WO2011003635A1 - Nanokomposit mit halbleitenden nanopatikeln - Google Patents

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WO2011003635A1
WO2011003635A1 PCT/EP2010/054325 EP2010054325W WO2011003635A1 WO 2011003635 A1 WO2011003635 A1 WO 2011003635A1 EP 2010054325 W EP2010054325 W EP 2010054325W WO 2011003635 A1 WO2011003635 A1 WO 2011003635A1
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WO
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nanoparticles
nanocomposite
bnnt
insulating material
distributed
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PCT/EP2010/054325
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Thomas Hammer
Frank Heinrichsdorff
Ursus KRÜGER
Volkmar LÜTHEN
Daniel Reznik
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/48—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances fibrous materials
    • H01B3/52—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances fibrous materials wood; paper; press board
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L1/00—Compositions of cellulose, modified cellulose or cellulose derivatives
    • C08L1/02—Cellulose; Modified cellulose
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof

Definitions

  • the invention relates to a nanocomposite with semiconducting nanoparticles which are distributed in an electrically insulating insulating material.
  • Such a nanocomposite is described, for example, by N.P. Bansal et al. , "Boron Nitride Nanotubes-Reinforced Glass Composites", NASA / TM-2005-213874, pages 1 to 7, August 2005. Accordingly, it is possible to incorporate boron nitride nanotubes in glass as an electrically insulating insulating material mechanical fiber reinforcement of the glass.
  • nanocomposites can also be used as a field grading material when it comes to reducing peaks in the formation of electric fields, for example on the insulation of electrical conductors.
  • a material consisting of a polymer can be used for this purpose.
  • a filler is distributed whose particles are nanoparticles, so have a mean diameter of at most 100 nm.
  • semiconducting materials whose band section lies in a range of 0 eV and 5 eV can be used for such nanoparticles, inter alia.
  • the electrical resistance of the nanocomposite can be adjusted. If the mixing of the nanoparticles exceeds a certain proportion of the volume, which is between 10 and 20% by volume, depending on the size of the nanoparticles, the specific resistance of the nanocomposite is noticeably reduced, and in this way adjust the electrical conductivity of the nanocomposite and adapt it to the required conditions.
  • I can set a resistivity in the order of 10 12 ⁇ cm. This comparatively high electrical resistance leads to a load of an electrical component, which is coated with the nanocomposite, that when a DC voltage applied a certain leakage current must be accepted.
  • the field weakening effect of the nanocomposite here depends on the permittivity of the nanocomposite, the permittivity ⁇ being a measure of the permeability of a material for electric fields.
  • CNTs carbon nanotubes
  • BNNT boron nitride nanotubes
  • the percolation threshold can also be increased by measures of alignment of the CNT in the matrix of the polymer and can be less than 1% by weight with a content of CNT in the matrix.
  • C. Tang et al. "Fluorination and
  • BNNTs semiconducting properties can be influenced by doping with different dopants of their electrical conductivity similar to massive semiconductors
  • the object of the invention is to improve a nanocomposite of the type specified at the outset such that it is comparatively well suited for use as a field-grading material.
  • This object is achieved with the nanocomposite specified at the outset according to the invention in that to increase the effective conductivity of at least part of the nanoparticles (eg BNNT) distributed in the insulating material, a doping of these nanoparticles with dopants or a coating with doped semiconductors on these semiconducting nanoparticles - Keln is provided.
  • This measure advantageously serves to influence the specific resistance of the nanocomposite according to the invention by selecting suitable dopants. It is desirable, for example, to set a specific resistance in the order of 10 12 ⁇ cm, and this should be achieved with a degree of filling of nanoparticles of less than 5% by volume, preferably less than 2% by volume.
  • the doping of the nanoparticles or the coating can be carried out as described by C. Tang et al. described described. Doping can be accomplished by modifying the nanoparticles by adding suitable dopants such that the dopant atoms form electronic states that form the nanoparticle into a p-conductor (ie, forming electronic states that trap electrons from the valence band edge ) or to an n-conductor (ie, reaching electronic states that emit electrons by thermal excitation across the conduction band edge).
  • a dopant for a p-type doping is for example Be in question, as a dopant for n-doping Si comes into question.
  • Such doping of the nanoparticles can take place in situ, during which process the dopant atoms are incorporated during the production of the nanoparticles (eg growth of BNNT from the gas or liquid phase). It is also possible, the doping in another
  • Step after the preparation of the nanoparticles wherein the dopants are typically taken under the influence of a heat treatment of the nanoparticles.
  • the specific resistance derstand on typical for doped semiconductor values between 0.1 and 1000 ⁇ cm be lowered.
  • nanoparticles eg BNNT
  • a thin layer of highly doped semiconductor after their production. This results in a higher electrical conductivity in the resulting layer on the nanoparticle than in the nanoparticle itself. This higher conductivity influences the electrical behavior of the nanocomposite when the prepared nanoparticles are introduced into the insulating matrix of the insulating material.
  • the specific resistance of the nanocomposite is again higher because the electrical insulating material has a much higher specific resistance than the introduced doped nanoparticles.
  • One possibility is to change the degree of filling of nanoparticles in the nanocomposite.
  • the specific resistance decreases with increasing concentration of nanoparticles in the matrix of the electrically insulating insulating material.
  • the second possibility lies in the treatment according to the invention of the nanoparticles, wherein the doping and / or the coating reduces the specific resistance of the nanoparticles, so that this leads to a greater reduction in the specific resistance of the nanocomposite at the same concentration in the nanocomposite.
  • the required maximum fill levels of nanoparticles in the nanocomposite can be maintained in an advantageous manner. so that it meets the mechanical requirements of the application.
  • the doping of the nanoparticles can be used purposefully to ensure that the specific resistance of the nanocomposite does not abruptly change over a certain concentration range with an increasing concentration of nanoparticles in the matrix of the insulating material.
  • a more precise adjustment of the specific resistance of the nanocomposite is advantageously possible since it is avoided that production-related, comparatively small fluctuations in the concentration of the nanoparticles in the matrix of the insulating material lead to large deviations from the desired specific resistance of the nanocomposite.
  • the nanoparticles may at least partially consist of Si, SiC, ZnO, BN GaN, AlN or C.
  • C may be in the form of diamond or semiconducting carbon nanotubes.
