SE468026B

SE468026B - Saett att framstaella en elektrisk anordning

Info

Publication number: SE468026B
Application number: SE9001990A
Authority: SE
Inventors: T Hansson
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1990-06-05
Filing date: 1990-06-05
Publication date: 1992-10-19
Also published as: DE69131787T2; DE69131787D1; EP0533760A1; JP2836959B2; WO1991019297A1; SE9001990L; SE9001990D0; ATE186793T1; EP0533760B1; JPH05508055A

Description

468 026 pounderingen medför också risk för att det ledande materialet krossas eller på annat sätt påverkas så att det undergår icke önskvärda föränd- ringar. Efter kompounderingen underkastas den framställda blandningen en bearbetning i samband med att den formas genom extrudering, formpressning eller på annat sätt, vilket innebär en risk för uppkomst av en oönskad anisotropi hos materialet i den formade produkten. De beskrivna förloppen kan leda till problem att åstadkomma reproducerbara egenskaper hos den framställda färdiga kroppen.

Efter formningen av kroppen av polymerkomposition förses kroppen enligt tillämpad teknik med elektroder. Elektroderna består vanligen av metall- folier och anbringas genom att pressas på kroppen i värme.

Enligt den föreliggande uppfinningen elimineras de angivna begränsningarna hos tidigare känd teknik samt åstadkommas en avsevärd förenkling av fram- ställningen av den elektriska anordningen.

Uppfinningen möjliggör sålunda användning av polymermaterial med avsevärt högre viskositet än som varit möjligt tidigare. Den ger en avsevärt större valfrihet beträffande typ och halt av ledande material. Det ledande mate- rialet utsättes inte för någon bearbetning med oönskade följder. Någon formning som medför risk för anisotropi förekommer inte. Elektroderna kan anbringas utan att ett härför separat arbetsmoment behöver utföras. En särskilt viktig fördel är att metoden möjliggör åstadkommande av anord- ningar med mycket låg övergångsresistans mellan elektrod och polymerkom- position.

Enligt uppfinningen uppnås de gynnsamma resultaten genom att polymermate- rialet i termoplastiskt tillstånd och i pulverform med en kornstorlek av under 100 pm, och av under 40 pm hos minst 50 % av materialet, i fast, torrt tillstånd blandas med det elektriskt ledande pulverformiga mate- rialet i en kornstorlek av under 100 pm till en blandning i vilken poly- mermaterialet utgör minst 30 procent och det elektriskt ledande pulverfor- miga materialet minst 20 procent av den sammanlagda volymen av dessa mate- rial och genom att blandningen tillsammans med elektroderna underkastas en pressning och en uppvärmning till en temperatur vid vilken polymermate- rialet smälter åtminstone på kornens yta under bildning av en permanent sammanhängande kropp av blandningen och under fixering av elektroderna till den sammanhängande kroppen. 3 468 026 Enligt en fördelaktig utföringsform av uppfinningen, som ger en särskilt god reproducerbarhet i prestanda hos den tillverkade anordningen underkas- tas blandningen av polymermaterial och elektriskt ledande pulverformigt material en pressning vid rumstemperatur eller annan temperatur som är väsentligt lägre än den temperatur vid vilken polymermaterialet smälter under bildning av en förformad kropp, innan blandningen i form av den förformade kroppen tillsammans med elektroderna underkastas pressningen och uppvärmningen för bildning av den permanent sammanhängande kroppen och för fixering av elektroderna.

Som elektroder användes företrädesvis prefabricerade plattor av ett pul- verformigt metalliskt material, vilka har en porös struktur på den åt blandningen vända sidan och är täta mot genomträngning av polymermaterial till den från blandningen vända sidan. Vid användning av elektroder av detta slag erhålles en effektiv förankring av elektroderna till den led- ande polymerkompositionen utan att polymermaterialet ger någon isolerande eller någon eventuellt svagt ledande beläggning på elektrodernas utsida.

