously mixed.
  • a homogenous distribution which also exists on a small scale means that a homogeneous distribution is preferably present on an area of 10 mm ⁇ 10 mm, preferably 4 mm ⁇ 4 mm.
  • the electrical conductivity can include, inter alia that the basis weight of the consolidated material, the number of contact points of the carbon fibers with each other per unit area, and the ⁇ oiumenantei ' ⁇ of plastic fibers in the consolidated mixture are adjusted by means of the surface weight.
  • the consolidated mixture is now dried, if necessary, and then thermally consolidated.
  • the spilled material is first heated, which is preferably done by means of infrared radiation.
  • the portion of the mixture formed from the synthetic fibers 995, here consisting of thermoplastics becomes deformable and is compressed directly after the heating process between hot and pressurized rolls.
  • Carbon fibers are introduced by one or more carbon fiber rovings are passed through a wide, fine comb, so that the fibers are largely distributed parallel to each other on a larger area.
  • the carbon fiber layer obtained in this way many fibers are arranged side by side, the thickness resulting from individual or few carbon fibers arranged one above the other.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Materials (5), wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet: a. Bereitstellen einer Carbonfaser (3), b. Bereitstellen einer von der Carbonfaser (3) verschiedenen Kunststofffaser (4), c. Herstellen einer Mischung in Form eines flächigen Geleges (2) aus der Carbonfaser (3) und der Kunststofffaser (4), d. gegebenenfalls Trocknen der Mischung (1), e. Konsolidieren der Mischung (1), f. gegebenenfalls Zuschneiden der Mischung (1), g. Carbonisieren der Mischung (1), wobei die carbonisierten Kunststofffasern (4) eine kohlenstoffbasierte, elektrische Leitfähigkeit aufweisende Matrix (6) bilden, welche die Carbonfasern (3) mindestens teilweise umgibt. Ferner werden auf entsprechende Weise erhältliche elektrisch leitende Materialien (5) vorgeschlagen. Schließlich ist ein Strahler (12) angegeben, welcher ein transparentes oder transluzentes Gehäuse (13) sowie ein erfindungsgemäßes elektrisch leitendes Material (5) enthält. Mit der Erfindung lassen sich elektrisch leitende Materialien (5) mit vergrößertem elektrischen Widerstand bereitstellen. Damit können nunmehr insbesondere Strahler (12) mit nahezu beliebiger Länge bei üblichen Netzspannungen betrieben werden.

Description

Patentanmeldung
Heraeus Noblelight GmbH
Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Materials, elektrisch leitendes Material sowie Strahler mit elektrisch leitendem Material
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Materials, ein elektrisch leitendes Material sowie einen Strahler, welcher ein elektrisch leitendes Material beinhaltet. Die hier in Rede stehenden elektrisch leitenden Materialien kommen insbesondere als elektrisch beheizte Elemente für den Einsatz in Glühlampen oder Infrarotstrahlern in Betracht. Demnach eignen sich solche elektrisch leitenden Materialien insbesondere zur zielgerichteten Emission von Strahlen im sichtbaren und insbesondere auch im nicht sichtbaren Wellenlängenbereich.
Derartige elektrisch leitende Materialien sind oftmals kohlenstoffbasiert oder bestehen überwiegend aus Kohlenstoff. Elektrisch leitende Materialien der hier in Rede stehenden Art können jedoch als Ausgangsmaterial alternativ oder zusätzlich von Kohlenstoff verschiedene Materialien aufweisen, welche eine elektrische Leitfähigkeit bereitstellen.
In gebrauchsfertiger, konfektionierter Form werden in Rede stehende elektrisch leitende Materialien gegebenenfalls auch als Glühfaden, Glühdraht, Glühwendel, Heizstab und insbesondere als Filament bezeichnet. Sofern im Folgenden von Filamenten die Rede ist, ist hierbei stets auch das elektrisch leitende Material umfasst, aus welchem das Filament aufgebaut ist.
Die Herstellung elektrisch leitender Materialien, insbesondere von kohlenstoffbasierten Materialien, für den Einsatz als elektrisch beheiztes Element für den Einsatz in Glühlampen oder Infrarotstrahlern ist seit langem bekannt. Solche elektrisch leitenden Materialien unterlaufen eine Vielzahl von Fertigungsschritten, die darauf abgestellt sind, die Materialien für einen dauerhaf- ten Einsatz bei Temperaturen oberhalb von 800°C vorzubereiten. Dabei besteht im Allgemeinen die Schwierigkeit, stets alle Materialien bzw. Filamente eines Fertigungsloses trotz Schwankungen der Eigenschaften des Ausgangsmaterials in einem definierten Toleranzbereich in Bezug auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften zu fer- tigen und so konstante, gleichbleibende Eigenschaften der Strahlenquelle zu gewährleisten. Die elektrischen Eigenschaften sind dabei im Allgemeinen so einzustellen, dass die erwünschte Leistung (bei Infrarotstrahlung) oder die Farbtemperatur (bei Glühlampen) bei vorgegebener Nennspannung und vorgegebenen Abmessungen der Strahlungsquelle erreicht werden. Des Weiteren soll das elektrisch leitende Material eine ausreichende mechanische Festigkeit und Formbeständigkeit aufweisen. Schließlich sollen sich der Aufwand und die Kosten für die Herstellung des elektrisch leitenden Materials in einem vertretbaren Rahmen bewegen.
Je nach gewünschtem Einsatzzweck hier in Rede stehender elektrisch leitender Materialien werden im Allgemeinen die oben aufgezeigten Anforderungen variieren, und verschiedene technische Lösungen zur Einhaltung dieser Anforderungen werden vom zuständigen Fachmann gewählt werden. Ein Überblick über die Herstellung genannter elektrisch leitender Materialien ist dabei John W. Howell, Henry Schroeder: History of the Incandescent Lamp, The Maqua Company, Schenectady, NY 1927, entnehmbar. Beispielsweise lassen sich genannte elektrisch leitende Materialien herstellen, indem Fasern, welche eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, mit einem geeigneten Umgebungsmaterial umgeben werden. Dieses Umgebungsmaterial kann daraufhin eine geeignete Matrix für die elektrisch leitenden Fasern bereitstellen, und zwar insbesondere nach Durchführung einer Hitzebehandlung.
Es liegt auf der Hand, dass der Fachmann zur Erzielung konkreter Eigenschaften gemäß oben dargelegtem Anforderungsprofil bestrebt sein wird, die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials zielgerichtet zu variieren. Dazu sind aus dem Stand der Technik eine Reihe von Ansätzen bekannt.
Zunächst ist eine Variation der Querschnittsfläche des elektrisch leitenden Materials, insbesondere in konfektionierter Form als Filament, bei gleichbleibender Oberfläche denkbar. Bei elektrisch leitenden Materialien, welche als gestreckte Bänder ausgestaltet sind, lassen sich so bei annähernd konstantem Umfang und abnehmender Dicke die elektrischen Werte über einen weiten Bereich einstellen. Sollen jedoch längere Strahler bei üblichen Spannungen betrieben werden, erweisen sich solche als elektrisch leitendes Material verwendeten gestreckten Bänder als zu dünn, zu brüchig und zu rissanfällig.
Aus der EP 0 700 629 B1 sind elektrisch leitende Materialien, insbesondere als Filament kon- fektioniert, bekannt, welche hohe Leistungen bei großer Strahlerlänge und gleichzeitig vertretbarer Stabilität des elektrisch leitenden Materials, nämlich des Filaments, bereitstellen. Allerdings ist dort der elektrische Widerstand der vorgeschlagenen Filamente zu gering, um kurze oder sehr lange Strahler bei industriell üblichen elektrischen Spannungen betreiben zu können. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass eine Variation der Sorte der elektrisch leitenden Fasern innerhalb des elektrisch leitenden Materials oder der Harzsorte als Matrixbildner keine entscheidende Veränderung dieser Eigenschaft bereitstellt, wenn das Filament aus elektrisch leitendem Material gleichzeitig sicher verarbeitbar sein soll.
Alternativ oder zusätzlich ist bekannt, Ausgangsstoffe des elektrisch leitenden Materials zu do- tieren, um bestimmte elektrische Eigenschaften zu erreichen. So kann ein elektrisch leitendes Material beispielsweise aus kristallinem Kohlenstoff, amorphem Kohlenstoff und weiteren Substanzen zum Einstellen der Leitfähigkeit hergestellt werden, wie beispielsweise Stickstoff und/oder Bor. Solche Materialien werden in US 6,845,217 B2 beschrieben. US 6,627,144 schlägt die Verwendung organischer Resine, Kohlenstoff-Pulver, Silicium-Carbid und Bor-Nitrid vor.
Auf diese Arten hergestelltes elektrisch leitendes Material besitzt jedoch die Eigenschaft, dass hieraus erhaltene Filamente bzw. Heizstäbe eine gewisse nicht unerhebliche Dicke nicht unterschreiten dürfen. Des Weiteren ist die Länge solcher Filamente bzw. Heizstäbe nach oben eng begrenzt. Der aus diesen mechanischen Anforderungen resultierende Querschnitt der Filamente hat jedoch eine hohe Leitfähigkeit bei geringer Oberfläche zur Folge. Außerdem macht die geringe mechanische Stabilität solcher Filamente eine industrielle Verarbeitung schwierig oder sogar unmöglich. Um eine gute mechanische Stabilität bei geringerer Leitfähigkeit zu erhalten, ist die Verwendung elektrisch leitender Materialien für Lampen oder Strahler auf der Basis von Fasern oder faserhaltigem Material bekannt. Dabei können geringe Dicken des konfektionierten elektrisch leitenden Materials (beispielsweise als Filament oder Heizstab) bei gleichzeitig großen Oberflächen erreicht werden, so dass eine im Vergleich zu amorphem Grafit höhere Leitfähigkeit in den Fasern ausgeglichen werden kann. Solche Filamente werden üblicherweise mittels einer Car- bonisierung und gegebenenfalls einer Grafitisierung gefertigt.