  • nanoparticles are understood as meaning particles whose extent is ⁇ 100 nm at least in one spatial dimension.
  • carbon nanotubes also called CNT for short
  • BNNT for example, the diameter is ⁇ 100 nm, while their length may well be in the range of several ⁇ m.
  • a percolation threshold with the smallest possible degree of filling merely requires a high aspect ratio, ie that an expansion, at least in a spatial dimension of less than 100 nm, is sufficient to cause percolation even with small degrees of filling.
  • Platelet-shaped nanoparticles are therefore also preferable to spherical ones.
  • rod-shaped nanoparticles as they may be formed for example by CNT, BNNT, TiO 2 or Si.
  • so-called p- Dopants can perform a p-type doping, corresponding to n-type dopants n-type doping.
  • the following substances are to be mentioned:
  • SiC nanoparticles B and Al as p-dopants; N as n-dopant.
  • ZnO nanoparticles Al, In, Zn as n-dopants.
  • BN nanoparticles Be as p-dopant; Si as n-dopant.
  • Mg as p-dopant
  • Si as n
  • B as a p-type dopant. It is particularly advantageous if boron nitride nanotubes (referred to below for short as BNNT) are used as nanoparticles. Furthermore, it can be advantageously provided that the insulating material which forms the matrix of the nanocomposite consists of a cellulose material or a polymer. The use of these semiconducting nanoparticles initially has the advantage that significantly lower fill levels of at most 5% by volume, preferably even at most 2% by volume, in the insulating material are sufficient to cause percolation of the nanoparticles and thus increase the electrical conductivity of the nanocomposite , This is possible, although the band gap of BNNT according to C.
  • Tang is about 5.5 eV and according to US 2007/0199729 Al and WO 2004/038735 Al it is required that the nanoparticles of semiconductors used in field-grading nanocomposites have a Band gap between see 0 eV and 5 eV should have.
  • the nanocomposite when used in electrical machines, the nanocomposite may be exposed to a centrifugal force.
  • the nanocomposite according to the invention advantageously results in that the components produced from the nanocomposite, such as eg. As insulation, over a longer period of operation can do their job reliable.
  • the following advantages can also be obtained by using the obtained nanocomposite as a field-grading material.
  • BNNT are insulated by the band gap of 5.5 eV even at high temperatures, so that a temperature-induced breakdown can be avoided.
  • BNNTs have a high thermal conductivity of more than 300 W / mK. Like C.W. Chang et al. In addition, it can be expected that with thin BNNTs with a diameter of less than 20 nanometers, the thermal
  • Conductivity can be over 1000 W / mK.
  • the nanocomposite in addition to its property as field-grading material at the same time a reliable heat dissipation of ensure electrical power components such as transformers.
  • BNNTs have a permittivity number of S BNNT that is about 4.
  • the permittivity is very similar to common insulator materials such as polymers or cellulosic material.
  • the introduction of BNNT into these insulator materials for producing the nanocomposite according to the invention thus does not change or only slightly changes the permittivity of the nanocomposite in comparison to the solid insulator material, as a result of which a fluctuation of the field strength in the interior of the nanocomposite can be kept small. This occurs, as already mentioned, in an overuse of the module to be isolated with an alternating voltage and can lead to unwanted partial discharges, which ultimately destroy the insulation.
  • BNNT Due to their dimensions in the nanometer range, BNNT have a high aspect ratio, which is comparable to that of CNT.
  • the by F. Du et al. Percolation thresholds of 1% by weight and less for CNT are therefore also valid for BNNT. Therefore, the effect can be achieved as field-grading material with the already mentioned low concentrations of BNNT in the matrix of the insulating material, wherein the concentration values indicated in connection with this invention are given in% by volume.
  • the concentration values indicated in connection with this invention are given in% by volume. Due to the structure of the nanocomposite made of an insulating material such as cellulose material or a polymer and BNNT in the present case, however, the data in% by weight and% by volume do not differ greatly from one another.
  • Suitable materials for the electrically insulating insulating material as a polymer for example, thermoplastics into consideration, such as. As polyethylene, polystyrene or PVC. As polymers also elastomers, silicones and resins (natural resins and resins Synthetic resins). If a cellulose material is selected as insulating material, it is particularly advantageous if it is used as paper. This paper may be impregnated with the BNNT (or other nanoparticles). In the broadest sense, impregnation is a connection between the fibers of the cellulosic material and the BNNT (or other nanoparticles).
  • the BNNT (or other nanoparticles) may be attached to the fibers of the cellulosic material, which may occur during papermaking.
  • impregnation may also be such that the BNNT (or other nanoparticles) are added during papermaking and become trapped in the interstices formed by the fibers of the cellulosic material after the paper is dried.
  • the insulating material is a cellulosic paper or wood product.
  • the cellulosic material is the raw material for the paper.
  • the cellulosic material can also be used as a wood product.
  • a wood product is understood to mean a further processing of the raw material wood from wood components glued together.
  • this may be pressboard, which is designed in particular as a chipboard.
  • laminates can be produced by gluing thin layers of wood together (plywood).
  • the adhesive for The BNNT or other nanoparticles are added to the pressboard or the wood layer.
  • a particularly advantageous use of the nanocomposite is that it is used as insulation material for a transformer.
  • the live parts such as the coils
  • the live parts must be electrically isolated from each other.
  • oil fillings are used, into which walls of paper impregnated with the oil or pressboard are additionally introduced.
  • the resulting insulation must ensure electrical insulation both when operating the transformer by applying an alternating voltage and, for example, when operating with a DC voltage. If the composite according to the invention is used as the insulating material, sufficient electrical insulation properties can be ensured both when the transformer is subjected to an alternating voltage and to a direct voltage.
  • Transformers can be designed using the nanocomposite in a similar manner as is possible with the untreated papers.
  • the insulating properties of the combination of oil and paper can be improved in the case of the application of a DC voltage.
  • the specific resistances of importance are those with oil (po) with 10 12 ⁇ cm and with untreated paper (p p ) the thousand times.
  • FIGS 1 and 2 schematically examples of functionalized
  • BNNT as they can be used in one embodiment of the nanocomposite according to the invention, as a three-dimensional view,
  • FIG. 3 schematically shows an embodiment of the nanocomposite according to the invention, consisting of cellulose fibers and BNNT, in three-dimensional view and
  • Figure 4 schematically shows an embodiment of the inventive use of the nanocomposite as transformer insulation in section.
