JPH0948874A - 電気および熱伝導性合成物質およびこの合成物質の使用 - Google Patents
電気および熱伝導性合成物質およびこの合成物質の使用Info
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Abstract
を提供すること 【解決手段】 充填物質が他の元素のドーピングにより
所定の内在的な導電性を備えた半導体性の物質であるこ
と、および充填物質含有量が、合成物質の電導性が充填
物質含有量を増大させた場合でも全く変化せずにとどま
るように選択されている、担持材料とこの担持材料が埋
設されている合成物質マトリックスとにより形成されて
いる積層体内で使用する
Description
ー内に埋設された充填物質とをベースとした電気および
熱伝導性合成物質およびその使用に関する。このような
合成物質は電気的な場を制御するための電極として、或
いは不所望な静電気の電荷を回避しなければならない構
造部分のための適切な材料である。この合成物質はポリ
マー以外に充填物質として一般にカーボンブラックを含
有しており、1から1016(Ω・cm)のカーボンブラ
ック含有量に応じて比電気的な抵抗を有している。
ベースとした電気および熱伝導性合成物質は、Insernha
gen 在Kunststoff-Verlag GmbH & Co.発行の別冊である
“Kunstsoffberater,22 巻,262" 頁(1977)と22巻,3312
頁(1977)、R.Gilg“Russ fuerleitfaehige Kunststoffe
”(R.Gilg著(導伝性の合成物質用カーボンブラッ
ク)に記載されている。この合成物質はケーブル被覆或
いは制御電極のための材料とし使用される際、この合成
物質を102 から1014〔Ω・cm〕の典型的な比電気
抵抗を有していなければならない。この領域にあって
は、合成物質の比抵抗もしくは導電性はカーボンブラッ
ク含有量が僅かに変わっただけで著しく変化する。例え
ば、比抵抗は約1重量%だけカーボンブラック含有量が
増大した際10 12〔Ω・cm〕から104 [Ω・cm]
へと低減する。比電気抵抗もしくは導電性のカーボンブ
ラック含有量に対する著しく非線形な依存性のため、再
生不可能な方法によりポリマーおよびカーボンブラック
をベースとした、一定した十分な導電性を有する導電性
の合成物質を造ることは困難である。更に、導電性は合
成物質内のカーボンブラックの分布の微細構造に依存し
ている。合成物質の製造の間一般に高い剪断力が生じる
ので、場合によってはカーボンブラックの網状に形成さ
れている構造が破壊される。これに加えて、熱硬化性の
材料をベースとしたポリマーを使用した際カーボンブラ
ック粒子は網状化反応により局所的に凝集し、これによ
り合成物質の均一化が著しく阻害される。
項1から8項に記載した本発明の根底をなす課題は、一
定した十分な導電性を有する導電性を有し、しかも単純
な再生可能な方法により造ることが可能な冒頭に記載し
た様式の電気および熱伝導性合成物質、および同時にこ
の合成物質の優れた使用を提供することである。
特徴とするところは、この合成物質が適当な充填物質を
選択することにより簡単に製造することが可能であるば
かりでなく、その電導性も全く製造方法に依存すること
なくただ充填物質の内在的な電導性を適当に調節するこ
とにより決定されることである。半導体性の物質を程度
の差こそあれ著しくドーピングすることにより簡単かつ
再生可能な方法により、所定の電導性をを有する合成物
質を造ることが可能である。この場合、合成物質の電導
性が充填物質の含有量を増大させた際殆ど変化しない程
度に充填物質の含有量が選択される。即ち、充填物質の
含有量が僅かに増大された場合は電導性の非線形的な変
化は排除される。
りも多い。充填物質の含有量が40容量%より多い場
合、合成物質自体、充填物質の含有量が%の領域で変動
した際確実に一定した電導性を有している。何故なら電
導性の非線形の変化を誘起するパーコレーションしきい
が達せられないからである。半導体性の物質はセラミッ
ク材、特にBaTiO3 、Si、CdS、SiC、Sn