Das Carbonisieren erfolgt üblicherweise bei Temperaturen zwischen 400°C und 500°C unter inerter Atmosphäre, wobei Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff und gegebenenfalls weitere vorhandene Elemente insbesondere aus dem die elektrisch leitenden Fasern umgebenden Material (Umgebungsmaterial) eliminiert werden, so dass ein elektrisch leitendes Material mit hohem Kohlenstoffgehalt entsteht. Das Umgebungsmaterial wird dabei zur Matrix, welche die elektrisch leitenden Fasern umgibt. Ein Grafitisieren erfolgt bei Temperaturen zwischen 1500°C und 3000°C unter inerter Atmosphäre bei Atmosphärendruck oder auch im Vakuum, wobei nach dem Carbonisieren gegebenenfalls noch vorhandene kohlenstofffremde Bestandteile aus den elektrisch leitenden Fasern und der sie umgebenden Matrix ausgasen und dadurch die Mikrostruktur des elektrisch leitenden Materials beeinflusst wird. Als Matrix wird in diesem Zusammenhang das carbonisierte, die elektrisch leitenden Fasern umgebende Material (d.h. das carbonisierte Umgebungsmaterial) verstanden.
Zur Einstellung gewünschter elektrischer Eigenschaften ist im Zusammenhang mit solchen elektrisch leitenden Materialien bekannt, das elektrisch leitende Material zu dotieren. In US 487,046 wird die Zugabe von Stoffen aus der Gasphase, nämlich insbesondere von Carbiden, zum Einbau in das elektrisch leitende Material beschrieben. Dadurch verändern sich die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials. Dieses Verfahren benötigt jedoch eine aufwändige dritte Wärmebehandlung, wobei jedes einzelne Filament behandelt werden muss. Des Weiteren wird durch die Dotierung mit Carbiden ein sehr sprödes elektrisch leitendes Mate- rial erzeugt, welches sich nicht für den Einsatz in Strahlern, die in für industrielle Infrarot- Bestrahlungen geeigneten oder relevanten Abmessungen eingesetzt werden, eignet.
Die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials lassen sich bereits auch während eines Grafitisierungsschritts beeinflussen. Die maximale Temperatur der Grafitisierung sowie deren Dauer beeinflussen dabei in einem gewissen Maß die Leitfähigkeit des entstehenden elektrisch leitenden Materials. Dieser Effekt wird in H.O. Pierson: Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerenes, Noyes Publications, Park Ridge, NJ 1993 beschrieben. Da jedoch die bei einer Grafitisierung herrschenden hohen Temperaturen den Widerstand des elektrisch leitenden Materials absenken, ist dieser Effekt bei der Herstellung elektrisch leitenden Materials für lange Strahler gerade kontraproduktiv, da für lange Strahler elektrisch leitende Materialien mit hohen Widerständen bei hohen Filamenttemperaturen benötigt werden.
Dasselbe gilt für eine Abscheidung von zusätzlichem Kohlenstoff auf der Oberfläche des elektrisch leitenden Materials durch Pyrolyse, wie beispielsweise in US 248,437 vorgeschlagen wurde. Ein solches Verfahren kann zwar das Auffüllen von Fehlstellen im elektrisch leitenden Material bzw. im Filament bewirken, führt jedoch stets zu einer Reduzierung des Widerstands, so dass auch hier keine Eignung des elektrisch leitenden Materials für den Einsatz in langen oder bei hoher Nennspannung betriebenen Strahlern erzielt wird. GB 659,992 schlägt ein Verfahren zur Verringerung des Querschnitts von Filamenten aus einem kohlenstoffbasierten elektrisch leitenden Material vor. Dabei wird ein Ätzprozess in der Gasphase verwendet. Diese Ätzbehandlung ist jedoch sehr aufwändig und umfasst neben dem Carbonisierungs- und Grafitisierungsschritt mehrere zusätzliche Schritte. Des Weiteren lassen sich mit dem Ätzprozess nur elektrisch leitende Materialien bzw. Filamente behandeln, welche noch nicht mit elektrischen Kontakten versehen sind. Bei Filamenten, welche hohe elektrische Ströme aufnehmen sollen, werden diese jedoch bereits vor dem ersten Wärmeprozess endgültig angebracht. Daher lässt sich auch dieses Verfahren nicht einsetzen, um elektrisch leitende Materialien für Strahler mit großen Längen herzustellen. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass es bei bisher bekannten elektrisch leitenden Materialien bzw. bei Verfahren zu deren Herstellung kaum gelingt, die elektrischen Eigenschaften des Materials, insbesondere als Filament, durch die Auswahl von elektrisch leitenden Bestandteilen des Materials, insbesondere von elektrisch leitenden Fasern, zu beeinflussen. Zur Einstellung bestimmter elektrischer Eigenschaften ist es daher bisher üblich, die Länge und/oder die Querschnittsfläche des elektrisch leitenden Materials zu variieren, und/oder das elektrisch leitende Material auf eine der oben beschriebenen Arten während und/oder nach der Herstellung zu verändern, was die Zusammensetzung und/oder den Aufbau betrifft.
Auch geht eine Einstellung bestimmter elektrischer Eigenschaften gemäß Stand der Technik oft einher mit der Durchführung zusätzlicher Wärmebehandlungen des elektrisch leitenden Materials, was die Herstellung verkompliziert und verteuert. Allerdings wird auch mit solchen Verfahren im Allgemeinen keine Einstellung elektrischer Eigenschaften in einer ausreichenden Bandbreite erreicht. So ist auch die Verfügbarkeit von elektrisch leitenden Materialien bzw. von Verfahren zu deren Herstellung unbefriedigend, was den Einsatz von elektrisch leitenden Materialien in Strahlern mit großer Länge bei üblichen Werten der elektrischen Spannung angeht.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Beitrag zur Überwindung zumin- dest einer der sich aus dem Stand der Technik ergebenden und vorstehend beschriebenen
Nachteile im Zusammenhang mit der Verfügbarkeit von elektrisch leitenden Materialien zu leisten.
Insbesondere lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch leitendes Material sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welches den Betrieb von
Strahlern, insbesondere von Infrarotstrahlern, beliebiger Länge bei üblichen Netzspannungen erlaubt.
Auch lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch leitendes Material bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welches sich für den Einsatz in Strahlern, insbesondere in Infrarotstrahlern, und insbesondere in Carbon-Infrarotstrahlern, eignet, und welches sich in großen Längen, d.h. größer als 0,25 m, vorzugsweise größer als 0,5 m, bevorzugt größer als 1 ,0 m und besonders bevorzugt größer als 2,0 m, herstellen lässt. Des Weiteren lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch leitendes
Material bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welches bei sonst gleicher Ausgestaltung (Länge, Durchmesser) im Vergleich zu bisher bekannten elektrisch leitenden Materialien einen höheren elektrischen Widerstand aufweist. Einen Beitrag zur Lösung mindestens einer der vorstehend genannten Aufgaben leistet ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Materials, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet: a. Bereitstellen einer Carbonfaser,
b. Bereitstellen einer von der Carbonfaser verschiedenen Kunststofffaser,
c. Herstellen einer Mischung in Form eines flächigen Geleges aus der Carbonfaser und der Kunststofffaser,
d. gegebenenfalls Trocknen der Mischung,
e. Konsolidieren der Mischung, f. gegebenenfalls Zuschneiden der Mischung,
g. Carbonisieren der Mischung, wobei die carbonisierten Kunststofffasern eine kohlenstoffbasierte, elektrische Leitfähigkeit aufweisende Matrix bilden, welche die Carbonfasern mindestens teilweise umgibt. Die Mischung in Form eines flächigen Geleges bildet vorzugsweise ein so genanntes Non- Woven. Bevorzugt wird das Gelege aus Carbonfasern und Kunststofffasern mit jeweils kurzer Faserlänge gebildet.
Der elektrische Widerstand des erfindungsgemäß herstellbaren elektrisch leitenden Materials orientiert sich vor allem an dem Verhältnis der Anzahl bzw. der jeweiligen Masse der Carbonfasern sowie der Kunststofffasern, der Länge der Fasern, insbesondere der Carbonfasern, an der Ausrichtung der Fasern zueinander und an der spezifischen Anzahl der Berührungspunkte zwischen unterschiedlichen Carbonfasern innerhalb des Materials. In besonders raffinierter Weise ist erfindungsgemäß erreicht, dass ein in einer beliebigen möglichen Stromrichtung orientierter Stromfluss durch das elektrisch leitende Material zwangsweise zumindest bereichsweise durch die Matrix verläuft, welche die elektrisch leitenden Fasern zumindest teilweise umgibt. So können die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials in bisher unerreichter Weise zum einen sehr zielgerichtet und exakt und zum anderen in einer überraschend großen Bandbreite variiert werden.
Zunächst lässt sich insbesondere über Anzahl, Länge und Ausrichtung der Carbonfasern bestimmen, welcher Anteil des Stromflusses zwangsweise durch das Matrixmaterial verläuft. Zum anderen kann über eine zielgerichtete Auswahl des Matrixmaterials, welches eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, insgesamt eine sehr genaue und reproduzierbare Auslegung der elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials erfolgen. Dazu kann beispielsweise ein Matrixmaterial mit einer eher geringen oder auch mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit ausgewählt werden. Das Matrixmaterial entsteht dabei aus der Carbonisierung der für die Herstellung der Mischung eingesetzten Kunststofffasern.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene zwangsweise Einbeziehung des Matrixmaterials in den elektrischen Stromfluss ist das aus dem Stand der Technik bekannte Problem, wonach die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials ganz überwiegend durch die elektrisch leitenden Fasern vorgegeben werden, wirksam überwunden worden.