  • a BNNT 11 is shown schematically as a tube.
  • This BNNT has also been treated with a dopant 12, wherein indicated in Figure 1 that the dopant 12 is built into the grid 13 formed by the boron nitride BNNT.
  • FIG. 2 An alternative embodiment of the BNNT 11 is shown in FIG.
  • the BNNT 11 according to FIG. 2 is provided with a sheath 14, which itself consists of a semiconductor provided with a dopant 12.
  • the BNNT 11 according to FIGS. 1 and 2 can be processed into a nanocomposite 15 as shown in FIG.
  • This consists of cellulose fibers 16a, 16b which were produced as paper.
  • the paper is impregnated with the BNNT IIa and / or IIb.
  • An impregnation with the BNNT IIa proceeds in such a way that the BNNT IIa is attached to the cellulose fiber 16a.
  • the percolation threshold is achieved by having enough BNNT on the surface of the cellulose fiber 16a to form a two-dimensional mesh on the surface of the cellulose fiber 16a.
  • BNNT IIb may also be included in the interstices 17 between different cellulosic fibers 16a, 16b.
  • a three-dimensional network of BNNT IIb is formed, whereby the concentration of the BNNT IIb must be sufficiently high in order to reach the percolation threshold, ie the formation of a closed network.
  • FIG. 4 The two mechanisms of impregnating the paper with BNNT IIa, IIb are shown together in FIG. These mechanisms can be used individually or jointly.
  • the BNNT IIa and IIb may be identical in construction or have differences.
  • An electrical insulation 18 according to Figure 4 consists of several layers of paper 19, between which oil layers 20 are located. The papers 19 are soaked with oil, which is not shown in detail in Figure 4. For this, the impregnation with BNNT 11 can be seen in FIG. 4 within the papers.
  • the insulation shown according to FIG. 4 surrounds, for example, the windings used there in a transformer, which must be electrically insulated from the outside and from each other.
  • the electrical insulation of a transformer must prevent electrical breakdowns in the event of an AC voltage being applied.
  • the isolation behavior of the insulation depends on the permittivity of the components of the insulation.
  • the permittivity ⁇ 0 is approximately 2, for the paper ⁇ p at 4.
  • the voltage U 0 applied to the oil is approximately twice as high , like the voltage applied to the paper U p .
  • the BNNTs do not influence the stress distribution in the insulation according to the invention since the permittivity number S BNNT is also approximately 4 and therefore the permittivity ⁇ cop of the impregnated paper is also at about 4.
  • the voltage U 0 acting on the oil is approximately twice as great as the voltage U CO mp applied to the nanocomposite (paper).
  • the distribution of the applied voltage to the individual insulation components is then However, no longer dependent on the permittivity, but on the specific resistance of the individual components.
  • the specific resistance p 0 of oil is 10 12 ⁇ cm.
  • P p of paper is three orders of magnitude higher and is 10 15 ⁇ cm. This has the effect that, when a DC voltage is applied, the voltage across the oil U 0 is one thousand times the voltage on the paper U p . This imbalance involves the risk that breakdown of the insulation occurs when the insulation is subjected to DC voltage and the electrical insulation fails.
  • the inventively introduced into the paper 19 BNNT 11 are z. B. by a suitable doping with their resistivity (between 0.1 and 1000 ⁇ cm) adjusted so that the specific resistance of the paper p p is reduced.
  • the voltage U 0 applied to the oil is in the range of the voltage U co mp applied to the composite, so that a balanced voltage profile is established in the insulation. This advantageously improves the dielectric strength of the insulation, since the load on the oil is appreciably reduced.

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Nanokomposit (15) mit halbleitenden Nanopartikeln (11a, 11b), die insbesondere aus Bornitrid-Nanoröhrchen (BNNT) bestehen, und in einem elektrisch isolierenden Isolierstoff wie Zellulosefasern (16a, 16b) verteilt sind. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Verwendung dieses Nanokomposits als Isolationsmaterial für einen Transformator. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Nanopartikel (11a, 11b), insbesondere die BNNT mit Dotierstoffen dotiert werden oder mit einer Beschichtung aus Metallen oder dotierten Halbleitern versehen werden. Hierdurch lässt sich der spezifische Widerstand des Nanokomposits in geeigneter Weise verändern, so dass er z. B. im Bereich von Öl liegt, und ein Verbund aus Öl und dem Nanokomposit als elektrische Isolation eine verbesserte Durchschlagfestigkeit für den Fall einer Beaufschlagung mit einer Gleichspannung aufweist. Gleichzeitig bleibt vorteilhaft das Isolationsvermögen bei einer Beaufschlagung mit einer Wechselspannung unverändert gut.

Description

Beschreibung / Description
Nanokomposit mit halbleitenden Nanopatikeln Die Erfindung betrifft einen Nanokomposit mit halbleitende Nanopartikeln, die in einem elektrisch isolierenden Isolierstoff verteilt sind.
Ein derartiger Nanokomposit ist beispielsweise durch N. P. Bansal et al . , „Boron Nitride Nanotubes-Reinforced Glass Com- posites", NASA/TM-2005-213874, Seiten 1 bis 7, August 2005 beschrieben worden. Demgemäß ist es möglich, Bornitrid- Nanoröhrchen in Glas als elektrisch isolierenden Isolierstoff einzubringen. Hierdurch kann eine mechanische Faserverstär- kung des Glases erfolgen.