O2 、SrTiO3 、TiO2 、Y1 Ba2 、CU3 O
7-X および/またはZnOをベースとしているセラミッ
ク材であるのが特にのが有利である。一方にあっては、
この合成物質は、良好な熱伝導性および熱伸び係数が僅
かであると言う特徴を有している。このことはセラミッ
ク半導体の材料特性の結果である。比熱伝導性と熱伸び
係数の典型的な値は、ZnOに関しては300Kにあっ
て54[W/mK]と7,5・10-6[K-1]であり、
SiCに関しては400Kにあっては63−155[W
/mK]と5,5・10-6[K-1]である。これに対し
て例えばエポキシのようなポリマーにあっては0,3
[W/mK]と50−200・10-6[K-1]である。
iおよび/またはZrのような金属を使用するのがのが
有利であり、この場合金属の割合は一般に半導体性のセ
ラミック材の重量の1%までであり、典型的にはパーミ
ルの範囲で使用されている。電導性が主として半導体性
の物質のドーピングによって定まるので充填物質は最高
の充填密度が達せられるまで合成物質内に入れられる。
このようにして最適な熱伝導性と僅かな熱伸び係数が達
せられる。充填物質の割合を適当に僅かとすることによ
り、一定の電導性と高い熱伝導性とを備えた合成物質が
得られ、この合成物質は特にエポキシのようなポリマー
(40−50容量%のAl2 O3 および/またはSiO
2 )をベースとした高い充填密度の絶縁体に適合された
熱伸び係数を有している。
利である。何故なら、熱可塑性材料は特に迅速に加工で
きるからであり、またその融点以下のその粘度が一般に
唐突に増大するからである。しかし、熱可塑性材料の代
わりに、熱硬化材料或いはエラストマーをポリマーとし
使用することが可能である。この合成物質はポリマーと
半導体性の物質から従来の方法により混合および押出し
或いはダイカスト或いは射出成形により造られる。
の形態につき本発明を詳細に説明する。
塑性材料と半導体性の物質から導電性の合成物質から成
る試料を造った。両材料を剪断混合機内で約130℃で
約15分間互いに混合した。得られた高粘度の混合物か
ら試料材料を取出した。この試料材料から約150℃で
かつ約28MPAの圧力の下で熱間プレスして、電気お
よび熱伝導性を測定するための試料を造った。
ートビッヒスハーフエン在バスフアゲー社製のLupo
le 1800 SP15と言う商品名の下で市販され
ている密度の僅かなポリエチレンを使用した。半導体性
の物質は約500ppmのアルミニウムをドーピングし
たか或いはドーピングを行っていない粉末の酸化亜鉛
(ZnO)である。ドーピング処理されたZnOは20
0μ以下の粒径を有するスラッジ化したZnO−粉末と
溶解した酢酸アルミニウム或いは硝酸アルミニウムを含
有している水性の懸濁液とを噴霧乾燥し、引続きこの噴
霧乾燥の際に形成された粉末を三段階で約1200℃に
加熱して形成した。噴霧乾燥の条件に応じて、形成され
た粉末は300μm以下の粒径を有している。粒子の形
状は球形であるか、或いは優先方向で伸びており、コン
パクトな形状或いは中空形状である。加熱の際、酢酸ア
ルミニウムおよび硝酸アルミニウム或いは形成された金
属アルミニウムは分解してZnOに分散する。
ピング量およびドーピング状態を適当に選択することに
より、ドーピングが行なわれたZnOの或いは他のドー
ピングが行なわれた半導体性の物質の内在的な比電気抵
抗の値が変わり、かつ広い範囲で調節される。アルミニ
ウムをドーピングされたZnOに関して、ドーパントの
含有量に依存して、比電気抵抗に関して以下に値が得ら
れた、即ち 図1に示したダイヤグラムから明瞭であるように、ドー
ピング量が10ppmより大きい量で、かつ1000p
pm以下の量では、特別小さな比電気抵抗と相応して特
別良好な電導性が達せられる。アルミニウムをドーピン
グされた酸化亜鉛セラミック材が特別良好であり、この
酸化亜鉛セラミック材は約200ppmのアルミニウム
を含有している。セラミック材の焼結条件を変えること
により、この値は場合によっては変わる。
末が大きな粒子と小さな粒子とを有しているのが特に有
利である。何故なら、合成物質の特別高い充填度と、こ
