專利名稱：導(dǎo)電及導(dǎo)熱的塑料及該塑料的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于聚合物及埋置在該聚合物中的填充材料的導(dǎo)電及導(dǎo)熱塑料。這樣一種塑料是適合作控制電場(chǎng)的電極及應(yīng)避免帶不希望的靜電的構(gòu)件的材料。該塑料除聚合物外還包括一般作為填充料的碳黑并從而具有一定的比電阻，該比電阻視碳黑含量而定，在1及1016(Ω·cm)之間。
一種基于聚丙烯及碳黑的導(dǎo)電及導(dǎo)熱的塑料被R.Gilg描述在單行本“塑料指南”(Kuststoffberater)22，262(1977)及22，3312(1977)的文章“用于導(dǎo)電塑料的碳黑”中，塑料出版有限公司(地址Isernhagen)。如果這種塑料作為用于電纜屏蔽層或控制電極時(shí)，則應(yīng)具有在102及1014〔Ω·cm〕之間的典型比電阻。在該范圍中比電阻或塑料的電導(dǎo)率在碳黑含量很小變化的情況下將變化很大。例如在碳黑含量提高了約1重量百分比的情況下，比電阻從1012〔Ω·cm〕下降到104〔Ω·cm〕。由于比電阻或電導(dǎo)率與碳黑含量的這種強(qiáng)烈的非線性關(guān)系，故難于以可重現(xiàn)的方式來(lái)生產(chǎn)基于聚合物及碳黑的、具有精確地確定的電導(dǎo)率的導(dǎo)電塑料。此外，電導(dǎo)率與碳黑在塑料中分布的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。因?yàn)樵谥圃焖芰蠒r(shí)一般會(huì)出現(xiàn)大的剪切力，在一定情況下這將破壞碳黑構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此外，在使用基于一種熱固性塑料的聚合物時(shí)，碳黑微粒由于結(jié)網(wǎng)反應(yīng)可形成局部的團(tuán)塊，由此使塑料的均勻性受到極大的損害。
如在權(quán)利要求1及8中給出的，本發(fā)明的任務(wù)在于，創(chuàng)造一種導(dǎo)言中所述類型的導(dǎo)電及導(dǎo)熱塑料，它具有精確地確定的電導(dǎo)率，且還能以簡(jiǎn)單及可重現(xiàn)之方式被制造，并同時(shí)給出這種塑料的優(yōu)選應(yīng)用。
根據(jù)本發(fā)明的塑料的特征在于，它通過(guò)選擇合適的填充料不僅可簡(jiǎn)單地制造，而且其電導(dǎo)率在與制造方法幾乎完全無(wú)關(guān)的情況下僅取決于對(duì)填充材料固有的電導(dǎo)率的適當(dāng)調(diào)整。通過(guò)半導(dǎo)體材料較強(qiáng)及較弱的摻雜，可用簡(jiǎn)單及可再現(xiàn)的方式來(lái)制造具有預(yù)定電導(dǎo)率的塑料。在此將這樣多地選擇填充料含量，即在增加填充料含量的情況下塑料的電導(dǎo)率在很大程度上保持不變，也就排除了填充料含量微小增加時(shí)電導(dǎo)率的非線性變化。
通常，填充料含量大于30％(體積)。如果填充料含量大于40％(體積)時(shí)，則甚至在填充材料份額有波動(dòng)時(shí)塑料仍肯定具有實(shí)際恒定的電導(dǎo)率，因?yàn)樗鼪](méi)有能達(dá)到導(dǎo)致電導(dǎo)率非線性變化的摻雜閾值。
特別有利的是，該半導(dǎo)體材料是一種陶瓷，尤其是基于BaTiO3，Cds，Si，SiC，SnO2，SrTiO3，TiO2，Y1Ba2，Cu3O7-X和/或ZnO的陶瓷。一方面，由于填充料含量大，塑料具有出色的機(jī)械性能。另一方面，塑料的優(yōu)點(diǎn)還在于導(dǎo)熱性好及很小的熱膨脹系數(shù)。這是陶瓷半導(dǎo)體材料特性的后果。對(duì)于ZnO，比熱導(dǎo)率及熱膨脹系數(shù)的典型值為在300k時(shí)的54〔W/mk〕及7.5·10-6〔K-1〕，對(duì)于SiC，為在400K時(shí)的63-155〔W/mk〕及5.5·10-6〔K-1〕，而對(duì)于聚合物，例如一種環(huán)氧樹(shù)脂，其相應(yīng)最大值為0.3〔W/mk〕及50-200·10-6〔K-1〕。
作為摻雜材料，最好使用一種金屬、尤其為Al，Cr，In，Li，Ti和/或Zr，其中金屬份額至多達(dá)到半導(dǎo)體陶瓷材料重量的1％，典型的份額是在千分?jǐn)?shù)的范圍中。