Weiterhin ist es bekannt, dass Nanokomposite auch als feldgradierendes Material verwendet werden können, wenn es darum geht, Spitzen bei der Ausbildung von elektrischen Feldern, beispielsweise an der Isolation elektrischer Leiter, zu verringern. Gemäß der WO 2004/038735 Al kann hierzu beispielsweise ein Material, bestehend aus einem Polymer, verwendet werden. In diesem wird ein Füllstoff verteilt, dessen Partikel Nanopartikel sind, also einen mittleren Durchmesser von höchtens 100 nm aufweisen. Gemäß der US 2007/0199729 Al sind für derartige Nanopartikel u. a. halbleitende Materialien einsetzbar, deren Bandabschnitt in einem Bereich von 0 eV und 5 eV liegt. Mittels der eingesetzten Nanopartikel, die beispielsweise aus ZnO bestehen können, lässt sich der elektri- sehe Widerstand des Nanokomposits einstellen. Wird bei der Zumischung der Nanopartikel ein bestimmter Anteil des Volumens überschritten, der je nach Größe der Nanopartikel bei 10 bis 20 Vol-% liegt, so verringert sich der spezifische Widerstand des Nanokomposits spürbar, wobei sich auf diese Weise die elektrische Leitfähigkeit des Nanokomposits einstellen und an die geforderten Bedingungen anpassen lässt. Insbesondere lässt ich ein spezifischer Widerstand in einer Größenordnung von 1012 Ωcm einstellen. Dieser vergleichsweise hohe elektrische Widerstand führt bei einer Beanspruchung eines elektrischen Bauteils, welches mit dem Nanokomposit beschichtet ist, dazu, dass bei Anliegen einer Gleichspannung ein gewisser Verluststrom hingenommen werden muss. Erreicht wird allerdings ein Spannungsabfall über den Nanokomposit, welcher eine gleichmäßigere Verteilung des Potentials zur Folge hat und damit auch das entstehende elektrische Feld in geeigneter Weise gradiert. Hierdurch können die entstehenden Feldspitzen verringert werden, wodurch vorteilhaft die Durchschlagfestigkeit gesteigert wird.
Bei einer Beanspruchung des elektrischen Leiters mit einer Wechselspannung entsteht ebenfalls ein feldgradierender Effekt, der allerdings einem anderen Mechanismus folgt. Die feldschwächende Wirkung des Nanokomposits hängt hierbei von der Permittivität des Nanokomposits ab, wobei die Permittivi- tät ε ein Maß für die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder ist. Die Permittivität wird auch als Dielektrizitätskonstante bzeichnet, wobei im Folgenden der Begriff „Permittivität" verwendet werden soll. Als relative Per- mittivität bezeichnet man das durch die Permittivitätszahl εr = ε/εo bezeichnete Verhältnis der Permittivität ε eines Stoffes zur elektrischen Feldkonstante εo, welche die Permittivität des Vakuums angibt. Je höher die relative Permittivität ist, desto größer ist auch der feischwächende Effekt des ein- gesetzten Stoffes im Verhältnis zum Vakuum. Im Folgenden werden nur die Permittivitätszahlen der zum Einsatz kommenden Stoffe behandelt. Allgemein bekannt sind weiterhin als Nanopartikel zu bezeichnende Kohlenstoff-Nanoröhrchen (im Folgenden als CNT bezeichnet) und Bornitrid-Nanoröhrchen (im Folgenden als BNNT bezeichnet) . Diese Strukturen können zwar in einer Länge von mehreren Mikrometern vorliegen, weisen jedoch Durchmesser von unter 100 nm auf und sind deswegen als Nanopartikel zu verstehen. Wie z. B. C.W Chang et al . , „Isotope Effect on the Thermal Conductivity of Boron Nitride Nanotubes", Physical Review Letters 97, (2006) zu entnehmen ist, sind die Eigen- Schäften von Nanoröhrchen stark abhängig von deren Durchmesser. Beispielsweise steigt die thermische Leitfähigkeit von CNT und BNNT mit sinkendem Durchmesser derselben. Aus F. Du et al . , „Effect of nanotube alignment on percolation conductivity in carbon nanotube/polymer composites", Physical Re- view B 72, (2005) ist bekannt, dass CNT in Polymerkompositen wesentlich geringere Perkulationsschwellen zur Erzeugung einer elektrischen Leitfähigkeit im Komposit aufweisen, als beispielsweise sphärische Nanopartikel. Die Perkulati- onsschwelle kann durch Maßnahmen einer Ausrichtung der CNT in der Matrix des Polymers auch noch gesteigert werden und kann bei einem Gehalt an CNT in der Matrix von unter 1 Gew-% liegen. Außerdem ist in C. Tang et al . , „Fluorination and
Electrical Conductivity of BN Nanotubes", Journal of American Chemical Society 127, (2005), Seiten 6552 bis 6553 (inklusive Supporting Information) bekannt, dass BNNT hinsichtlich ihrer halbleitenden Eigenschaften ähnlich wie massive Halbleiter durch Dotierung mit verschiedenen Dotierstoffen ihrer elektrischen Leitfähigkeit beeinflusst werden können. Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Nanokomposit der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, dass sich dieses vergleichsweise gut zum Einsatz als feldgradierendes Material eignet. Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Nanokomposit erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Erhöhung der effektiven Leitfähigkeit zumindest eines Teils der in dem Isolierstoff verteilten Nanopartikel (z. B. BNNT) eine Dotierung dieser Nanopartikel mit Dotierstoffen oder eine Beschichtung mit dotierten Halbleitern auf diesen halbleitenden Nanoparti- keln vorgesehen ist. Diese Maßnahme dient vorteilhaft dazu, dass der spezifische Widerstand des erfindungsgemäßen Nano- komposits durch Auswahl geeigneter Dotierstoffe beeinflusst werden kann. Wünschenswert ist beispielsweise die Einstellung eines spezifischen Widerstandes in der Größenordnung von 1012 Ωcm, wobei dieser mit einem Befüllungsgrad an Nanopartikeln von weniger als 5 Vol-% bevorzugt weniger als 2 Vol-% erreicht werden soll. Die Dotierung der Nanopartikel bzw. die Beschichtung kann wie durch C. Tang et al . beschrieben erfolgen. Eine Dotierung kann erreicht werden, indem die Nanopartikel durch Beigabe von geeigneten Dotierstoffen dahingehend modifiziert werden, dass die Dotierstoff-Atome elektronische Zustände ausbilden, die den Nanopartikel zu einem p-Leiter (d.h., dass elektronische Zustände ausgebildet werden, die Elektronen von der Valenzbandkante einfangen) oder zu einem n-Leiter (d. h., dass elektronische Zustände erreicht werden, die Elektronen durch thermische Anregung über die Leitungsbandkante emittieren) ausbilden. Als Dotierstoff für eine p- Dotierung kommt beispielsweise Be in Frage, als Dotierstoff für eine n-Dotierung kommt Si in Frage. Eine solche Dotierung der Nanopartikel kann in situ erfolgen, wobei während der Herstellung der Nanopartikel (z. B. Wachstum von BNNT aus der Gas- oder Flüssigphase) die Dotierstoff-Atome eingebaut wer- den. Auch ist es möglich, die Dotierung in einem weiteren
Schritt nach der Herstellung der Nanopartikel durchzuführen, wobei die Dotierstoffe typischerweise unter dem Einfluss einer Wärmebehandlung von den Nanopartikeln aufgenommen werden. Durch Einbringung der Dotierstoffe kann der spezifische Wi- derstand auf für dotierter Halbleiter typische Werte zwischen 0,1 und 1000 Ωcm abgesenkt werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Nanopartikel (z. B. BNNT) nach ihrer Herstellung mit einer dünnen Schicht eines hochdotierten Halbleiters zu versehen. Hierdurch liegt in dieser entstandenen Schicht auf dem Nanopartikel eine höhere elektrische Leitfähigkeit vor, als in dem Nanopartikel selbst. Diese höhere Leitfähigkeit beeinflusst das elektri- sehe Verhalten des Nanokomposits, wenn die präparierten Nanopartikel in die isolierende Matrix des Isolierstoffs eingebracht werden. Allerdings liegt der spezifische Widerstand des Nanokomposits durch den geringen Füllgrad an Nanoparti- keln wieder höher, da der elektrische Isolierstoff einen sehr viel höheren spezifischen Widerstand aufweist als die eingebrachten dotierten Nanopartikel.