れに伴い特別良好な機械的な、電気的なかつ熱的な特性
が達せられるからである。例えば、粉末が50μm以下
の大きさの粒子をが有しており、これらの粒子は粒子相
互間の隙間に数百μmまでの大きさで配列されている。
35,40と50容量%の充填物質含有量を有している
試料に関して、比電気抵抗と比熱伝導性とを測定した。
抵抗測定の結果は図2に示した。図2において、比電気
抵抗の充填物質含有量に対する関数的な依存性は、合成
物質が本発明によるドーピングされたZnO或いはドー
ピングされていないZnOのみを含んでいるかどうかに
応じて記号I或いはIIで示した。測定はヒユーレット
パッカード社製の型式HP4274Aのインピーダンス
−解析器を使用して1kHzの周波数にあって行なっ
た。関数Iから、約30容量%以下の充填物質含有量に
あっては、検査した試料の比電気抵抗はほぼ一定に10
10[Ω・cm]である。約30容量%以上の充填物質含
有量になって始めて比電気抵抗が急激に低下し、約50
容量%の充填物質含有量以上で約3・103 [Ω・c
m]の値に殆ど一定にとどまる。これに対して、ドーピ
ングされていないZnOが充填されている合成物質(関
数II)の場合30容量%以下の充填物質含有量で一定
にとどまる1010[Ω・cm]となる比電気抵抗は極め
て僅かに低減するに過ぎなず、40−50容量%の充填
物質含有量では108 −109 [Ω・cm]であり、こ
の合成物質の電導性は遮蔽問題或いは場制御の問題を解
決するは余りに小さ過ぎる値である。
充填物質含有量を有する本発明による合成物質は0,6
1[W/mK]の比熱伝導性を、そして40−50容量
%の充填物質含有量の合成物質にあっては0,924或
いは2[W/mK]の比熱伝導性を有している。従っ
て、本発明による合成物質は、充填物質としてカーボン
ブラックをベースとした、典型的に0,03[W/m
K]の比熱伝導性を有している公知の合成物質よりも二
から六倍も高い比熱伝導性を有している。
用例を示した。この使用は担持材料に埋設されている合
成物質マトリックスを有する積層体である。この積層体
は、本発明による合成物質で積層され、互いに上下に重
ねられた織物層1から成る。この織物層は例えばグラス
ファイバーから成り、例えば約23[g/m2 ]の面積
重量を有している。この織物を、100ppmの溶解し
たポリスルフオンとポリスルフオン−溶液内に均一分散
した500ppmのアルミニウムをドーピングさたZn
O−粉末を含んでいる懸濁液に含浸した。密な充填を達
するため、ZnO粉末は二つのフラクションから成る。
600ppmの比較的大きなフラクションは10−20
0μm間の大きさを有する粒子を含有しており、他方1
00ppmの比較的小さなフラクションは63μmの比
較的大きな大きさを有する粒子を含有している。含浸さ
れた織物は180℃以下の温度で約2時間乾燥した。こ
のようにして得られた積層された織物は約0,3mmの
厚みを有している。
重ねられており、約25℃の温度と約5Mpaの圧力で
プレスして積層体に成形した。このようにして造られた
積層体から測定の目的の試料を造った。この試料により
積層体の以下の特性を確認した。 密度 3,21[g/cm2 ] 比熱伝導性 2,06[W/mK] 室温での比電気抵抗 3[Ω・cm] 連続負荷に対する熱安定性 160℃ 合成物質におけるZnOの容量割合 60% 典型的な0,3[W/mK]の比熱伝導性を有する公知
の積層体に比して、比熱伝導性は明らかに約7の係数だ
け改善された。更に、本発明による合成物質を使用する
ことにより、積層体に特有の電導性は容易に狭い公差範
囲に維持される。これに加えて、この積層体は簡単なか
つ容易にマスターできる製造方法により造ることができ
る。この製造方法を実施する際、少なくとも積層体の表
面は図3から明らかなような構造2を有している。
(絶縁材料クラスF或いはそれ以上)と高い熱伝導性並
びに低い電導性ーしかし比金属性の伝導性(外部コロナ
放電を避けるのに典型的な1から10kΩの比電気抵
抗)を有する工作材料として電子機器製造に使用され
る。特に、例えば、ターボ発電機或いは水素発電機のよ