Ein elektrisch leitendes Material im Sinne der Erfindung umfasst dabei einerseits ein Grundmaterial, welches sich für eine weitere Verarbeitung und/oder Formgebung eignet. Insbesondere umfasst der Begriff des elektrisch leitenden Materials im Sinne der Erfindung jedoch auch Mate- rialien, welche bereits eine bestimmte Konfektionierung erfahren haben, und umfasst im Speziellen auch ein Filament, einen Glühfaden, einen Glühdraht, eine Glühwendel, einen Heizstab, oder dergleichen. Des Weiteren kann das elektrisch leitende Material bereits über elektrische Anschlüsse verfügen. Insbesondere, jedoch nicht einschränkend, bezieht sich das elektrisch leitende Material der Erfindung auf Materialien oder Filamente, insbesondere flächige Filamente, für Hellstrahler, insbesondere Lampen oder Infrarot-Strahler, deren Filamenttemperatur die Oxidationsgrenze von Carbon an Luft deutlich übersteigt, und die daher im Vakuum oder unter einer Schutzatmosphäre, insbesondere unter Argon, betrieben werden.
Ein Gelege im Sinne der vorliegenden Anmeldung beschreibt eine Mischung aus einer Vielzahl von Einzelfäden, nämlich Fasern, welche im Vergleich zum Flechten oder Weben zufällig abgelegt werden. Ein solches Gelege entsteht insbesondere bei dem Mischen und Ablegen von verschiedenen Fäden bzw. Fasern mit jeweils kurzer Länge. In Abgrenzung hierzu entstehen Ge- webe im Allgemeinen, indem ein oder mehrere Schussfäden durch eine Reihe von Kettfäden geführt werden. In der Regel stehen Kett- und Schussfäden in einem Winkel von etwa 90° zueinander. Im Fall eines Geflechts werden mindestens drei Fäden umeinander gelegt. In der Regel stehen diese mindestens drei Fäden in einem von etwa 90° abweichenden Winkel zueinander. Im Vergleich zum Weben und Flechten erfolgt bei Gelegen jedoch keine Führung des Einzelfa- dens.
Innerhalb der Mischung in Form eines flächigen Geleges können die Kunststofffasern auch als Umgebungsmaterial bezeichnet werden, welches die Carbonfasern umgibt. Dieses Umgebungsmaterial kann die Carbonfasern beschichten, binden, halten oder imprägnieren.
Die Mischung in Form eines flächigen Geleges aus der Carbonfaser und der Kunststofffaser, insbesondere in konsolidierter Form, kann auch als Verbund aus Carbonfasern und Kunststofffasern bezeichnet werden. Innerhalb der Mischung aus Carbonfasern und Kunststofffasern können weitere Zusatzstoffe vorliegen, sofern dies zweckdienlich erscheint. Eine solche Ausgestaltung des Verbundes zwischen Carbonfasern und Kunststofffasern stellt daher kein Abweichen von dem allgemeinen Erfindungsgedanken dar. Die Carbonfasern werden im Folgenden auch als elektrisch leitende Fasern bezeichnet. Diese Bezeichnungen werden synonym verwendet.
Ein Konsolidieren der Mischung im Sinne der Anmeldung beschreibt eine mechanische Verfestigung bzw. eine Kompaktierung der Mischung aus der Carbonfaser und der Kunststofffaser. Die Konsolidierung kann dabei mit einer Wärmeeinwirkung einhergehen. Eine Konsolidierung kann beispielsweise durch Walzen oder Erhitzen der Mischung, oder beidem, realisiert werden.
Das Carbonisieren der Mischung zur Umwandlung der Kunststofffasern in eine kohlenstoffbasierte, elektrische Leitfähigkeit aufweisende Matrix umfasst die Hochtemperaturbehandlung der konsolidierten Mischung in einem Temperaturbereich von 600°C bis 1500°C. Besonders bevorzugt ist dabei ein Temperaturbereich von 800°C bis 1200°C. Während des Carbonisierens entsteht aus den Kunststofffasern bzw. aus dem Umgebungsmaterial eine kohlenstoffbasierte Matrix, welche eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Die Matrix umgibt die Carbonfasern zumindest teilweise, welche während des Carbonisierungsschritts im Wesentlichen keine Umwand- lung erfahren. Gegebenenfalls kann auf eine Carbonisierung eine Grafitisierung folgen. Beide Prozessschritte sind auch bereits obenstehend erläutert worden.
Der Begriff einer möglichen Stromrichtung oder Stromflussrichtung durch das elektrisch leitende Material beschreibt zunächst jede beliebige Richtung, in welcher Strom durch das elektrisch leitende Material gemäß der Erfindung leitbar ist. Vorzugsweise betrifft eine bevorzugte Stromflussrichtung dabei jedoch eine Längserstreckungsrichtung des elektrisch leitenden Materials. Eine solche Längserstreckungsrichtung kann insbesondere mit der Längsachse eines Strahlergehäuses zusammenfallen, in welches das elektrisch leitende Material, insbesondere als Filament, einbringbar ist. Dabei ist jedoch stets möglich, dass das elektrisch leitende Material wen- del- oder mäanderförmig aufgebaut ist, so dass in dieser Hinsicht eine Längserstreckungsrichtung des elektrisch leitenden Materials von einer Längsachse eines umgebenden Gehäuses abweichen kann. Insbesondere betrifft eine mögliche Stromflussrichtung die Längserstreckungsrichtung eines Filaments. Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt der Massenanteil von Carbonfasern bezogen auf die Mischung 1 Massen-% (Ma.-%) bis 70 Ma.-%. Bevorzugt beträgt der Massenanteil 30 Ma.-% bis 60 Ma.-%, besonders bevorzugt 45 Ma.-% bis 55 Ma.-%. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Mischung ein Faserflächengewicht von 75 g/m2 bis 500 g/m2 auf. Besonders bevorzugt ist dabei ein Faserflächengewicht von 120 g/m2 bis 260 g/m2. Diese Angaben bevorzugter Faserflächengewichte beziehen sich dabei auf eine noch nicht carbonisierte, jedoch bereits konsolidierte Mischung. Als zweckmäßig erweist sich eine Ausgestaltung des Verfahrens, wobei innerhalb der Mischung die Carbonfasern und die Kunststofffasern sich in ihrer Länge um maximal 50%, bezogen auf die Länge der Carbonfasern, unterscheiden. Bevorzugt unterscheiden sich die Carbonfasern und die Kunststofffasern in der Länge um maximal 10%, besonders bevorzugt um maximal 5%, jeweils bezogen auf die Länge der Carbonfasern. Als jeweilige Faserlänge ist dabei eine mittle- re Faserlänge der jeweiligen Spezies zu verstehen, welche über bekannte statistische Methoden ermittelbar ist. Eine möglichst gleiche Länge von Carbonfasern und Kunststofffasern erleichtert zunächst das Herstellen einer homogenen Mischung. Des Weiteren sind die elektrischen Eigenschaften des später hergestellten elektrisch leitenden Materials unter dieser Voraussetzung besser einstellbar und somit genauer vorhersagbar.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung des Erfindungsgedankens weisen innerhalb der Mischung die Carbonfaser oder die Kunststofffaser oder beide eine Faserlänge von 3 mm bis 30 mm auf. Bevorzugt wird dabei eine Faserlänge in einem Bereich von 10 mm bis 25 mm, und besonders bevorzugt in einem Bereich von 15 mm bis 20 mm. Im Rahmen dieser Ausgestal- tung wird alternativ oder zusätzlich zur letztgenannten Ausführungsform ebenfalls eine bessere Mischbarkeit der Komponenten sowie eine genaue Einstellbarkeit der elektrischen Eigenschaften des später hergestellten elektrisch leitenden Materials erhalten.
Die Carbonfaser wird vorzugsweise aus Polyacrylnitril (PAN), Teer oder Viskose, oder einer Mischung aus mindestens zwei hiervon, erhalten. Die Carbonfaser weist bevorzugt eine PAN- basierte Faser und/oder eine Faser ohne Beschichtung der Oberfläche auf. Falls die Oberfläche beschichtet ist, wird eine Beschichtung bevorzugt, welche bei einer weiteren Carbonisierung einen Kohlenstoffrest hinterlässt, zumindest jedoch nicht die Carbonfaser beschädigt. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Kunststofffaser einen thermoplastischen Kunststoff beinhaltet. Bevorzugt beträgt der Anteil von Thermoplasten an der Kunststofffaser mindestens 40 Ma.-%, vorzugsweise mindestens 80 Ma.- %, und besonders bevorzugt mindestens 95 Ma.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse der Kunststofffaser. Eine Kunststofffaser, welche thermoplastische Anteile aufweist oder vollständig aus Thermoplasten besteht, erweist sich als besonders geeignet zur Mischung mit einer Carbonfaser und zur Herstellung eines flächigen Geleges. Des Weiteren werden aus Thermoplasten nach der Carbonisierung hohe Kohlenstoffanteile erzielt. Auch die thermische Konsolidierung von Mischungen, welche Thermoplasten aufweisen, ist erleichtert. Der thermoplastische Kunststoff kann Polyethersulfon (PES), Polyetheretherketon (PEEK), Po- lyetherimid (PEI), Polyethylenterephthalat (PET), Polyphthalamid (PPA), Polyphenylensulfid (PPS) oder Polyimid (PI), oder eine Mischung aus mindestens zwei hiervon, beinhalten. Besonders bevorzugt sind dabei PEEK und/oder PET, welche nach der Carbonisierung einen hohen Kohlenstoffanteil bereitstellen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird zusätzlich zu der Kunststofffaser aus thermoplastischem Kunststoff eine weitere Kunststofffaser aus duroplastischem Kunststoff eingesetzt. Dieser duroplastische Kunststoff kann vorzugsweise ein Vinylesterharz, ein Phenolharz oder ein Epoxidharz, oder eine Mischung aus mindestens zwei hiervon, beinhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das elektrisch leitende Material mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 95 Ma.-% hergestellt. Ein bevorzugter Kohlenstoffgehalt beträgt insbesondere mehr als 96 Ma.-%, besonders bevorzugt mehr als 97 Ma.-%. Eine bevorzugte Obergrenze für den Kohlenstoffgehalt beträgt hinge- gen 99,6 Ma.-%.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Matrix eine geringere spezifische elektrische Leitfähigkeit als die elektrisch leitenden Fasern auf. Durch einen erfindungsgemäß erzwungenen Stromfluss durch zumindest einen Teilbereich der Matrix kann so eine Erhöhung des elektrischen Widerstands des elektrisch leitenden Materials insgesamt erreicht werden. Vorzugsweise weist die Matrix eine um einen Faktor von mindestens 5, vorzugsweise mindestens 10, geringere spezifische elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu den elektrisch leitenden Fasern auf.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht die Verwendung von Carbonfasern, insbesondere von PAN-basierten Carbonfasern, vor, welche bei Raumtemperatur einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1 ,0 x 10"3 bis 1 ,7 x 103 Ω cm, besonders bevorzugt von 1 ,6 x 103 Ω cm, aufweisen. Zusätzlich oder für sich gesehen ist die Verwendung von Kunststofffasern bevorzugt, welche einen spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 107 Ω cm, besonders bevorzugt von mehr als 1016 Ω cm, bei Raumtemperatur aufweisen. Aus diesen Kunststofffasern wird in einem nachfolgenden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die elektrische Leitfähigkeit aufweisende Matrix hergestellt.