Durch die Dotierung der Nanopartikel mit geeigneten Dotierstoffen bzw. deren Beschichtung hochdotierten Halbleitern, wobei auch gleichzeitig eine Dotierung und Beschichtung vorgenommen werden kann, entstehen vorteilhaft sozusagen zwei Freiheitsgrade zur Beeinflussung der Leitfähigkeit des erfindungsgemäßen Nanokomposits. Die eine Möglichkeit besteht darin, den Füllgrad an Nanopartikeln in dem Nanokomposit zu ver- ändern. Dabei sinkt der spezifische Widerstand mit steigender Konzentration an Nanopartikeln in der Matrix des elektrisch isolierenden Isolierstoffes. Die zweite Möglichkeit liegt in der erfindungsgemäßen Behandlung der Nanopartikel, wobei die Dotierung und/oder die Beschichtung den spezifischen Wider- stand der Nanopartikel vermindert, so dass diese bei gleicher Konzentration im Nanokomposit zu einer stärkeren Verringerung des spezifischen Widerstandes des Nanokomposits führt. Hierdurch können vorteilhaft beispielsweise geforderte maximale Füllgrade an Nanopartikeln im Nanokomposit eingehalten wer- den, damit dieses den mechanischen Anforderungen des Anwendungsfalls genügt. Außerdem kann die Dotierung der Nanoparti- kel gezielt dazu genutzt werden, dass sich der spezifische Widerstand des Nanokomposits bei einer steigenden Konzentra- tion an Nanopartikeln in der Matrix des Isolierstoffes nicht sprunghaft, sondern über einen gewissen Konzentrationsbereich kontinuierlich verändert. Hierdurch ist vorteilhaft eine genauere Einstellung des spezifischen Widerstandes des Nanokomposits möglich, da vermieden wird, dass fertigungsbedingte, vergleichsweise geringe Schwankungen bei der Konzentration der Nanopartikel in der Matrix des Isolierstoffes zu großen Abweichungen von dem gewünschten spezifischen Widerstand des Nanokomposits führen. Vorteilhaft können die Nanopartikel zumindest teilweise aus Si, SiC, ZnO, BN GaN, AlN oder C bestehen. C kann beispielsweise in der Form von Diamant oder halbleitenden Carbon Nano- tubes vorliegen. Als Nanopartikel sollen im Sinne der Erfindung damit Partikel verstanden werden, deren Ausdehnung zu- mindest in einer Raumdimension < 100 nm ist. Bei Carbon Nano- tubes (auch kurz als CNT bezeichnet) und BNNT liegt beispielsweise der Durchmesser bei < 100 nm, während ihre Länge durchaus auch im Bereich von mehreren μm liegen kann. Allerdings ist dafür das Erreichen einer Perkolationsschwelle bei möglichst kleinem Befüllungsgrad lediglich ein hohes Aspektverhältnis notwendig, d. h. dass eine Ausdehnung zumindest in einer Raumdimension von weniger als 100 nm ausreicht, um auch bei kleinen Befüllungsgraden bereits eine Perkolation zu hervorzurufen. Auch plättchenförmige Nanopartikel sind daher sphärischen vorzuziehen. Besonders vorteilhaft sind stäbchenförmige Nanopartikel, wie sie beispielsweise durch CNT, BNNT, TiO2 oder Si gebildet sein können. Je nach verwendeten Nano- partikel-Materialien können ebenfalls Substanzen ausgewählt werden, die sich zur Dotierung eignen. Mit sogenannten p- Dotanten lässt sich eine p-Dotierung durchführen, entsprechend mit n-Dotanten eine n-Dotierung. Beispielhaft sollen folgende Substanzen genannt werden: Für Si-Nanoteilchen : B und Al als p-Dotanten; P, As, Sb als n-Dotanten .
Für SiC Nanoteilchen : B und Al als p-Dotanten; N als n- Dotant .
Für ZnO Nanoteilchen: Al, In, Zn als n-Dotanten.
Für BN Nanoteilchen: Be als p-Dotant; Si als n-Dotant.
Für GaN oder AlN Nanoteilchen: Mg als p-Dotant; Si als n-
Dotant .
Für Diamant-Nanoteilchen : B als p-Dotant. Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Nanopartikel Bor- nitrid-Nanoröhrchen (im Folgenden kurz BNNT genannt) verwendet werden. Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass der Isolierstoff, der die Matrix des Nanokomposits bildet, aus einem Zellulosematerial oder einem Polymer besteht. Die Verwendung dieser halbleitenden Nanopartikel hat zunächst den Vorteil, dass wesentlich geringere Füllgrade von höchstens 5 Vol-% bevorzugt sogar höchstens 2 Vol-% in dem Isolierstoff ausreichen, um eine Perkolation der Nanoteilchen zu bewirken und damit die elektrische Leitfähigkeit des Nanokom- posits zu erhöhen. Dies ist möglich, obwohl der Bandabstand von BNNT gemäß C. Tang bei ungefähr 5,5 eV liegt und gemäß der US 2007/0199729 Al und der WO 2004/038735 Al gefordert wird, dass die in feldgradierenden Nanokompositen zum Einsatz kommenden Nanopartikel der Halbleiter einen Bandabstand zwi- sehen 0 eV und 5 eV haben sollen.