Polymermaterialet tränger nämligen då i sitt termoplastiska tillstånd in i elektrodernas porer utan att tränga igenom elektroderna. Från början helt igenom porösa plattor kan göras täta mot genomträngning av polymermaterial genom att på utsidan förses med ett metalliskt överdrag, t ex på elektro- lytisk väg. Man kan också göra utsidan tät genom att bringa ett ytskikt på de porösa elektroderna att smälta och stelna, t ex med användning av laserteknik, medan elektroderna i övrigt bibehålles oförändrade i sitt porösa tillstånd. Ett annat sätt att bibehålla en porös ytstruktur åt den mot blandningen vända sidan och åstadkomma att plattorna blir täta mot genomträngning av polymermaterial är att sintra plattorna, normalt i redu- cerande atmosfär, vid en härför erforderlig temperatur, vilken är avsevärt lägre än smälttemperaturen för det använda metalliska elektrodmaterialet samt att efter sintringen slipa eller på annat sätt mekaniskt bearbeta plattans utsida. Det är dock möjligt att använda elektroder av annan typ än de ovan beskrivna. Så t ex kan elektrodmaterialet i pulverform appli- ceras i form av skikt på den ledande polymerkompositionens ytor, innan den underkastas pressningen och uppvärmningen för bildning av den permanent sammanhängande kroppen och för fixering av elektroderna. Även i sådant fall vidtages företrädesvis åtgärder för att åstadkomma att elektroderna blir täta mot genomträngning av polymermaterial t ex genom att de förses med ett tätt överdrag av metalliskt material på den från blandningen vända sidan. 468 026 Det metalliska materialet i elektroderna kan med fördel bestå av nickel eller koppar men även andra metalliska material i form av ren metall eller metallegering med tillräcklig elektrisk ledningsförmåga är användbara.

Lämplig kornstorlek hos det metalliska materialet är 0,5 pm - 20 pm och lämplig tjocklek på en elektrod 100-1000 pm. Om elektroderna förses med ett metalliskt överdrag, t ex på elektrolytisk väg, kan överdraget med fördel bestå av koppar, som ger en väl utspridd elektrisk ledning i sidled inom ifrågavarande elektrod, oavsett vilket material elektroden i övrigt är uppbyggt av. Det täta ytskiktet på en i övrigt porös elektrod kan med fördel ha en tjocklek, som uppgår till 3-30 % av hela elektrodens tjock- lek.

Enligt en fördelaktig utföringsform av uppfinningen användes som polymer- material vid framställningen av anordningen en tvärbindbar lineär polymer.

Om tvärbindbarheten hos polymermaterialet utnyttjas, utföres tvärbind- ningen efter det att blandningen av polymermaterialet och det ledande materialet tillsammans med elektroderna underkastats pressningen och upp- värmningen för bildning av den permanent sammanhängande kroppen och för fixering av elektroderna. Genom att tvärbinda polymermaterial kan man uppnå en större mekanisk och termisk stabilitet hos den framställda anord ningen.

Polymermaterialet utgöres företrädesvis av en polyolefin, såsom en poly- eten, polypropen, polybuten eller en sampolymer av eten och propen. Spe- ciellt föredrages H®-polyeten. Det är dock möjligt att använda andra lineära polymerer som kan göras tillräckligt finkorniga och i torrt till- stånd blandas med det ledande materialet samt överföras i termoplastiskt tillstånd då blandningen underkastas pressning och uppvärmning för bild- ning av en permanent sammanhängande kropp av polymerkompositionen och för fixering av elektroderna. Exempel på sådana andra lineära polymerer är polyamid, polyetentereftalat, polybutentereftalat och polyoxymetylen.

Polymermaterialet har företrädesvis en kristallinitet av minst 5 %.

Kornstorleken hos polymermaterialet ligger företrädesvis vid 5-100 pm, varvid minst 50 % av materialet har en kornstorlek understigande 40 pm. 721 5 468 026 Som exempel på lämpliga elektriskt ledande material i polymerkompositionen kan nämnas kol i form av ledande sot, kimrök eller carbon black, metalliska material såsom t ex nickel, volfram, molybden, kobolt, koppar, silver, aluminium och mässing, borider, såsom t ex ZrB och TiB 2 2' nitrider, såsom t ex ZrN och TiN, oxider, såsom t ex V 0 och TiO, karbider, såsom t ex TaC, WC och ZrC samt blandningar :v3tvâ eller flera av de exemplifierade materialen, såsom t ex en blandning av sot och nickel. Kornstorleken för sot, kimrök och carbon black ligger företrädes- vis vid 0,01-0,10 pm, kornstorleken för metalliska material företrädesvis vid 0,5-100 pm samt kornstorleken för borider, nitrider, oxider och karbider företrädesvis vid 0,01-100 pm.