Wie bereits ausgeführt, ist die Herstellung einer Matrix aus Kunststofffasern mit thermoplastischen und/oder duroplastischen Anteilen bevorzugt. Zu dem thermoplastischen und/oder duroplastischen Material innerhalb dieses Umgebungsmaterials können jedoch weitere Füllstoffe, wie anorganische Teilchen, vorzugsweise Oxide, Sulfate oder Aluminate, oder Mischungen hiervon, zugesetzt werden.
Generell ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt, in der die Kunststofffaser als Umgebungsmaterial und Grundlage für die Matrix ein thermoplastisches Material umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann das Umgebungsmaterial jedoch auch ein duroplastisches Material aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Gelege vor dem Car- bonisieren erneut durch Erwärmen verformbar gemacht und verformt, insbesondere durch Ziehen und/oder Strecken in der Ebene des Geleges und/oder durch Deformation senkrecht zur Ebene des Geleges und/oder durch Verdrillen des Geleges. So ist eine zielgerichtete Beeinflussung der elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften des später hergestellten elektrisch leitenden Materials ermöglicht.
Alternativ oder zusätzlich kann das Gelege vor dem Carbonisieren, insbesondere vor dem Zu- schneiden oder dem Konsolidieren oder dem Trocknen, durch zumindest eine Lage aus Carbonfasern verstärkt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Material vor dem Carbonisieren, insbesondere vor dem Zuschneiden oder dem Konsolidieren oder dem Trocknen, durch zumindest ein Carbonfaser- Roving verstärkt werden.
Carbonfaser-Rovings sind Bündel aus Carbonfasern, welche bevorzugt sehr große Längen aufweisen. Des Weiteren sind Rovings vorzugsweise nicht verdrillte Faserbündel. Handelsübliche Rovings werden beispielsweise mit 12000, 3000 und seltener mit 1000 Fasern pro Roving angeboten. Der Durchmesser einer einzelnen Carbonfaser beträgt dabei im Allgemeinen ca. 5 pm bis ca. 8 [im.
Das sehr begrenzte Angebot von Rovings mit einer unterschiedlichen Anzahl von Fasern verdeutlicht erneut die bisher gemäß Stand der Technik festzustellende Begrenzung technisch möglicher Variationen von unterschiedlichen elektrisch leitenden Materialien bzw. Filamenten, da breit variierende Widerstandswerte bisher mit den wenigen kommerziell angebotenen Rovings nicht abdeckbar sind.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird das Gelege vor dem Verstärken mit zumindest einer Lage oder zumindest einem Roving aus Carbonfasern thermisch konsolidiert, und wird nach dem Verstärken und vor dem Carbonisieren erneut thermisch konsolidiert.
Hinsichtlich einer weiteren wünschenswerten Erhöhung des Widerstands des elektrisch leitenden Materials wird eine Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, bei der Kohlenstoff von dem elektrisch leitenden Material abgetragen wird. Dieser Abtragvorgang findet vorzugsweise nach der Fertigstellung des elektrisch leitenden Materials statt. Besonders bevorzugt ist hierbei eine Behandlung des elektrisch leitenden Materials mit einem reaktiven Fluid, insbesondere Wasserstoff und/oder Wasserdampf. Zusätzlich kann bei der Behandlung ein Schutzgas eingesetzt werden, vorzugsweise Argon.
Einen Beitrag zur Lösung der eingangs genannten Aufgaben leistet auch ein elektrisch leitendes Material, welches nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhältlich ist. Dieses elektrisch leitende Material kann insbesondere zur Erzeugung von Infrarotstrahlung dienen, und eignet sich insbesondere zur Bereitstellung von Filamenten, Glühfäden, Glühdrähten, Glühwendeln oder Heizstäben als Strahlungsquellen, insbesondere für Infrarotstrahler. Es wird auf die Ausführungen das erfindungsgemäße Verfahren betreffend verwiesen. Einen Beitrag zur Lösung der eingangs genannten Aufgaben leistet auch ein elektrisch leitendes Material, beinhaltend einen Verbund, welcher beinhaltet:
a. eine erste Carbonfaser und eine weitere Carbonfaser; und
b. eine die erste Carbonfaser und die weitere Carbonfaser jeweils mindestens teilweise umgebende Matrix, wobei die Matrix eine geringere elektrische Leitfähigkeit als die Carbonfasern aufweist,
wobei bezogen auf eine Schnittebene durch den Verbund aus der Gesamtzahl der durch die Schnittebene verlaufenden Carbonfasern mehr als 20% der durch die Schnittebene verlaufenden Carbonfasern keine weitere durch dieselbe Schnittebene verlaufende Carbonfaser kontaktieren.
Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausgestaltung, in der mehr als 40% der durch die Schnitt- ebene verlaufenden Carbonfasern keine weitere durch dieselbe Schnittebene verlaufende Carbonfaser kontaktieren.
Die Angabe des Anteils jener Carbonfasern, welche keine weitere durch dieselbe Schnittebene verlaufende Carbonfaser kontaktieren, ist dabei ein Maß für den spezifischen elektrischen Wi- derstand des elektrisch leitenden Materials. Je weniger Carbonfasern in beschriebener Weise andere Carbonfasern kontaktieren, desto höher wird der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Materials. Dies gilt unter der Voraussetzung, dass die Matrix einen geringeren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist als die Carbonfasern, was im Rahmen der Erfindung bevorzugt ist. Je geringer der Anteil der Carbonfasern ist, welche sich gegenseitig kontaktieren, desto höher wird der Anteil des Stromflusses, welcher zwangsweise durch die Matrix verläuft.
Durch eine Variation des kontaktierenden Anteils von Carbonfasern sind die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials in einer großen Bandbreite und mit erheblicher Genauigkeit einstellbar. Der Anteil der kontaktierenden Carbonfasern kann mit statistischen Methoden bestimmt werden. Dabei können mikroskopische Schnittaufnahmen des elektrisch leitenden Materials zugrunde gelegt werden.
Bevorzugt wird eine genannte Schnittebene durch das elektrisch leitende Material so definiert, dass die Schnittebene orthogonal zu einer möglichen Stromflussrichtung durch das Material orientiert ist. Der Begriff einer möglichen Stromflussrichtung durch das elektrisch leitende Material ist bereits definiert worden. Zweckmäßig ist insbesondere die Festlegung einer Schnittebe- ne, welche orthogonal zu einer Längserstreckungsrichtung des elektrisch leitenden Materials orientiert ist, insbesondere wobei das elektrisch leitende Material langgestreckt, bevorzugt als Filament, ausgebildet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Materials weist mindestens eine der folgenden Eigenschaften auf:
i. die Matrix weist eine definierte spezifische elektrische Leitfähigkeit auf,
ii. die Matrix gibt eine Ausrichtung der Carbonfasern vor,
iii. die Matrix gibt eine spezifische Anzahl von Berührungspunkten zwischen Carbonfasern vor, iv. die Carbonfasern sind in der Matrix so verteilt und/oder ausgerichtet, dass ein Stromfluss durch das Material zwingend zumindest durch einen Teilbereich der Matrix verläuft. Besonders bevorzugt ist ein elektrisch leitendes Material, welches mehrere der oben angeführten Eigenschaften aufweist, ganz besonders bevorzugt ist ein Material, welches sämtliche dieser Eigenschaften aufweist.
Das erfindungsgemäße elektrisch leitende Material lässt sich wahlweise auch direkt als Fila- ment herstellen, welches bereits über elektrische Endkontakte verfügt. Weist die Kunststofffaser einen thermoplastischen Kunststoff auf, wird dabei folgendes Teilverfahren vorgeschlagen: a) Zuschneiden des Geleges, b) Anbringen der elektrischen Endkontakte, c) Carbonisierung, d) Grafitisierung. Anschließend kann das Filament zu einem Strahler verarbeitet werden. Weist die Kunststofffaser einen duroplastischen Kunststoff auf, wird folgendes Teilverfahren bevorzugt: a) Zuschneiden des Geleges, b) Anbringen der elektrischen Endkontakte, c) gegebenenfalls Oxidation, d) Carbonisierung, e) Grafitisierung. Anschließend kann das Filament zu einem Strahler verarbeitet werden. Einen Beitrag zur Lösung der eingangs genannten Aufgaben leistet auch ein Strahler, welcher beinhaltet:
a. ein transparentes oder transluzentes Gehäuse;
b. ein in diesem Gehäuse angeordnetes elektrisch leitendes Material gemäß der vorliegenden Erfindung. Das in dem Strahler angeordnete elektrisch leitende Material kann dabei insbesondere als Filament konfektioniert sein, und/oder die Form eines Glühdrahts, eines Glühfadens, einer Glühwendel, eines Heizstabs oder einer Heizplatte aufweisen. Bevorzugt ist ein Strahler, in dem das elektrisch leitende Material eine solche Flexibilität aufweist, dass es kreisförmig und über dessen gesamte Länge um einen Radius von 1 ,0 m, bevorzugt geringer als 1,0 m, besonders bevorzugt von 0,25 m, gebogen werden kann, ohne dass es zu Brüchen der Carbonfasern und/oder der Matrix und/oder zur Trennung von Carbonfasern und der Matrix kommt. In allen Fällen sollte das elektrisch leitende Material das Bestreben auf- weisen, nach dem Biegen wieder in die ihm aufgeprägte gestreckte Form zurückzukehren.