因?yàn)殡妼?dǎo)率主要是由半導(dǎo)體材料的摻雜確定的，故填充材料可被加入在塑料中，直到達(dá)到最大的填充密度。這樣可達(dá)到最佳的熱導(dǎo)率及很小的熱膨脹系數(shù)。通過(guò)適當(dāng)減少填充料份額可以獲得具有確定電導(dǎo)率及高熱導(dǎo)率的塑料，它將具有與基于一種聚合物、尤其是環(huán)氧樹(shù)脂的高填充度的絕緣體(40-50體積百分比的A12O3和/或SiO2)相適配的熱膨脹系數(shù)。
聚合物最好是熱塑性塑料，因?yàn)闊崴苄运芰峡商貏e快地被加工，及因?yàn)樵谌埸c(diǎn)溫度以下時(shí)其粘度在一般情況下迅速增加。但也可用熱固性塑料或彈性體作為聚合物來(lái)取代熱塑性塑料。
該塑料可由聚合物及電半導(dǎo)體材料以傳統(tǒng)的方式通過(guò)如混合和擠壓或壓鑄或噴鑄來(lái)制造。
以下借助附圖來(lái)詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例及由此達(dá)到的其它優(yōu)點(diǎn)，附圖為

圖1一個(gè)曲線圖，它表示摻雜鋁的氧化鋅陶瓷的比電阻與摻雜材料含量的關(guān)系，圖2一個(gè)曲線圖，它表示根據(jù)本發(fā)明的塑料及一對(duì)比塑料的比電阻各與填充材料份額之間的關(guān)系，其份額用體積百分比量度，圖3由玻璃織物片與將織片層被此連接的本發(fā)明塑料構(gòu)成的塑料疊層的截面俯視圖，圖4一個(gè)發(fā)電機(jī)的定子疊片組的槽的橫向于繞組導(dǎo)條軸的斷面俯視圖，在該槽中容納有繞組導(dǎo)條和一個(gè)包含圖3所示的塑料疊層的槽楔。
由較小密度的熱塑性塑料作為聚合物與半導(dǎo)體材料制成導(dǎo)電塑料的試樣。這兩種材料被置于一剪切式攪拌器中，在約130℃下彼此混和約15分鐘。由該得到的高粘度混合物獲取材料試樣，為了形成用于電導(dǎo)率及熱導(dǎo)率測(cè)量的試樣，將其在約150℃下及在約28MPA壓力下進(jìn)行熱壓。
作為熱塑性塑料將使用由BASF股份公司(地址Ludwigshafen)銷售的商品名為L(zhǎng)upolen 1800sp 15的低密度聚乙烯。半導(dǎo)體材料為用約百萬(wàn)分之500的鋁摻雜的或未摻雜的粉末狀氧化鋅(ZnO)。摻雜的ZnO是通過(guò)將含有其粒度最大為200μm的淘洗ZnO粉末及溶解的醋酸鋁或硝酸鋁的水懸浮液進(jìn)行噴射干燥和隨后在三小時(shí)內(nèi)把噴射干燥形成的粉末加熱至約1200℃形成的。視噴射干燥時(shí)的條件而定，所構(gòu)成粉末的顆粒將具有最大達(dá)300μm的直徑。顆粒形狀可為球狀或在有利方向呈伸延，并為實(shí)心的或空心的。在加熱時(shí)醋酸鋁或硝酸鋁被分解并使形成的金屬鋁擴(kuò)散到ZnO中。
通過(guò)對(duì)燒結(jié)溫度、燒結(jié)氣氛和/或摻雜材料份額及性能的適當(dāng)選擇，可以修改經(jīng)摻雜的ZnO或另一種經(jīng)摻雜的半導(dǎo)體材料的固有比電阻值，并可在一寬廣范圍中調(diào)整。對(duì)于用鋁摻雜的ZnO，得到下列比電阻值與摻雜材料含量的關(guān)系試樣 鋁含量(百萬(wàn)分比) 比電阻〔Ω·cm 〕1 0 13212 50 103 200 約04 500 65 2000596 5000131如從圖1所示曲線圖中可看到的，一個(gè)特別小的比電阻及與此相應(yīng)的特別好的電導(dǎo)率是在摻雜份額大于10及小于1000ppm(百萬(wàn)分比)時(shí)達(dá)到的。特別有利的是具有約200ppm鋁的鋁摻雜氧化鋅陶瓷。通過(guò)該陶瓷燒結(jié)條件的變化可使這些值在一定情況下改變。
當(dāng)由非晶或多晶顆粒組成的粉末具有大及小的粒子時(shí)，將是特別有利的，因?yàn)榭梢赃_(dá)到特別高的塑料填充度并由此達(dá)到特別好的機(jī)械、電氣及熱特性。例如，粉末可具有其粒度小于50μm的粒子，它們從而分布在其粒度最大達(dá)幾百μm的粒子間的空隙中。
對(duì)于具有填充料含量為0，5，10，15，20，25，30，35，40及50％(體積)的試樣作出了比電阻及比熱導(dǎo)率的測(cè)量。電阻測(cè)量的結(jié)果載于圖2。