Polymermaterialet utgör lämpligen 30-80 procent och det elektriskt ledande pulverformiga materialet 20-70 procent av den sammanlagda volymen av dessa material i den av blandningen uppbyggda polymerkompositionen. Om det elektriskt ledande materialet utgöres av en blandning av kol och metalliskt material föredrages en halt polymermaterial av 65-80 procent och en halt elektriskt ledande pulverformigt material av 20-35 procent av den sammanlagda volymen av dessa material i anordningar med en utpräglad PTC-effekt. Av det elektriskt ledande pulverformiga materialet utgör där- vid kolet företrädesvis 5-75 volymprocent och det metalliska materialet 25-95 volymprocent.

Uppfinningen skall förklaras närmare genom beskrivning av ett antal utför- ingsexempel.

Exempel 1 75 volymdelar HD-polyeten (NB 6081 från PLAST-LABOR S.A., Bulle, Schweiz) med ett smältindex (ml 190/2) av 40 g/10 min, en täthet av 0,960 g/cm3 och en kornstorlek av 5-90 pm, därav en kornstorlek av 24-36 pm hos mer än 50 X av materialet, blandas med 13 volymdelar nickelpulver med en korn- storlek av under 7 pm och med 12 volymdelar ledande sot typ N550 (ASTM) med en kornstorlek av 0,040-0,0ü8 pm till en blandning i form av en poly- merkomposition. Blandningen pressas vid rumstemperatur och ett tryck av 70 Ma i ett formverktyg med ett cylindriskt formrum och en eller två rör- liga cylindriska stämplar till en förformad rund platta med en diameter av 25 mm och en höjd av 1,5 mm. 468 026 6 I samma formverktyg iordningställes två elektroder i form av plattor med en tjocklek av 0,6 mm genom pressning av nickelpulver med en kornstorlek av 4-7 pm. Pressningen utföres vid rumstemperatur och ett tryck av 70 Ma. Plattorna är porösa med genomgående porer. Varje platta förses på ena sidan på elektrolytisk väg med ett 20 pm tjockt skikt av koppar, som fl dels medför att förekomsten av genomgående porer elimineras genom att skiktet är tätt, dels ger ett radiellt utspritt välledande ytskikt.

Plattan av polymerkompositionen med en av nickelelektrodplattorna på varje flatsida placeras ånyo i formverktyget med kopparskikten vända utåt, var- efter stapeln av de tre plattorna först pressas vid rumstemperatur och ett tryck av 70 MPa och därefter vid 150 OC utan ändring av trycket. Därvid bildar polymerkompositionen en permanent sammanhängande kropp, till vilken elektroderna är väl förankrade genom att polymerkompositionen trängt in i elektrodernas porer. Polymerkompositionen har en resistivitet av mindre än 50 mQ cm. Den framställda anordningen lämpar sig utmärkt för användning som PTC-element.

Exempel 2 En anordning framställes på i Exempel 1 angivet sätt med den skillnaden att kopparskikten på elektrodernas utsida inte appliceras förrän stapeln av plattorna av polymerkompositionen och av nickelelektroderna pressats vid rumstemperatur till en sammanhängande kropp. Efter applicering av kopparskikten på elektrodernas utsida underkastas den sammanhängande kroppen en pressning vid ett tryck av 70 MPa och en temperatur av 1É0 OC.

Exempel 3 En anordning framställes på i Exempel 1 angivet sätt med den skillnaden att de vid rumstemperatur pressade elektrodplattorna, i stället för att förses med täta kopparskikt på utsidan, underkastas en sintring i vät- gasatmosfär vid omkring H00 OC under 4 timmar efterföljt av en slipning av den från polymerkompositionen vända sidan med 320 mesh våtslippapper.

Slipningen medför en deformation av ytskiktet så att detta blir tätt.

Därvid erhålles elektrodplattor med en porös ytstruktur på den mot poly- *l n' merkompositionen vända sidan men utan genomgående porer. De blir där- igenom täta mot genomträngning av polymermaterial vid varmpressningen. 468 026 Exempel 4 En anordning framställes på i Exempel 1 angivet sätt med den skillnaden att de porösa elektroderna i stället för att på utsidan förses med ett kopparskikt där göres täta genom att ytskiktet till ett djup av omkring 50 pm smältes ned och bringas att stelna genom användning av laser. Anord- ningen lämpar sig utmärkt för användning som PTC-element.