Der Strahler kann ein elektrisch leitendes Material aufweisen, welches eine elektrische Leitfähigkeit, gemessen als elektrische Betriebsspannung je Länge des elektrisch leitenden Materials, insbesondere des Filaments, in einem Bereich größer 150 V/m, bevorzugt größer 300 V/m, aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand nicht limitierender Figuren und konkreter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im Folgenden werden die angefügten Figuren und die darin gezeigten Ausführungsbeispiele zunächst generell erläutert. Nachfolgend werden eine Anzahl von zusätzlichen Ausführungsbeispielen konkret dargelegt.
Figur 1 zeigt schematisch dargestellt eine stark vergrößerte Schnittansicht einer Mischung 1 in Form eines flächigen Geleges 2, wobei die Mischung 1 innerhalb einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Vorstufe des erfindungsgemäß erhältlichen elektrisch leitenden Materials verkörpert. Das flächige Gelege 2 ist dabei eine Mischung 1 aus im Wesentlichen zufällig abgelegten Carbonfasern 3 (ausgefüllt dargestellt) und Kunststofffasern 4 (umrandet dargestellt), welche jeweils eine kurze Faserlänge im Bereich zwischen ca. 3 mm bis ca. 30 mm aufweisen. Des Weiteren unterscheiden sich gemäß vorliegendem Beispiel innerhalb der Mischung 1 die Carbonfasern 3 und die Kunststofffasern 4 in ihrer Länge um maximal 50%, bezogen auf die Länge der Carbonfasern 3.
Die Kunststofffasern 4 beinhalten vorliegend einen thermoplastischen Kunststoff. Dabei wird insbesondere PEEK und/oder PET bevorzugt. Gemäß dem weiteren Ablauf der hier in Bezug genommenen, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt nach einem gegebenenfalls notwendigen Trocknungsschritt ein Konsolidieren der Mischung 1 , nämlich des flächigen Geleges 2. Danach kann die Mischung 1 bevorzugt ein Faserflächengewicht von 75 g/m2 bis 500 g/m2 aufweisen.
Nach einem gegebenenfalls vorgenommenen Zuschneiden des Geleges 2 erfolgt dann ein Carbonisieren der Mischung 1 , wobei die carbonisierten Kunststofffasern 4 in eine kohlenstoffbasierte, elektrische Leitfähigkeit aufweisende Matrix umgewandelt werden, welche die Carbon- fasern 3 mindestens teilweise umgibt. Diese Matrix ist erst im erfindungsgemäß erhältlichen, elektrisch leitenden Material ausgebildet und demnach in Fig. 1 noch nicht dargestellt.
Figur 2 hingegen zeigt in einer ebenfalls schematisierten, stark vergrößerten Schnittansicht einen Ausschnitt aus einer bevorzugten Ausführungsform des elektrisch leitenden Materials 5 gemäß der Erfindung, welches durch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erhältlich ist. Nach wie vor ausgefüllt dargestellt sind die Carbonfasern 3. Aus den Kunststofffasern ist hingegen durch Carbonisieren der Mischung eine kohlenstoffbasierte, elektrische Leitfähigkeit aufweisende Matrix 6 gebildet worden, welche die Carbonfasern 3 umgibt. Daher sind die Kunststofffasern in Fig. 2 nicht mehr dargestellt.
Das erfindungsgemäße elektrisch leitende Material 5 ist in diesem Beispiel als Filament 7 ausgebildet, von dem ein mittlerer Abschnitt dargestellt ist. Das elektrisch leitende Material 5, nämlich das Filament 7, erstreckt sich in einer Längserstreckungsrichtung 8, die während des späteren Betriebs des Filaments 7 mit der Stromflussrichtung 9 zusammenfällt.
Aus der schematischen Darstellung gemäß Fig. 2 wird deutlich, dass ein Stromfluss durch das elektrisch leitende Material 5, insbesondere in Richtung der Längserstreckungsrichtung 8, stets zwangsweise durch zumindest einen Teilbereich der Matrix 6 verläuft. Die elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials 5 werden u.a. durch die Länge der Carbonfasern 3 und/oder der Kunststofffasern 4 (s. Fig. 1), die Ausrichtung der Carbonfasern 3, das Massenverhältnis der Fasern 3, 4, die definierte spezifische elektrische Leitfähigkeit von Carbonfasern 3 und Matrix 6 und die spezifische Anzahl von Berührungspunkten 10 zwischen verschiedenen Carbonfasern 3 innerhalb der Matrix 6 bestimmt. Demgemäß verdeutlicht Fig. 2 zusätzlich eine Betrachtung zur quantitativen Bestimmung der Anzahl von Berührungspunkten 10 zwischen Carbonfasern 3 innerhalb der Matrix 6. Es wird zunächst willkürlich eine Schnittebene 1 1 durch das elektrisch leitende Material 5 festgelegt. Die Schnittebene 11 ist zweckmäßigerweise orthogonal zu einer möglichen Stromflussrichtung 9 orientiert. Bei dem vorliegenden Filament 7 ist die Stromflussrichtung 9 durch die Längser- streckungsrichtung 8 des Filaments 7 vorgegeben, so dass die Schnittebene 11 orthogonal zur Längserstreckungsrichtung 8 des Filaments 7 orientiert ist.
Es werden nun sämtliche Carbonfasern 3 betrachtet, welche durch die Schnittebene 1 1 verlau- fen. Dann wird bestimmt, welcher Anteil der Gesamtzahl der durch die Schnittebene 11 verlaufenden Carbonfasern 3 keine weitere durch dieselbe Schnittebene 11 verlaufende Carbonfaser 3 kontaktiert. Je weniger Berührungspunkte 10 zwischen verschiedenen Carbonfasern 3 innerhalb der Matrix 6 vorliegen, desto höher wird der Anteil des Stromflusses, welcher zwingend zumindest durch einen Teilbereich der Matrix 6 verlaufen muss. Dementsprechend steigt der elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Materials 5 an. Beim vorliegenden, schematisch dargestellten Beispiel berühren zwei von insgesamt 6 durch die Schnittebene 1 1 verlaufenden Carbonfasern 3 keine weitere durch dieselbe Schnittebene 11 verlaufende Carbonfaser 3. Der Anteil der nicht berührenden Carbonfasern 3 beträgt damit ca. 33%. Figur 3 zeigt eine Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strahlers 12, welcher hier als Infrarotstrahler ausgebildet ist. Der Strahler 12 umfasst ein elektrisch leitendes Material 5, welches als langgestrecktes Filament 7 ausgebildet ist. Das Filament 7 ist dabei aus einem elektrisch leitenden Material 5 gemäß der vorliegenden Erfindung gefertigt. Das Filament 7 wird von einem transparenten Gehäuse 13 umgeben, welches auch als Hüllrohr bezeichnet werden kann. In dem Gehäuse 13 befindet sich ein Schutzgas, nämlich Argon. Alternativ kann das Filament 7 in dem Gehäuse 13 unter Vakuum betrieben werden.
Das Filament 7 ist mittels Kontaktelementen 14 mit elektrischen Zuleitungen 15 verbunden. Zwischen den Kontaktelementen 14 und den elektrischen Zuleitungen 15 ist jeweils ein spiralförmiges Ausgleichselement 16 angeordnet, um die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Gehäuses 13 und des Filaments 7 kompensieren zu können. Die elektrischen Zuleitungen 15 sind vakuumdicht aus dem Gehäuse 13 herausgeführt. Dazu können Quetschverbindungen oder beliebige andere zweckmäßige Techniken zur vakuumdichten Durchführung Verwendung finden. MESSMETHODEN
Spezifischer elektrischer Widerstand
Die angegebenen Werte des spezifischen elektrischen Widerstands beziehen sich auf eine Bestimmung durch ein Messverfahren nach DIN IEC 60093:1983; Prüfverfahren für Elektroisolier- stoffe; Spezifischer Durchgangswiderstand und spezifischer Oberflächenwiderstand von festen, elektrisch isolierenden Werkstoffen.
Elektrische Leitfähigkeit, spezifische elektrische Leitfähigkeit und elektrischer Widerstand
Die Leitfähigkeit des elektrisch leitenden Materials kann im kalten Zustand und/oder vor dem Einbau in einen Strahler o.ä. mittels eines Widerstandsmessgeräts oder eines Leitfähigkeits- messgerätes erfolgen, wobei aus den mittels Maßband oder Messschieber bestimmten geometrischen Abmessungen (Länge, Breite, Dicke) des elektrisch leitenden Materials, insbesondere als Filament, und dem gemessenen elektrischen Widerstand auch der spezifische elektrische Widerstand (s.o.) errechnet werden kann. Der elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Materials, eingebaut in einen Strahler und/oder während des bestimmungsgemäßen Betriebs, kann aus einer Messung des Spannungsabfalls über den Strahler und der Messung des Stroms, der durch den Strahler fließt, mittels des Ohmschen Gesetzes berechnet werden. Sind zudem vor dem Einbau des elektrisch leitenden Materials in den Strahler die geometrischen Abmessungen des elektrisch leitenden Materials bestimmt worden, so lässt sich auf diese Weise zudem der temperaturabhängige
Wert des spezifischen elektrischen Widerstands des elektrisch leitenden Materials berechnen. Diese Methode zur Berechnung des spezifischen elektrischen Widerstands ist bevorzugt, da hierbei die Messung nicht durch Kontaktwiderstände verfälscht werden kann. Spezifische Leitfähigkeit der Fasern und des Matrixmaterials
Eine Bestimmung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit kann dadurch erfolgen, dass die elektrisch leitenden Fasern (nämlich die Carbonfasern) vor deren Einsatz zur Herstellung des elektrisch leitenden Materials und das Matrixmaterial (nämlich die carbonisierten Kunststofffa- sern) gesondert vermessen werden. Das Matrixmaterial ohne elektrisch leitende Fasern kann erhalten werden, indem z.B. 50 g der Kunststofffasern (z.B. ein thermoplastisches Polymer) unter Luftausschluss für ca. 60 min bei ca. 980°C wärmebehandelt werden.