Die zur Erhöhung der Leitfähigkeit notwendigen, vergleichsweise geringen Füllgrade mit BNNT (oder anderen Nanopartikel) haben den großen Vorteil, dass der Nanokomposit seine mecha- nischen Eigenschaften weitgehend beibehält, da die BNNT (oder anderen Nanopartikel) den Matrixwerkstoff wegen ihres geringen Gehaltes nur wenig stören. Im Vergleich zu der Verwendung von sphärischen Nanopartikeln wie ZnO oder SiC mit einem hö- heren Gehalt, wie sie gemäß der WO 2004/038735 Al und US 2007/0199729 Al vorgeschlagen werden, lässt sich daher ein wesentlich stabilerer Nanokomposit erzeugen. Dies ist beispielsweise dann von besonderem Vorteil, wenn der Nanokomposit im betreffenden Anwendungsfall einer mechanischen Bean- spruchung unterworfen ist. Dies können beispielsweise die
Schwingungen einer Maschine oder eines Transformators sein. Auch kann bei einer Verwendung in elektrischen Maschinen der Nanokomposit einer Zentrifugalkraft ausgesetzt sein. In diesen Anwendungen führt der erfindungsgemäße Nanokomposit vor- teilhaft dazu, dass die aus dem Nanokomposit erzeugten Bauteile, wie z. B. Isolierungen, über eine längere Betriebsdauer hinweg ihre Aufgabe zuverlässig erfüllen können.
Durch die Verwendung von BNNT lassen sich bei der Verwendung des erhaltenen Nanokomposits als feldgradierendes Material überdies folgende Vorteile erzielen.
BNNT sind durch den Bandabstand von 5,5 eV auch bei hohen Temperaturen isolierend, so dass ein temperaturbedingtes Durchschlagen vermieden werden kann.
Weiterhin weisen BNNT eine hohe thermische Leitfähigkeit von mehr als 300 W/mK auf. Wie C.W. Chang et al . zu entnehmen ist, ist überdies zu erwarten, dass bei dünnen BNNT mit einem Durchmesser von weniger als 20 Nanometern die thermische
Leitfähigkeit bei über 1000 W/mK liegen kann. Damit kann der Nanokomposit neben seiner Eigenschaft als feldgradierendes Material gleichzeitig eine zuverlässige Wärmeabfuhr von elektrischen Leistungsbauteilen wie beispielsweise Transformatoren gewährleisten.
BNNT weisen eine Permittivitätszahl von SBNNT, die ungefähr bei 4 liegt. Damit ist die Permittivität gängigen Isolatormaterialien wie Polymeren oder Zellulosematerial sehr ähnlich. Das Einbringen von BNNT in diese Isolatormaterialien zur Erzeugung des erfindungsgemäßen Nanokomposits ändert damit die Permittivität des Nanokomposits im Vergleich zum massiven Isolatormaterial nicht oder nur wenig, wodurch eine Fluktuation der Feldstärke im Inneren des Nanokomposits klein gehalten werden kann. Diese tritt, wie bereits erwähnt, bei einer Überbeanspruchung der zu isolierenden Baugruppe mit einer Wechselspannung auf und kann zu unerwünschten Teilentladungen führen, die letztendlich die Isolation zerstören.
BNNT haben aufgrund ihrer Abmessungen im Nanometer-Bereich ein hohes Aspektverhältnis, welches mit denen von CNT vergleichbar ist. Die von F. Du et al . für CNT angegebenen Per- kolationsschwellen bei Werten von 1 Gew-% und weniger gelten daher auch für BNNT. Daher ist die Wirkung als feldgradierendes Material mit den bereits genannten geringen Konzentrationen an BNNT in der Matrix des Isolierstoffes erreichbar, wobei die im Zusammenhang mit dieser Erfindung angegebenen Kon- zentrationswerte in Vol-% angegeben werden. Durch den Aufbau des Nanokomposits aus einem Isolierstoff wie Zellulosematerial oder einem Polymer und BNNT weichen im vorliegenden Fall die Angaben in Gew-% und Vol-% jedoch nicht stark voneinander ab .
Als Materialien für den elektrisch isolierenden Isolierstoff kommen als Polymer beispielsweise Thermoplaste in Betracht, wie z. B. Polyethylen, Polystyrol oder PVC. Als Polymere können auch Elastomere, Silikone und Harze (Naturharze und Kunstharze) ausgewählt werden. Wird als Isolierstoff ein Zellulosematerial ausgewählt, so ist es besonders vorteilhaft, wenn dieses als Papier verwendet wird. Dieses Papier kann mit den BNNT (oder anderen Nanopartikeln) imprägniert sein. Als Imprägnierung ist im weitesten Sinne eine Verbindung zwischen den Fasern des Zellulosematerials und den BNNT (oder anderen Nanopartikeln) zu verstehen. Beispielsweise können die BNNT (oder anderen Nanopartikel) an die Fasern des Zellulosematerials angelagert werden, was während der Papierherstellung erfolgen kann. Eine Imprägnierung kann aber auch derart erfolgen, dass die BNNT (oder anderen Nanopartikel) bei der Papierherstellung zugegeben werden und nach dem Trockenprozess des Papiers in den durch die Fasern des Zellulosematerials gebildeten Zwischenräumen eingeschlossen werden.
Vorzugsweise ist der Isolierstoff ein Zellulosematerial enthaltendes Papier oder Holzprodukt. Das Zellulosematerial bildet den Rohstoff für das Papier. Als Papier soll im Zusammenhang mit dieser Erfindung im weitesten Sinne jedes Produkt aus dem Zellulosematerial verstanden werden. Insbesondere sind hiermit dünnere Papierbögen oder auch dickere Pappe oder Karton zu verstehen. Es können auch dreidimensionale Strukturen aus Pappmache hergestellt werden, die dann als Papierprodukt zu verstehen sind.