Exempel 5 En anordning framställes på något av i Exemplen 1-4 angivet sätt. Efter den sista pressningen med värmebehandling underkastas polymerkompositionen en tvärbindning genom att anordningen i dess helhet elektronbestrålas till dess polymermaterials tvärbindningsgrad uppgår till 80 %. Polymerkomposi- tionen har en resistivitet av mindre än 50 mQ cm. Anordningen lämpar sig utmärkt för användning som PTC-element.

Exempel 6 i Elektroder framställes på i Exempel 1, Exempel 3 eller Exempel 4 angivet sätt. Elektroderna placeras tillsammans med i Exempel 1 angiven polymer- komposition i form av ett pulver, dvs utan förformning, i formrummet till ett formverktyg av i Exempel 1 angivet slag med elektroderna på ömse sidor om polymerkompositionen och med de täta skikten (Exempel 1 och 4) vända utåt. Polymerkomposition och elektroder underkastas en pressning med ett tryck av 70 MPa vid en temperatur av 150 OC. Polymerkompositionen har en resistivitet av mindre än 50 m9 cm. Anordningen lämpar sig utmärkt för användning som PTC-element.

Exempel 1 En anordning framställes på något av i Exemplen 1-6 angivet sätt med den skillnaden att i stället för däri angiven polyeten användes en LD-polyeten (HX 1681 från PLAST-LABOR S.A.) med ett smältindex av 70 g/10 min, en tät- het av 0,916 g/cm3 och en kornstorlek av 5-35 pm, därav en kornstorlek av 10-14 pm hos mer än 50 X av materialet. Polymerkompositionen har en resistivitet av mindre än 50 mQ cm. Den tillverkade anordningen lämpar sig utmärkt för användning som PTC-element. ~| 468 026 Exempel 8 En anordning framställes på något av i Exemplen 1, 2, 3, 4 eller 6 angivet sätt med den skillnaden att i stället för där angiven polyeten användes polypropen (PB 0580 från PLAST-LABOR S.A.) med ett smältindex (MI 230/5) av 100 g/10 min, en täthet av 0,905 g/cm3 och en kornstorlek av 5-90 pm därav en kornstorlek av 24-36 pm hos mer än 50 % av materialet och den skillnaden att varmpressningen utföres vid 170 OC.

Exempel 2 En anordning framställes på något av i Exemplen 1-8 angivet sätt med den skillnaden att i stället för där angivna elektriskt ledande pulverformigt material i form av 13 volymdelar nickelpulver och 12 volymdelar sot använ- des 50 volymdelar ZrN med en kornstorlek av mindre än H5 pm. Polymerkom- positionen har en resistivitet av mindre än 50 mg cm.

Exempel 10 En anordning framställes på i Exempel 9 angivet sätt med den skillnaden att i stället för ZrN användes TiN med en kornstorlek av mindre än 6-10 pm. Polymerkompositionen har en resistivitet av mindre än 35 m9 cm.

Exempel 11 'En anordning framställes på något av i Exemplen 1-8 angivet sätt med den skillnden att i stället för där angivna elektriskt ledande pulverformigt material i form av 13 volymdelar nickelpulver och 12 volymdelar sot använ- des 13 volymdelar av samma sot och 52 volymdelar TiN med en kornstorlek av 6-10 pm. Polymerkompositionen har en resistivitet av mindre än 35_Qm cm.

Exempel 12 En anordning framställes på i Exempel 10 angivet sätt med den skillnaden att i stället för TiN användes ZrB2 med en kornstorlek av mindre än 45 pm. Polymerkompositionen har en resistivitet av mindre än 30 m9 cm.

Vi'

Claims

468 026 Exempel 13 En anordning framställes på i Exempel 9 angivet sätt med den skillnaden att i stället för ZrN användes TiB2 med en kornstorlek av mindre än ÄB pm. Exempel 14 En anordning framställes på något av i Exemplen 1-8 angivet sätt med den skillnaden att i stället för där angivna elektriskt ledande pulvermaterial i form av 13 volymdelar nickelpulver och 12 volymdelar sot användes 120 volymdelar sot av samma slag som i Exempel 1. Exempel 15 I En anordning framställes på något av i Exemplen 1-8 angivet sätt med den skillnaden att i stället för där angivna elektriskt ledande pulvermaterial i form av 13 volymdelar nickelpulver och 12 volymdelar sot användes 60 volymdelar nickelpulver av samma slag som i Exempel