Faserlänqenverteilunq
Die Faserlängen sind vor der Verarbeitung zu einem Gelege geometrisch bestimmbar. Aus diesen Werten können die durchschnittliche Faserlänge sowie die Faserlängenverteilung abgeleitet werden. Die Faserlängen ändern sich durch das Zuschneiden der Filamente im Mittel in einer vorhersagbaren Weise.
Flexibilität des elektrisch leitenden Materials
Die Flexibilität ist bestimmbar, indem das elektrisch leitende Material kreisförmig und über dessen gesamte Länge um einen Radius, welcher vorzugsweise einen Wert von ca. 0,25 m - 1 ,0 m aufweisen kann, gebogen wird. Das Nichtauftreten von Brüchen der Carbonfasern und/oder der Matrix und/oder das Nichtauftreten einer Trennung von Carbonfasern und der Matrix ist dabei ein Maß für die Flexibilität des elektrisch leitenden Materials. Als besonders flexibel gelten beispielsweise elektrisch leitende Materialien, falls sie um ein Kreisprofil mit einem Radius von 0,25 m gebogen werden können. Um den Flexibilitätstest bei einem konkreten Radius zu be- stehen, sollte das elektrisch leitende Material stets das Bestreben aufweisen, wieder in die ihm zuvor aufgeprägte gestreckte Form zurückzukehren.
Im Folgenden werden nicht limitierende Ausführungsbeispiele der Erfindung, insbesondere des erfindungsgemäßen Verfahrens und somit auch des erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Materials, näher erläutert.
BEISPIELE
Ausführunqsbeispiel 1
Zur Herstellung des elektrisch leitenden Materials, hier in Form eines Filaments, wird zunächst ein so genanntes Non-Woven Material hergestellt, aus dem dann die Filamente in den benötigten Abmessungen zugeschnitten werden. Das Non-Woven Material setzt sich aus zu 3-12 mm Länge geschnittenen Carbonfasern und etwa gleichlang geschnittenen Fasern aus einem Thermoplast, in diesem Falle PEEK, zusammen. Der Einsatz von PET ist auch möglich, dann muss jedoch gegebenenfalls ein abweichendes Verhältnis von Carbonfasern zu thermoplastischen Fasern gewählt werden. Die Carbonfasern und die Kunststofffasern, hier in Form von thermoplastischen Fasern, werden gleichzeitig und homogen auf einer Fläche verteilt. Die gleichmäßige Verteilung erfolgt z.B. über einen Rüttler, der die Fasern auf ein ablaufendes Band verteilt. Der Rüttler weist bevorzugt eine Spurweite von 300 mm auf. Die Carbonfasern und die thermoplastischen Fasern sind dabei vorzugsweise a) in gleichmäßiger Dichte über der Fläche verteilt, so dass auch kleinräumig eine homogene Verteilung von thermoplastischen Fasern und Carbonfasern erfolgt, und b) sich vermischend und gegenseitig überdeckend auf der Fläche verteilt. Es sollte vermieden werden, dass auf der Fläche unterscheidbare Schichten aus Carbonfasern und Kunststofffasern übereinander und nicht homogen vermischt vorliegen. Eine auch kleinräumig vorliegende homogene Verteilung bedeutet dabei, dass vorzugsweise auf einer Fläche von 10 mm x 10 mm, bevorzugt 4 mm x 4 mm, eine homogene Verteilung vorliegt.
In diesem Verarbeitungsschritt werden die späteren elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials definiert. Die elektrische Leitfähigkeit kann dabei u.a. über das Flächengewicht, d.h. die Masse je Fläche des konsolidierten Materials, die Anzahl der Berührungspunkte der Carbonfasern untereinander je Flächeneinheit, und über den Volumenanteil an Kunststofffasern in der konsolidierten Mischung eingestellt werden. Je weniger Berührungspunkte von Carbonfasern untereinander vorhanden sind und je höher der Anteil an Kunststofffasern ist, desto höher wird der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Materials. Die konsolidierte Mischung wird nun, falls notwendig, getrocknet und wird anschließend thermisch konsolidiert. Beim Konsolidieren wird das geschüttete Material zunächst aufgeheizt, was vorzugsweise mittels Infrarotstrahlung geschieht. Dadurch wird der aus den Kunststofffasern gebildete Anteil der Mischung, hier aus Thermoplasten bestehend, verformbar und wird direkt im Anschluss an den Aufheizprozess zwischen heißen und mit Druck beaufschlagten Walzen zusammengepresst.
Aus diesem konsolidierten Ausgangsmaterial, nämlich der konsolidierten Mischung, werden dann die benötigten Filamente in der gewünschte Breite und Länge zugeschnitten. Im Anschluss werden an den Filamenten elektrische Kontakte angebracht, die Filamente werden carbonisiert und bei Bedarf anschließend grafitisiert.
Anschließend können diese Filamente mit elektrischen Zuleitungen versehen werden, in Quarzrohre eingebracht werden und diese Quarzrohre geeignet verschlossen werden, so dass sich im Inneren des gebildeten Strahlerrohrs eine Schutzgasatmosphäre, bevorzugt aus Argon, befinden kann. Abschließend werden außen je nach Bedarf Keramiken und elektrische Zuleitungen angebracht. Diesbezüglich wird lediglich beispielhaft auf die Darstellung und Beschreibung gemäß Fig. 3 verwiesen. Ausführunqsbeispiel 2
Zur Herstellung des elektrisch leitenden Materials, hier in Form eines Filaments, wird zunächst ein so genanntes Non-Woven Material hergestellt, aus dem dann die Filamente in den benötigten Abmessungen zugeschnitten werden.
Das Non-Woven Material setzt sich aus zu 3-12 mm Länge geschnittenen Carbonfasern und etwa gleichlang geschnittenen Fasern aus einem Thermoplast, in diesem Falle PEEK, zusammen. Der Einsatz von PET ist auch möglich, dann muss jedoch gegebenenfalls ein abweichendes Verhältnis von Carbonfasern zu thermoplastischen Fasern gewählt werden.
Die Carbonfasern und die Kunststofffasern, hier in Form von thermoplastischen Fasern, werden gleichzeitig und homogen auf einer Fläche verteilt. Die gleichmäßige Verteilung erfolgt z.B. über einen Rüttler, der die Fasern auf ein ablaufendes Band verteilt. Der Rüttler weist bevorzugt eine Spurweite von 300 mm auf. Die Carbonfasem und die thermoplastischen Fasern sind dabei vorzugsweise a) in gleichmäßiger Dichte über der Fläche verteilt, so dass auch kleinräumig eine homogene Verteilung von thermoplastischen Fasern und Carbonfasern erfolgt, und b) sich vermischend und gegenseitig überdeckend auf der Fläche verteilt. Es sollte vermieden werden, dass auf der Fläche unterscheidbare Schichten aus Carbonfasern und Kunststofffasern übereinander und nicht homogen vermischt vorliegen. Eine auch kleinräumig vorliegende homogene Verteilung bedeutet dabei, dass vorzugsweise auf einer Fläche von 10 mm x 10 mm, bevorzugt 4 mm x 4 mm, eine homogene Verteilung vorliegt.
In diesem Verarbeitungsschritt werden die späteren elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials definiert. Die elektrische Leitfähigkeit kann dabei u.a. über das Flächenge- wicht, d.h. die Masse je Fläche des konsolidierten Materials, die Anzahl der Berührungspunkte der Carbonfasern untereinander je Flächeneinheit, und über den Volumenanteil an Kunststofffasern in der konsolidierten Mischung eingestellt werden. Je weniger Berührungspunkte von Carbonfasern untereinander vorhanden sind und je höher der Anteil an Kunststofffasern ist, desto höher wird der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Materials.
Die konsolidierte Mischung wird nun, falls notwendig, getrocknet und wird anschließend thermisch konsolidiert. Beim Konsolidieren wird das geschüttete Material zunächst aufgeheizt, was vorzugsweise mittels Infrarotstrahlung geschieht. Dadurch wird der aus den Kunststofffasern gebildete Anteil der Mischung, hier aus Thermoplasten bestehend, verformbar und wird direkt im Anschluss an den Aufheizprozess zwischen heißen und mit Druck beaufschlagten Walzen zusammengepresst.
Aus diesem konsolidierten Ausgangsmaterial, nämlich der konsolidierten Mischung, werden dann die benötigten Filamente in der gewünschte Breite und Länge zugeschnitten.
In einer Abwandlung von Ausführungsbeispiel 1 werden diese Filamente nun mittels Wärme erneut plastifiziert und umgeformt. So ist es möglich, das Band (Filament) lokal zu ziehen und auch in der Ebene zu deformieren. So lassen sich gewünschte elektrische Eigenschaften des späteren elektrisch leitenden Materials zielgerichtet auslegen.
Ausführungsbeispiel 2.1
In einer ersten Unterausführung von Ausführungsbeispiel 2 wird das Band (Filament) nachträglich in die Länge gestreckt, um so eine bevorzugte Ausrichtung der Fasern in Längsrichtung des Bandes zu ermöglichen. Dabei wird der Widerstand des Bandes selber im Wesentlichen nicht mehr verändert, da dieser durch die Länge der Leitungsstrecke und die Anzahl der Berührungspunkte zwischen den Carbonfasern im Wesentlichen festgelegt ist. Allerdings wird die spezifische, auf die Filamentlänge bezogene elektrische Leistungsabgabe (typischerweise angegeben in W/cm) variiert.
Ausführunqsbeispiel 2.2
In einer zweiten Unterausführung von Ausführungsbeispiel 2 wird das Band (Filament) nachträglich in die Breite gereckt, um so eine bevorzugte Ausrichtung der Fasern in Querrichtung des Bandes zu ermöglichen. Hierdurch wird der Widerstand des Bandes selber im Wesentlichen nicht mehr verändert, allerdings wird die spezifische Leistungsabgabe (typischerweise angegeben in W/cm) verändert.
In beiden Fällen (Ausführungsbeispiele 2.1 und 2.2) ist sicherzustellen, dass es zu keiner Riss- bildung oder Delaminierung im Filament kommt. Daher sollten diese Methoden auf Dehnungsfaktoren bis zu einem Wert von höchstens 2 beschränkt werden.