Das Zellulosematerial kann auch als Holzprodukt verwendet werden. Unter einem Holzprodukt im Sinne der Erfindung ist eine Weiterverarbeitung des Rohstoffes Holz von miteinander verklebten Holzkomponenten zu verstehen. Insbesondere kann es sich dabei um Pressspan handeln, wobei dieser insbesondere als Blockspan ausgeführt ist. Außerdem können Laminate hergestellt werden, indem dünne Holzschichten miteinander verklebt werden (Sperrholz) . Erfindungsgemäß können in den Kleber zum Fügen des Pressspans bzw. der Holzlage die BNNT (oder anderen Nanopartikel) eingebracht werden.
Eine besonders vorteilhafte Verwendung des Nanokomposits be- steht darin, dass dieses als Isolationsmaterial für einen Transformator verwendet wird. In Transformatoren müssen die stromführenden Teile, wie beispielsweise die Spulen, voneinander elektrisch isoliert werden. Dabei kommen beispielsweise bei Hochspannungstransformatoren Ölfüllungen zum Einsatz, in die zusätzlich Wände aus mit dem Öl getränktem Papier oder auch Pressspanplatten eingebracht werden. Die so entstehende Isolation muss sowohl beim Betrieb des Transformators durch Beaufschlagen mit einer Wechselspannung als auch beispielsweise bei Störungen des Betriebs mit einer Gleichspannung die elektrische Isolation gewährleisten. Wird als Isolationsmaterial der erfindungsgemäße Komposit eingesetzt, so können sowohl bei Beaufschlagung des Transformators mit einer Wechselspannung als auch mit einer Gleichspannung ausreichende elektrische Isolationseigenschaften sichergestellt werden. Dies liegt daran, dass die BNNT im Isolierstoff wegen ihrer mit dem Isolierstoff, insbesondere Papier, ähnlichen Permit- tivitätszahl SBNNT von 4 die Permittivitätszahl εComP im Vergleich zur Permittivitätszahl εp des unbehandelten Papiers kaum oder nicht verändern. Daher kann die Isolation des
Transformators unter Anwendung des Nanokomposits in ähnlicher Weise ausgelegt werden, wie dies mit den unbehandelten Papieren möglich ist. Gleichzeitig lassen sich aber die Isolationseigenschaften der Kombination aus Öl und Papier im Falle der Beaufschlagung mit einer Gleichspannung verbessern. Hier- bei sind die spezifischen Widerstände von Bedeutung, die bei Öl (po)bei 1012 Ωcm und bei unbehandeltem Papier (pp) das Tausendfache betragen. Durch Einbringen der BNNT (oder anderer Nanopartikel) mit einer spezifischen Leitfähigkeit von PBNNT zwischen 0,1 und 1000 Ωcm (beeinflusst eventuell durch eine geeignete Dotierung der Nanopartikel) lässt sich die spezifische Leitfähigkeit des erfindungsgemäßen Nanokomposits beispielsweise in Form eines imprägnierten Papiers
(Pcomp) ebenfalls bei 1012 Ωcm einstellen. Hierdurch wird die Spannungsbelastung bei einer Beaufschlagung mit einer Gleichspannung gleichmäßig auf das Öl und das Papier verteilt, wodurch Spannungsspitzen und daraus resultierende Durchschläge vermieden werden. Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den ein- zelnen Figuren ergeben. Es zeigen
Figur 1 und 2 schematisch Beispiele für funktionalisierte
BNNT, wie sie in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Nanokomposits Verwendung finden können, als dreidimensionale Ansicht,
Figur 3 schematisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Nanokomposits, bestehend aus Zellulosefasern und BNNT, in dreidimensionaler Ansicht und
Figur 4 schematisch ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Verwendung des Nanokomposits als Transformator-Isolation im Schnitt.
In Figur 1 ist ein BNNT 11 schematisch als Röhre dargestellt.
Dieses BNNT ist außerdem mit einem Dotierstoff 12 behandelt worden, wobei in Figur 1 angedeutet ist, dass der Dotierstoff 12 in das durch das Bornitrid gebildete Gitter 13 des BNNT eingebaut ist.
Eine alternative Ausgestaltung des BNNT 11 ist in Figur 2 dargestellt. Das BNNT 11 gemäß Figur 2 ist mit einer Ummante- lung 14 versehen, welche selbst aus einem mit einem Dotierstoff 12 versehenen Halbleiter besteht.
Die BNNT 11 gemäß Figur 1 und 2 können wie in Figur 3 darge- stellt zu einem Nanokomposit 15 verarbeitet werden. Dieser besteht aus Zellulosefasern 16a, 16b die als Papier hergestellt wurden. Das Papier ist mit den BNNT IIa und/oder IIb imprägniert. Eine Imprägnierung mit den BNNT IIa läuft so ab, dass die BNNT IIa auf der Zellulosefaser 16a angelagert wer- den. Die Perkulationsschwelle wird dadurch erreicht, dass auf der Oberfläche der Zellulosefaser 16a genügend BNNT vorliegen, dass diese ein zweidimensionales Netz auf der Oberfläche der Zellulosefaser 16a bilden. Alternativ können BNNT IIb auch in den Zwischenräumen 17 zwischen verschiedenen Zellulosefasern 16a, 16b eingeschlossen werden. Hierbei entsteht in den Zwischenräumen 16 ein dreidimensionales Netzwerk von BNNT IIb, wobei die Konzentration der BNNT IIb genügend hoch sein muss, um die Perkulati- onsschwelle, also die Ausbildung eines geschlossenen Netzwerkes zu erreichen.
Die beiden Mechanismen einer Imprägnierung des Papiers mit BNNT IIa, IIb ist gemeinsam in Figur 3 dargestellt. Diese Me- chanismen können einzeln oder auch gemeinsam zur Anwendung kommen. Dabei können die BNNT IIa und IIb in ihrem Aufbau identisch sein oder Unterschiede aufweisen. Eine elektrische Isolierung 18 gemäß Figur 4 besteht aus mehreren Lagen aus Papier 19, zwischen denen Ölschichten 20 liegen. Auch die Papiere 19 sind mit Öl getränkt, was in Figur 4 nicht näher dargestellt ist. Dafür ist in Figur 4 innerhalb der Papiere die Imprägnierung mit BNNT 11 zu erkennen. Die gemäß Figur 4 dargestellte Isolierung umgibt beispielsweise in einem Transformator die dort zum Einsatz kommenden Wicklungen, die nach außen und zueinander elektrisch isoliert werden müssen.