1. PATENTKRAV Sätt att framställa en elektrisk anordning, särskilt en överströmsskydds- anordning, omfattande en med två parallella ytor försedd kropp av en elektriskt ledande polymerkomposition med en resistivitet av högst 100 mQ cm och två i kontakt med de parallella ytorna anordnade elektro- der, varvid polymerkompositionen omfattar ett polymermaterial och ett i polymermaterialet fördelat elektriskt ledande pulverformigt material, k ä n n e't e c k n a t av att polymermaterialet i termoplastiskt till- stånd och i pulverform med en kornstorlek av under 100 pm, och av under 40 pm hos minst 50 % av materialet, i fast, torrt tillstànd blandas med det elektriskt ledande pulverformiga materialet i en kornstorlek av under 100 pm till en blandning, i vilken polymermaterialet utgör minst 30 pro- cent och det elektriskt ledande pulverformiga materialet minst 20 procent av den sammanlagda volymen av dessa material samt att blandningen tillsam- mans med elektroderna underkastas en pressning och en uppvärmning till en temperatur vid vilken polymermaterialet smälter åtminstone på kornens yta under bildning av en permanent sammanhängande kropp av blandningen och under fixering av elektroderna till den sammanhängande kroppen. 10 463 G26

2. Sätt enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a t av att blandningen underkastas en pressning vid rumstemperatur eller annan temperatur som är väsentligt lägre än den temperatur vid vilken polymermaterialet smälter, under bildning av en förformad kropp, innan blandningen i form av den förformade kroppen tillsammans med elektroderna underkastas pressningen och uppvärmningen för bildning av den permanent sammanhängande kroppen och för fixering av elektroderna.

3. Sätt enligt patentkrav 1 eller 2 k ä n n e t e c k n a t av att som elektroder användes prefabricerade plattor av ett pulverformigt metalliskt material, vilka har en porös struktur på den åt blandningen vända sidan och är täta mot genomträngning av polymermaterial till den från den från blandningen vända sidan.

4. Sätt enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t av att plattorna är täta på den från blandningen vända sidan genom att de på denna sida är försedda med ett tätt överdrag av ett metalliskt material.

5. Sätt enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t av att plattorna är täta på den från blandningen vända sidan genom att de på denna sida är anordnade med ett uppsmält och stelnat ytskikt av det pulverformiga metalliska materialet i plattorna.

6. Sätt enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t av att plattorna är täta mot genomträngning av polymermaterial genom att genomgående porer är avlägsnade genom sintring av plattorna och en efterföljande mekanisk bearbetning av den från blandningen vända sidan.

7. Sätt enligt något av patentkraven 1-6, k ä n n e t e c k n a t av att som polymermaterial användes en tvärbindbar lineär polymer och att polymermaterialet tvärbindes efter det blandningen tillsammans med elektroderna underkastats pressningen och uppvärmningen för bildning av den permanent sammanhängande kroppen och för fixering av elektroderna.

8. Sätt enligt något av patentkraven 1-7, k ä n n e t e c k n a t av att som polymermaterial användes en polyolefin.

9. Sätt enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k n a t av att som poly- mermaterial användes polyeten. 11 468 026

10. Sätt enligt något av patentkraven 1-9, k ä n n e t e c k n a t av att polymermaterialet utgör 30-80 procent och det elektriskt ledande pul- verformiga materialet 20-70 procent av den sammanlagda volymen av dessa material i blandningen.

11. Sätt enligt något av patentkraven 1-10, k ä n n e t e c k n a t av att polymermaterialet utgör 65-80 procent och det elektriskt ledande pul- verformiga materialet 20-35 procent av den sammanlagda volymen av dessa material i blandningen.

12. Sätt enligt något av patentkraven 1-11, k ä n n e t e c k n a t av att som elektriskt ledande pulverformigt material användes i kol i form av sot, kimrök och/eller carbon black.

13. Sätt enligt något av patentkraven 1-11, k ä n n e t e c k n a t av att som elektriskt ledande pulverformigt material i blandningen användes ett metalliskt material.

14. Sätt enligt något av patentkraven 1-11, k ä n n e t e c k n a t av att som elektriskt ledande pulverformigt material i blandningen användes en blandning av kol i form av sot, kimrök och/eller carbon black och ett metalliskt material.

15. Sätt enligt något av patentkraven 13 och 14, k ä n n e t e c k - n a t av att det metalliska materialet utgöres av nickel.

16. Sätt enligt patentkrav lü, k ä n n e t e c k n a t av att kolet utgör 5-75 procent och det metalliska materialet 25-95 procent av den sammanlagda volymen av dessa material i blandningen av dem.