Ausführungsbeispiel 2.3 Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein gedrilltes Filament hergestellt. Hierzu wird das gestreckte und erwärmte Filament mittels geeigneter Walzen und Führungen in eine in sich gedrillte Form überführt. Die schraubenartige Form kann nach dem Abkühlen spannungsfrei im Material bestehen bleiben. Im Anschluss werden an den Filamenten elektrische Kontakte angebracht und die Filamente werden carbonisiert. Dabei werden verdrillte Filamentbänder in ihrer Form stabilisiert mittels Halterungen im Ofen gelagert, damit die verdrillte Form der Bänder nicht verlorengeht. Nach dem Carbonisieren liegen dann verdrillte spannungsfreie Bänder vor, die nun bei Bedarf anschließend noch grafitisiert werden können.
Auch die Filamente gemäß Ausführungsbeispielen 2.1 und 2.2 werden nach den oben beschriebenen Schritten in bereits ausführlich beschriebener Weise carbonisiert.
Anschließend können diese Filamente mit elektrischen Zuleitungen versehen werden, in Quarz- röhre eingebracht werden und diese Quarzrohre geeignet verschlossen werden, so dass sich im Inneren des gebildeten Strahlerrohrs eine Schutzgasatmosphäre, bevorzugt aus Argon, befinden kann. Abschließend werden außen je nach Bedarf Keramiken und elektrische Zuleitungen angebracht. Diesbezüglich wird lediglich beispielhaft auf die Darstellung und Beschreibung gemäß Fig. 3 verwiesen. Ausführunasbeispiel 3
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein Non-Woven Material hergestellt, welches zusätz- lieh mit durchgehenden Carbonfasern verstärkt wird. Aus diesem verstärkten Material werden dann die Filamente in den benötigten Abmessungen zugeschnitten.
Das Non-Woven Material setzt sich aus zu 3-12 mm Länge geschnittenen Carbonfasern und etwa gleichlang geschnittenen Fasern aus einem Thermoplast, in diesem Falle PEEK, zusam- men. Der Einsatz von PET ist auch möglich, dann muss jedoch gegebenenfalls ein abweichendes Verhältnis von Carbonfasern zu thermoplastischen Fasern gewählt werden.
Die Carbonfasern und die Kunststofffasern, hier in Form von thermoplastischen Fasern, werden gleichzeitig und homogen auf einer Fläche verteilt. Die gleichmäßige Verteilung erfolgt z.B. über einen Rüttler, der die Fasern auf ein ablaufendes Band verteilt. Der Rüttler weist bevorzugt eine Spurweite von 300 mm auf. Die Carbonfasem und die thermoplastischen Fasern sind dabei vorzugsweise a) in gleichmäßiger Dichte über der Fläche verteilt, so dass auch kleinräumig eine homogene Verteilung von thermoplastischen Fasern und Carbonfasern erfolgt, und b) sich vermischend und gegenseitig überdeckend auf der Fläche verteilt. Es sollte vermieden werden, dass auf der Fläche unterscheidbare Schichten aus Carbonfasem und Kunststofffasern übereinander und nicht homogen vermischt vorliegen. Eine auch kleinräumig vorliegende homogene Verteilung bedeutet dabei, dass vorzugsweise auf einer Fläche von 10 mm x 10 mm, bevorzugt 4 mm x 4 mm, eine homogene Verteilung vorliegt. In diesem Verarbeitungsschritt werden die späteren elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials definiert. Die elektrische Leitfähigkeit kann dabei u.a. über das Flächengewicht, d.h. die Masse je Fläche des konsolidierten Materials, die Anzahl der Berührungspunkte der Carbonfasem untereinander je Flächeneinheit, und über den Volumenanteil an Kunststofffasern in der konsolidierten Mischung eingestellt werden. Je weniger Berührungspunkte von Carbonfasem untereinander vorhanden sind und je höher der Anteil an Kunststofffasern ist, desto höher wird der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Materials.
Dieses Non-Woven Material wird nun durch eine oder mehrere Carbonfaserlagen verstärkt, indem eine oder mehrere Carbonfaserlagen ein- oder beidseitig auf das Non-Woven Material aufgebracht werden. Eine Carbonfaserlage wird hergestellt, indem ein oder mehrere Carbonfa- ser-Rovings durch einen breiten, feinen Kamm geführt werden, so dass die Fasern weitestge- hend parallel zueinander auf eine größere Fläche verteilt werden. In der so gewonnenen Carbonfaserlage sind über die Breite gesehen viele Fasern nebeneinander angeordnet, die Dicke ergibt sich dabei aus einzelnen oder wenigen übereinander angeordneten Carbonfasern.
Die Mischung wird nun gegebenenfalls getrocknet und wird anschließend thermisch konsolidiert. Beim Konsolidieren wird das geschüttete Material zusammen mit den auf- und gegebenenfalls untergelegten Carbonfasern zunächst aufgeheizt (bevorzugt mittels Infrarotstrahlung), so dass der Kunststoffanteil, hier aus Thermoplasten, verformbar wird, und wird direkt im An- schluss zwischen heißen und mit Druck beaufschlagten Walzen zusammengepresst.
Aus diesem Ausgangsmaterial werden dann die Filamente in der gewünschten Breite und Länge zugeschnitten. Die weitere Verarbeitung erfolgt analog zu Ausführungsbeispiel 1 , es sollte jedoch große Sorgfalt auf eine parallele Ausrichtung der verstärkenden Carbonfasern in Bezug auf die Zugrichtung gelegt werden. Des Weiteren sollte das Schneiden in Längsrichtung exakt parallel zu den verstärkenden Carbonfaser-Rovings erfolgen. Ausführunqsbeispiel 4
Zur Herstellung des elektrisch leitenden Materials, hier in Form eines Filaments, wird zunächst ein so genanntes Non-Woven Material hergestellt, welches zusätzlich mit durchgehenden Carbonfasern verstärkt wird. Aus diesem verstärkten Material werden dann die Filamente in den benötigten Abmessungen zugeschnitten.
Das Non-Woven Material setzt sich aus zu 3-12 mm Länge geschnittenen Carbonfasern und etwa gleichlang geschnittenen Fasern aus einem Thermoplast, in diesem Falle PEEK, zusammen. Der Einsatz von PET ist auch möglich, dann muss jedoch gegebenenfalls ein abweichen- des Verhältnis von Carbonfasern zu thermoplastischen Fasern gewählt werden.
Die Carbonfasern und die Kunststofffasern, hier in Form von thermoplastischen Fasern, werden gleichzeitig und homogen auf einer Fläche verteilt. Die gleichmäßige Verteilung erfolgt z.B. über einen Rüttler, der die Fasern auf ein ablaufendes Band verteilt. Der Rüttler weist bevorzugt eine Spurweite von 300 mm auf. Die Carbonfasern und die thermoplastischen Fasern sind dabei vorzugsweise a) in gleichmäßiger Dichte über der Fläche verteilt, so dass auch kleinräumig eine homogene Verteilung von thermoplastischen Fasern und Carbonfasern erfolgt, und b) sich vermischend und gegenseitig überdeckend auf der Fläche verteilt. Es sollte vermieden werden, dass auf der Fläche unterscheidbare Schichten aus Carbonfasern und Kunststofffasern überei- nander und nicht homogen vermischt vorliegen. Eine auch kleinräumig vorliegende homogene Verteilung bedeutet dabei, dass vorzugsweise auf einer Fläche von 10 mm x 10 mm, bevorzugt 4 mm x 4 mm, eine homogene Verteilung vorliegt.
In diesem Verarbeitungsschritt werden die späteren elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials definiert. Die elektrische Leitfähigkeit kann dabei u.a. über das Flächengewicht, d.h. die Masse je Fläche des konsolidierten Materials, die Anzahl der Berührungspunkte der Carbonfasern untereinander je Flächeneinheit, und über den Volumenanteil an Kunststofffasern in der konsolidierten Mischung eingestellt werden. Je weniger Berührungspunkte von Carbonfasern untereinander vorhanden sind und je höher der Anteil an Kunststofffasern ist, desto höher wird der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Materials.
Dieses Non-Woven Material wird nun durch eine oder mehrere Carbonfaserlagen verstärkt, indem eine oder mehrere Carbonfaserlagen ein- oder beidseitig auf das Non-Woven Material aufgebracht werden. Eine Carbonfaserlage wird hergestellt, indem ein oder mehrere Carbonfa- ser-Rovings durch einen breiten, feinen Kamm geführt werden, so dass die Fasern weitestgehend parallel zueinander auf eine größere Fläche verteilt werden. In der so gewonnenen Carbonfaserlage sind über die Breite gesehen viele Fasern nebeneinander angeordnet, die Dicke ergibt sich dabei aus einzelnen oder wenigen übereinander angeordneten Carbonfasern. Dabei können die Carbonfasern entweder gleichmäßig verteilt als dünne Lagen eingesetzt werden, oder zielgerichtet als Rovings geringer Faserzahl an spezifischen Positionen eingelegt werden.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführung hat es sich bewährt, einen Roving mit 12000 Fa- sern pro Roving (12k-Roving) auf 60 mm Breite auszulegen. Hierbei erreicht man eine ideale Verbindung von Zugverstärkung des Materials und einer noch geringfügigen Erhöhung der Leitfähigkeit des Filaments.
In einer zweiten Ausführung können Rovings mit 1000 Fasern pro Roving (1k-Roving) bevor- zugt so ausgelegt werden, dass zwei Rovings zumindest auf der Breite des zukünftigen Filaments liegen. Der Abstand der Rovings ist dabei durch die Geometrie des Filaments festgelegt. Bei einem Filament mit 10 mm Breite wird beispielsweise ein Roving mit 2 mm Abstand und ein Roving mit 8 mm Abstand vom linken Rand des Filaments eingelegt. Hierbei erreicht man eine ideale Verbindung von Zugverstärkung des Materials und noch geringfügiger Erhöhung der Leit- fähigkeit des Filaments.