Die elektrische Isolation eines Transformators muss im Betriebsfall bei Anliegen einer Wechselspannung elektrische Durchbrüche verhindern. In diesem Fall ist das Isolationsverhalten der Isolierung von der Permittivität der Komponenten der Isolierung abhängig. Für Öl liegt die Permittivitätszahl ε0 ungefähr bei 2, für das Papier εp bei 4. Bei einer Beanspruchung der Isolation mit einer Wechselspannung ergibt sich daher für die Belastung der einzelnen Isolationskomponenten, dass die am Öl anliegende Spannung U0 ungefähr doppelt so hoch ist, wie die am Papier anliegende Spannung Up. Wird der erfindungsgemäße Nanokomposit verwendet, bei dem das Papier 19 in der in Figur 4 dargestellten Weise mit BNNT imprägniert ist, so beeinflussen die BNNT die Spannungsverteilung in der erfindungsgemäßen Isolation nicht, da die Permittivitätszahl SBNNT ebenfalls ungefähr bei 4 liegt und daher die Permittivität εcop des imprägnierten Papiers auch bei ungefähr 4 liegt. Damit ist auch bei der erfindungsgemäßen Isolation die am Öl angreifende Spannung U0 ungefähr doppelt so groß wie die am Nanokomposit (Papier) anliegende Spannung UCOmp•
Treten Störfälle am Transformator auf, so kann auch die
Durchschlagfestigkeit der Isolation bei Anliegen von Gleichspannungen von Bedeutung sein. Die Verteilung der anliegenden Spannung auf die einzelnen Isolationsbestandteile ist dann allerdings nicht mehr von der Permittivität abhängig, sondern vom spezifischen Widerstand der einzelnen Komponenten. Der spezifische Widerstand p0 von Öl liegt bei 1012 Ωcm. Demgegenüber ist Pp von Papier um drei Größenordnungen höher und liegt bei 1015 Ωcm. Dies bewirkt, dass bei Anliegen einer Gleichspannung die Spannung am Öl U0 das Tausendfache der Spannung am Papier Up beträgt. Diese Ungleichgewicht birgt die Gefahr, dass es bei einer Beaufschlagung der Isolation mit einer Gleichspannung zu Durchschlägen im Öl kommt und die elektrische Isolation versagt.
Die erfindungsgemäß in das Papier 19 eingebrachten BNNT 11 werden z. B. durch eine geeignete Dotierung mit ihrem spezifischen Widerstand (zwischen 0,1 und 1000 Ωcm) so einge- stellt, dass der spezifische Widerstand des Papiers pp herabgesetzt wird. Hierdurch lässt sich für den erfindungsgemäßen Komposit eine spezifische Leitfähigkeit pCOmp einstellen, der an den spezifischen Widerstand p0 angenähert ist und im Idealfall diesem ungefähr entspricht. Bei einem spezifischen Wi- derstand pCOmp von ungefähr 1012 Ωcm liegt die am Öl anliegende Spannung U0 im Bereich der am Komposit anliegenden Spannung Ucomp, so dass sich ein ausgeglichenes Spannungsprofil in der Isolation einstellt. Hierdurch wird vorteilhaft die Durchschlagfestigkeit der Isolation verbessert, da sich die Belas- tung des Öls spürbar verringert.

Claims

Patentansprüche / Patent Claims
1. Nanokomposit mit halbleitenden Nanopartikeln, die in einem elektrisch isolierenden Isolierstoff verteilt sind,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass zur Erhöhung der effektiven Leitfähigkeit zumindest eines Teils der in dem Isolierstoff verteilten Nanopartikel eine Dotierung dieser Nanopartikel mit Dotierstoffen vorgesehen ist .
2. Nanokomposit mit halbleitenden oder isolierenden Nanopartikeln, die in einem elektrisch isolierenden Isolierstoff verteilt sind,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass zur Erhöhung der effektiven Leitfähigkeit zumindest eines Teils der in dem Isolierstoff verteilten Nanopartikel eine Beschichtung mit dotierten Halbleitern auf diesen Nanopartikeln vorgesehen ist.
3. Nanokomposit nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Nanopartikel Bornitrid-Nanoröhrchen (BNNT) sind.
4. Nanokoposit nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die dotierten halbleitenden Nanopartikel oder die Beschichtung aus dotierten Halbleitern auf den Nanopartikeln einen spezifischen elektrischen Widerstand p von mindestens 0,1 Ωcm bis höchstens 1000 Ωcm aufweisen.
5. Nanokomposit nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel mit einer Konzentration von höchstens 5 Vol-%, bevorzugt höchstens 2 Vol-% in dem Isolierstoff verteilt sind.
6. Nanokomposit nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der Isolierstoff ein Thermoplast, insbesondere Polyethy- len, Polystyrol oder PVC, ein Elastomer, ein Silicon oder ein Harz ist.
7. Nanokomposit nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Isolierstoff ein Zellulosematerial enthaltendes Papier ist, wobei dieses mit den Nanopartikeln imprägniert ist.
8. Nanokomposit nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Nanopartikel zumindest teilweise aus Si, SiC, ZnO, BN, GaN, AlN oder C bestehen.
9. Verwendung eines Nanokomposits mit halbleitenden Nanopartikeln, wobei
• zur Erhöhung der effektiven Leitfähigkeit zumindest eines Teils der in dem Isolierstoff verteilten Nanopartikel eine Dotierung dieser Nanopartikel mit Dotierstoffen vorgesehen ist und
• die Nanopartikel in einem elektrisch isolierenden Isolierstoff verteilt sind,
als Isolationsmaterial für einen Transformator.
10. Verwendung eines Nanokomposits mit halbleitenden oder isolierenden Nanopartikeln, wobei • zur Erhöhung der effektiven Leitfähigkeit zumindest eines Teils der in dem Isolierstoff verteilten Nanopartikel eine Beschichtung mit dotierten Halbleitern auf diesen Nanopar- tikeln vorgesehen ist und
• die Nanopartikel in einem elektrisch isolierenden Isolierstoff verteilt sind,
als Isolationsmaterial für einen Transformator.
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