在圖2中表示出比電阻與填充料含量的函數(shù)關(guān)系，該關(guān)系視該塑料是含有摻雜的ZnO還是僅含未摻雜的ZnO而定，分別以I或II指示。利用由HewlettPackard廠生產(chǎn)的型號(hào)為HP4274A的阻抗分析儀在1KHz頻率時(shí)進(jìn)行測(cè)量。從函數(shù)I中可以看出，直到大約30％(體積)的填充材料含量時(shí)為止，試樣的比電阻幾乎恒定地保持在值1010〔Ω·cm〕。僅當(dāng)填充料份額大于30％(體積)時(shí)比電阻才急劇下降，并在填充料份額為50％(體積)以上時(shí)幾乎恒定地保持在約3·103〔Ω·cm 〕的值上。然而，在填充了未摻雜的ZnO的塑料(函數(shù)II)的情況下，在填充料份額最高達(dá)30％(體積)時(shí)恒定保持的1010〔Ω·cm〕值僅下降很小，并在40-50％(體積)的填充料份額時(shí)還僅為108-109〔Ω· cm 〕，對(duì)于解決屏蔽或電場(chǎng)控制的任務(wù)，這是塑料的一個(gè)過(guò)小的電導(dǎo)率的值。
熱導(dǎo)率的測(cè)量表明，根據(jù)本發(fā)明的塑料在具有30％(體積)的填充料份額時(shí)其比熱導(dǎo)率為0.61〔w/mk 〕，及在具有40或50％(體積)的填充料份額時(shí)其比熱導(dǎo)率為0.92或2〔W/mk 〕。因此，根據(jù)本發(fā)明的塑料具有比根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的塑料大2至6倍的比熱導(dǎo)率，后者基于碳黑作填充料，比熱導(dǎo)率典型為0.30〔 W/mk 〕。
在圖3上表示出根據(jù)本發(fā)明塑料的一個(gè)優(yōu)選應(yīng)用。該應(yīng)用涉及一種埋有載體材料的塑料基體的疊層。該疊層由彼此上下疊堆的織物片1組成，織物片涂有根據(jù)本發(fā)明的塑料的涂層。該織物例如由玻璃纖維組成并具有例如約為23〔g/m2〕的單位面積重量。該織物被浸漬在一種懸浮液中，該懸浮液包含100ppm的被溶解聚砜及在聚砜溶液中均勻分布的、用500ppm鋁摻雜的ZnO粉末。為了達(dá)到一定密度的填充，該ZnO粉末由兩部分組成。其中具有600ppm的較大部分包括粒度在10及200μm之間的粒子，而具有100ppm的較小部分具有其粒度最大達(dá)63μm的粒子。該被浸漬的織物在直至180℃的溫度下干燥約2小時(shí)。這樣得到的涂層織物具有約0.3mm的厚度。
涂層織物的多片1彼此上下地疊放并在溫度約250℃及壓力約5MPA下被壓制成一疊層。由這樣壓制的疊層制作出用于測(cè)量目的的試樣，借助該試樣獲得了該疊層的下列特性密度 3.21〔g/cm2〕比熱導(dǎo)率 2.06〔W/mk〕室溫下的比電阻 3〔kΩ·cm〕持續(xù)負(fù)荷下的熱穩(wěn)定性 160塑料中ZnO的體積份額60％相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的、具有其典型值為0.3〔W/mk〕的比熱導(dǎo)率的疊層來(lái)說(shuō)，該比熱導(dǎo)率明顯地改善了約6倍。此外，通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的塑料的應(yīng)用，可使為疊層預(yù)定的電導(dǎo)率易于保持在一個(gè)窄的容限范圍內(nèi)。另外，該疊層可用簡(jiǎn)單易于掌握的制造方法進(jìn)行制造。在實(shí)施該制造方法時(shí)至少可設(shè)置一個(gè)由圖3中所見(jiàn)結(jié)構(gòu)2的疊層外表面。
這樣一種疊層可作為具有高熱穩(wěn)定性(絕緣材料等級(jí)F或更高)及高熱導(dǎo)率以及低電導(dǎo)率—但非金屬的—(比電阻典型在1至10Ω之間，用于避免外電暈放電)的材料被用在電機(jī)制造中。尤其可作為在較大轉(zhuǎn)速的電機(jī)的，如渦輪或水力發(fā)電機(jī)的定子疊片組的槽中支撐繞組導(dǎo)條的槽楔使用。