Die Mischung wird nun gegebenenfalls getrocknet und wird anschließend thermisch konsolidiert. Beim Konsolidieren wird das geschüttete Material zusammen mit den auf- und gegebenenfalls untergelegten Carbonfasern zunächst aufgeheizt (bevorzugt mittels Infrarotstrahlung), so dass der Kunststoffanteil, hier aus Thermoplasten, verformbar wird, und wird direkt im An- schluss zwischen heißen und mit Druck beaufschlagten Walzen zusammengepresst.
Aus diesem Ausgangsmaterial werden dann die Filamente in der gewünschten Breite und Länge zurechtgeschnitten.
Die weitere Verarbeitung erfolgt analog zu Ausführungsbeispiel 1 , es sollte jedoch große Sorgfalt auf eine parallele Ausrichtung der verstärkenden Carbonfasern in Bezug auf die Zugrichtung gelegt werden. Des Weiteren sollte das Schneiden in Längsrichtung exakt parallel zu den verstärkenden Carbonfaser-Rovings erfolgen.
Ausführunqsbeispiel 5
Zur Herstellung des Filaments wird ein Non-Woven Material hergestellt, welches zusätzlich mit durchgehenden Carbonfasern verstärkt wird. Aus diesem verstärkten Material werden dann die Filamente in den gewünschten Abmessungen zugeschnitten.
Das Non-Woven Material setzt sich aus zu 3-12 mm Länge geschnittenen Carbonfasern und etwa gleichlang geschnittenen Fasern aus einem Thermoplast, in diesem Falle PEEK, zusammen. Der Einsatz von PET ist auch möglich, dann muss jedoch gegebenenfalls ein abweichen- des Verhältnis von Carbonfasern zu thermoplastischen Fasern gewählt werden.
Die Carbonfasern und die Kunststofffasern, hier in Form von thermoplastischen Fasern, werden gleichzeitig und homogen auf einer Fläche verteilt. Die gleichmäßige Verteilung erfolgt z.B. über einen Rüttler, der die Fasern auf ein ablaufendes Band verteilt. Der Rüttler weist bevorzugt eine Spurweite von 300 mm auf. Die Carbonfasern und die thermoplastischen Fasern sind dabei vorzugsweise a) in gleichmäßiger Dichte über der Fläche verteilt, so dass auch kleinräumig eine homogene Verteilung von thermoplastischen Fasern und Carbonfasern erfolgt, und b) sich vermischend und gegenseitig überdeckend auf der Fläche verteilt. Es sollte vermieden werden, dass auf der Fläche unterscheidbare Schichten aus Carbonfasern und Kunststofffasern überei- 980 nander und nicht homogen vermischt vorliegen. Eine auch kleinräumig vorliegende homogene Verteilung bedeutet dabei, dass vorzugsweise auf einer Fläche von 10 mm x 10 mm, bevorzugt 4 mm x 4 mm, eine homogene Verteilung vorliegt.
In diesem Verarbeitungsschritt werden die späteren elektrischen Eigenschaften des elektrisch 985 leitenden Materials definiert. Die elektrische Leitfähigkeit kann dabei u.a. über das Flächengewicht, d.h. die Masse je Fläche des konsolidierten Materials, die Anzahl der Berührungspunkte der Carbonfasern untereinander je Flächeneinheit, und über den \ oiumenantei'\ an Kunststofffasern in der konsolidierten Mischung eingestellt werden. Je weniger Berührungspunkte von Carbonfasern untereinander vorhanden sind und je höher der Anteil an Kunststofffasern ist, 990 desto höher wird der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Materials.
Die konsolidierte Mischung wird nun, falls notwendig, getrocknet und wird anschließend thermisch konsolidiert. Beim Konsolidieren wird das geschüttete Material zunächst aufgeheizt, was vorzugsweise mittels Infrarotstrahlung geschieht. Dadurch wird der aus den Kunststofffasern 995 gebildete Anteil der Mischung, hier aus Thermoplasten bestehend, verformbar und wird direkt im Anschluss an den Aufheizprozess zwischen heißen und mit Druck beaufschlagten Walzen zusammengepresst.
Zwischen Lagen aus diesem Non-Woven Material können nun eine oder mehrere Lagen aus
[000 Carbonfasern eingebracht werden, indem ein oder mehrere Carbonfaser-Rovings durch einen breiten, feinen Kamm geführt werden, so dass die Fasern weitestgehend parallel zueinander auf einer größeren Fläche verteilt werden. In der so gewonnenen Carbonfaserlage sind in der Breite gesehen viele Fasern nebeneinander angeordnet, die Dicke ergibt sich aus einzelnen oder wenigen übereinander angeordneten Carbonfasern.
1005
Das so zusammengelegte Material wird nun erneut thermisch konsolidiert.
Aus diesem Ausgangsmaterial werden dann die benötigten Filamente in der gewünschten Breite und Länge zugeschnitten.
1010 Die weitere Verarbeitung erfolgt analog zum Ausführungsbeispiel 1 , es sollte jedoch große Sorgfalt auf eine parallele Ausrichtung der verstärkenden Fasern zur Zugrichtung gelegt werden. Außerdem sollte das Schneiden in Längsrichtung exakt parallel zu den verstärkenden Rovings erfolgen.
1015
1020
Bezugszeichenliste
1 Mischung
2 flächiges Gelege
3 Carbonfaser
4 Kunststofffaser
5 elektrisch leitendes Material
6 Matrix
7 Filament
8 Längserstreckungsnchtung
9 Stromflussrichtung
10 Berührungspunkte zwischen Carbonfasern
11 Schnittebene
12 Strahler
13 Gehäuse
14 Kontaktelement
15 elektrische Zuleitung
16 Ausgleichselement

Claims

Patentansprüche
Ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Materials (5), wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet:
a. Bereitstellen einer Carbonfaser (3),
b. Bereitstellen einer von der Carbonfaser (3) verschiedenen Kunststofffaser (4), c. Herstellen einer Mischung (1) in Form eines flächigen Geleges (2) aus der Carbonfaser (3) und der Kunststofffaser (4),
d. gegebenenfalls Trocknen der Mischung (1),
e. Konsolidieren der Mischung (1 ),
f. gegebenenfalls Zuschneiden der Mischung (1),
g. Carbonisieren der Mischung, wobei die carbonisierten Kunststofffasern (4) eine kohlenstoffbasierte, elektrische Leitfähigkeit aufweisende Matrix (6) bilden, welche die Carbonfasern (3) mindestens teilweise umgibt.
Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Massenanteil von Carbonfasern (3) bezogen auf die Mischung (1) von 1 Massen-% bis 70 Massen-% beträgt.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mischung (1) ein Faserflächengewicht von 75 g/m2 bis 500 g/m2 aufweist.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb der Mischung (1) die Carbonfasern (3) und die Kunststofffasern (4) sich in ihrer Länge um maximal 50%, bezogen auf die Länge der Carbonfasern (3), unterscheiden.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb der Mischung (1) die Carbonfaser (3) oder die Kunststofffaser (4) oder beide eine Faserlänge von 3 mm bis 30 mm aufweisen.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kunststofffaser (4) einen thermoplastischen Kunststoff beinhaltet.
Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der thermoplastische Kunststoff Polyethersulfon (PES), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polyethyl- enterephthalat (PET), Polyphthalamid (PPA), Polyphenylensulfid (PPS) oder Polyimid (PI), oder eine Mischung aus mindestens zwei hiervon, beinhaltet.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzlich zu der Kunststofffaser (4) aus thermoplastischem Kunststoff eine weitere Kunststofffaser (4) aus duroplastischem Kunststoff eingesetzt wird.
Ein elektrisch leitendes Material (5), beinhaltend einen Verbund, welcher beinhaltet:
a. eine erste Carbonfaser (3) und eine weitere Carbonfaser (3); und
b. eine die erste Carbonfaser (3) und die weitere Carbonfaser (3) jeweils mindestens teilweise umgebende Matrix (6), wobei die Matrix (6) eine geringere elektrische Leitfähigkeit als die Carbonfasern (3) aufweist,
wobei bezogen auf eine Schnittebene (11) durch den Verbund aus der Gesamtzahl der durch die Schnittebene (1 1 ) verlaufenden Carbonfasern (3) mehr als 20% der durch die Schnittebene (1 ) verlaufenden Carbonfasern (3) keine weitere durch dieselbe Schnittebene (11) verlaufende Carbonfaser (3) kontaktieren.
Das elektrisch leitende Material (5) nach Anspruch 9, wobei die Schnittebene (1 1) orthogonal zu einer möglichen Stromflussrichtung (9) durch das Material orientiert ist.
Das elektrisch leitende Material (5) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, mit mindestens einer der Eigenschaften:
i. die Matrix (6) weist eine definierte spezifische elektrische Leitfähigkeit auf, iL die Matrix (6) gibt eine Ausrichtung der Carbonfasern (3) vor,
iii. die Matrix (6) gibt eine spezifische Anzahl von Berührungspunkten (10) zwischen Carbonfasern (3) vor,
iv. die Carbonfasern (3) sind in der Matrix (6) so verteilt und/oder ausgerichtet, dass ein Stromfluss durch das Material (5) zwingend zumindest durch einen Teilbereich der Matrix (6) verläuft.
Ein Strahler (12), beinhaltend:
a. ein transparentes oder transluzentes Gehäuse (13);
b. ein in diesem Gehäuse (13) angeordnetes elektrisch leitendes Material (5) nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1. Der Strahler (12) nach Anspruch 12, wobei das elektrisch leitende Material (5) eine solche Flexibilität aufweist, dass das elektrisch leitende Material (5) über dessen gesamte Länge kreisförmig um einen Radius von 1 ,0 m, bevorzugt von 0,25 m, biegbar ist, ohne dass es zu Brüchen der Carbonfasern (3) und/oder der Matrix (6) und/oder zur Trennung von Carbonfasern (3) und der Matrix (6) kommt.
Der Strahler (12) nach Anspruch 12 oder 13, wobei das elektrisch leitende Material (5) eine elektrische Leitfähigkeit, gemessen als elektrische Betriebsspannung je Länge des elektrisch leitenden Materials (5), von größer als 150 V/m aufweist.
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