うな大型の回転する電気機器の溝路内の巻線バーの支持
のスロットウェジとして役立つ。
立つ本発明による半導体性の合成物質を含んでいる積層
体は、発電機の固定子鉄心4内に形成された溝5内に設
けられている。この溝5は更に相対していてかつ固定子
鉄心に対して主絶縁体6により電気絶縁されている二本
の巻線バー7を有している。このスロットウェジ3と溝
5を外部に対して閉じているくさび状溝内固定部材8は
巻線バー7を溝5内でしっかりと定着している。織物と
してグラスファイバーを、そしてポリマーとしてポリス
ルフオンを選択することにより、スロットウェジ3を形
成している積層体は発電機が作業温度にあっても、少な
くとも主絶縁体6に相当する耐圧性を有している。巻線
バー7内における電流損失により抵抗性によるおよび誘
導性の損失が生じる。これらの損失は主絶縁体6を介し
て直接に、およびスロットウェジ3を介して間接的に固
定子鉄心4放出される。本発明による良好な熱伝導性の
スロットウェジ3を使用することにより、巻線バー7か
らの特別有効な熱導出が達せられる。 巻線バー7と固
定子鉄心4は互いに著しく異なる電気ポテンシャル上に
ある。主絶縁体6が外部放電により破壊されるのを回避
するために、主絶縁体6の表面は半導体性の積層を備え
ており、スロットウェジ3を形成する積層体の良好な電
導性を保証する。
ら認められる構造2が圧刻される。このような構造2に
より巻線バー7と溝5の壁部との間の機械的な結合を良
好にし、巻線バー7と固定子鉄心4間の熱交換を促進す
る。
ックのドーパントの含有量に依存した比電気抵抗を示し
たダイヤグラムである。
れ充填物質含有量に依存した、容量%で測定した比電気
抵抗を示したダイヤグラムである。
を互いに結合する本発明による合成物質とから成る合成
物質積層体の断面図である。
び状溝内固定部材を収容する発電機の固定子鉄心の巻線
バーの軸線に沿った平面図である。
Claims (10)
- 【請求項01】 ポリマーとこのポリマー内に埋設され
た充填物質とをベースとした電気および熱伝導性合成物
質において、充填物質が他の元素のドーピングにより所
定の内在的な導電性を備えた半導体性の物質であるこ
と、および充填物質含有量が、合成物質の電導性が充填
物質含有量を増大させた場合でも全く変化せずにとどま
るように選択されていることを特徴とする電気および熱
伝導性合成物質。 - 【請求項02】 半導体性の物質がセラミック材、特に
BaTiO3 、特にBaTiO3 、Si、CdS、Si
C、SnO2 、SrTiO3 、TiO2 、Y1Ba2 、
CU3 O7-X および/またはZnOをベースとしている
セラミック材であることを特徴とする請求項1に記載の
合成物質。 - 【請求項03】 ドーパントがAl、Cr、In、L
i、Tiおよび/またはZrのような金属であることを
特徴とする請求項2に記載の合成物質。 - 【請求項04】 金属含有量が最高セラミック材の重量
の1%であることを特徴とする請求項3に記載の合成物
質。 - 【請求項05】 アルミニウムをドーピングされた亜鉛
セラミック材の場合、金属含有量がセラミック材の重量
の10から1000ppmであることを特徴とする請求
項4に記載の合成物質。 - 【請求項06】 充填物質の含有量が30容量%より大
きいことを特徴とする請求項1から5までのいずれか一
つに記載の合成物質。 - 【請求項07】 半導体性の物質がアルミニウムをドー
ピングされたZnOであり、かつ少なくとも40容量%
の充填物質含有量を有していることを特徴とする請求項
6に記載の合成物質。 - 【請求項08】 担持材料とこの担持材料が埋設されて
いる合成物質マトリックスとにより形成されている積層
体内での請求項1から7までのいずれか一つに記載の合
成物質の使用。 - 【請求項09】 積層体が構造体(2)を備えた少なく
とも一つの表面を備えていることを特徴とする請求項8
に記載の合成物質の使用。 - 【請求項10】 積層体が溝くさび(3)の材料である
ことを特徴とする請求項8或いは9に記載の合成物質。
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