在圖4中，一個(gè)作為槽楔3使用的、包含本發(fā)明電半導(dǎo)體塑料的疊層布置在一個(gè)發(fā)電機(jī)定子疊片組4的槽5中。該槽5中還包含兩個(gè)借助主絕緣6使彼此間并對(duì)定子疊片組電絕緣的繞組導(dǎo)條7。利用這些槽楔3及一個(gè)使槽5對(duì)外封閉的槽楔8使這些繞組導(dǎo)條7緊固在槽5中。通過(guò)對(duì)作為織物的玻璃纖維及作為聚合物的聚砜的選擇，該構(gòu)成槽楔3的疊層在發(fā)電機(jī)的工作溫度下也具有至少與主絕緣6相應(yīng)的耐壓強(qiáng)度。通過(guò)在繞組導(dǎo)條7中通過(guò)電流，產(chǎn)生阻性及感性的損耗。該損耗可直接地通過(guò)主絕緣6及間接地通過(guò)槽楔3傳遞給定子疊片組4。通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的良導(dǎo)熱槽楔3可實(shí)現(xiàn)從繞組導(dǎo)條7的特別高效的熱排放。繞組導(dǎo)管7及定子疊片組4處于彼此很不相同的電位上。為了防止通過(guò)外部放電使主絕緣6損壞，主絕緣6的外表面設(shè)有一層電半導(dǎo)體涂層，并可靠地保證了構(gòu)成槽楔3的疊層的良好電導(dǎo)性。
在制造疊層時(shí)，可將疊層的外表面壓成由圖3中看到的結(jié)構(gòu)2。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)2改善繞組導(dǎo)條7與槽5的壁之間的機(jī)械接合并提高繞組導(dǎo)條7及定子疊片織4之間的熱交換。
權(quán)利要求
1.基于聚合物及埋置在該聚合物中的填充材料的導(dǎo)電及導(dǎo)熱塑料，其特征在于，填充材料是一種通過(guò)摻雜具有預(yù)定固有電導(dǎo)率的半導(dǎo)體材料，并這樣地選擇填充材料含量，即在提高填充材料份額時(shí)該塑料的電導(dǎo)率在很大程度上保持不變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塑料，其特征在于，該半導(dǎo)體材料是一種陶瓷，尤其是基于BaTiO3，Cds，Si，SiC，SnO2，SrTiO3，TiO2，Y1Ba2，Cu3O7-X和/或ZnO的陶瓷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的塑料，其特征在于，摻雜材料是一種金屬，尤其為A1，Cr，In，Li，Ti和/或Zr。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的塑料，其特征在于，金屬份額最高為陶瓷重量的1％。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的塑料，其特征在于，在一種用鋁摻雜的氧化鋅陶瓷中，金屬份額為陶瓷重量的10至1000ppm(百萬(wàn)分比)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的塑料，其特征在于，填充料含量為大于30％(體積)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的塑料，其特征在于，半導(dǎo)體材料為摻雜了鋁的ZnO并具有至少占40％(體積)的填充材料。
8.權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述塑料在由載體材料及埋置該載體材料的塑料基體構(gòu)成的疊層中的應(yīng)用。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于，該疊層具有至少一個(gè)具有結(jié)構(gòu)(2)的外表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9中一項(xiàng)的應(yīng)用，其特征在于，該疊層為槽墊(3)的材料。
全文摘要
該導(dǎo)電及導(dǎo)熱塑料包含一種聚合物及一種埋置在聚合物中的并基于通過(guò)摻雜具有預(yù)定固有電導(dǎo)率的半導(dǎo)體材料的填充材料，對(duì)填充材料含量進(jìn)行這樣地選擇，即在提高填充材料份額時(shí)塑料的電導(dǎo)率在很大程度上保持不變。這種塑料的優(yōu)點(diǎn)為高導(dǎo)熱及高導(dǎo)電(但為非金屬)的性能并可有利地應(yīng)用于埋設(shè)在電機(jī)制造中用于支承高轉(zhuǎn)速電機(jī)的定子繞組的疊層的載體材料。
文檔編號(hào)H02K3/48GK1148541SQ9610991
公開(kāi)日1997年4月30日 申請(qǐng)日期1996年7月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月14日
發(fā)明者R·施特盧普勒, F·柯尼格 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司