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Title:
COMPOSITE MATERIAL AND PROCESS FOR PRODUCTION THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/042764
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a composite material (1). Said material comprises 40% to 85% by volume of ceramic fillers (2) and 15% to 60% by volume of other constituents. The other constituents comprise at least one cement (3) and at least one polymer (4). The composite material may be used as a housing for a rechargeable battery and/or as a constituent of an electronic element, an electronic component or an electronic assembly. In a process for producing the composite material (1) a formulation containing 40% to 85% by volume of ceramic fillers (2), 14% to 59% by volume of at least one cement (3), 1% to 20% by volume of at least one polymer (4) and 0% to 2% by volume of additives is admixed with water and hydraulically set.

Inventors:
HEJTMANN, Georg (Seelhofenstr. 43, Mundelsheim, 74395, DE)
SCHUETT, Klaus-Volker (Friedrichstr. 14, Wernau, 73249, DE)
SEDLMAYR, Andreas (Friedenstr. 51, Pforzheim, 75173, DE)
KAESSNER, Stefan (Fichtenstrasse 8, Bondorf, 71149, DE)
Application Number:
EP2018/072044
Publication Date:
March 07, 2019
Filing Date:
August 14, 2018
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
C04B28/04; C04B28/06; C04B28/34
Domestic Patent References:
WO2014029658A12014-02-27
Foreign References:
US5275655A1994-01-04
US20160340251A12016-11-24
DE102015223449A12017-06-01
US5851634A1998-12-22
Other References:
None
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Claims:
Ansprüche

1. Verbundwerkstoff (1, 5, 6), aufweisend 40 bis 85 Vol.-% keramische Füllstoffe (2) und 15 bis 60 Vol.-% weitere Bestandteile, jeweils bezogen auf 100 Vol.- % des Verbundwerkstoffs (1, 5, 6), wobei die weiteren Bestandteile mindestens einen Zement (3) und mindestens ein Polymer (4) umfassen.

2. Verbundwerkstoff (1, 5, 6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Polymer (4) 1 bis 20 Vol.-% des Verbundwerkstoffs (1) ausmacht.

3. Verbundwerkstoff (1, 5, 6) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer (4) ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus

Polysiloxanen, Epoxidharzen, Polyurethanharzen und Gemischen daraus.

4. Verbundwerkstoff (1, 5, 6) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

gekennzeichnet, dass die keramischen Füllstoffe (2) ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Oxiden, Nitriden, Carbiden und Gemischen daraus.

5. Verbundwerkstoff (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch

gekennzeichnet, dass das mindestens eine Polymer (4) zumindest teilweise ein Polymergitter bildet, welches die keramischen Füllstoffe (2) und den Zement (3) einschließt.

6. Verbundwerkstoff (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch

gekennzeichnet, dass das mindestens eine Polymer (4) zumindest teilweise in ersten Schichten angeordnet ist, zwischen denen zweite Schichten angeordnet sind, welche die keramischen Füllstoffe (2) und den Zement (3) enthalten.

7. Verwendung eines Verbundwerkstoffs (1, 5, 6) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Gehäuse für einen Akkumulator und/oder als Bestandteil eines elektronischen Bauelements, eines elektronischen Bauteils oder einer elektronischen Baugruppe.

8. Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rezeptur der folgenden Zusammensetzung mit Wasser versetzt wird und hydraulisch abgebunden wird:

40 bis 85 Vol.-% keramische Füllstoffe (2),

14 bis 59 Vol.-% mindestens eines Zements (3),

1 bis 20 Vol.% mindestens eines Polymers (4),

0 bis 2 Vol.% Zusatzstoffe.

9. Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs (5) nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass eine Zementmasse, die 40 bis 85 Vol.-% keramische Füllstoffe (2) bezogen auf 100 Vol.-% des Verbundwerkstoffs (5) enthält, mittels Gießens in das Polymergitter eingebracht wird.

10. Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs (6) nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, dass abwechselnd mindestens ein Polymer (4), und

eine Zementmasse, die 40 bis 85 Vol.-% keramische Füllstoffe bezogen auf 100 Vol.-% des Verbundwerkstoffs (6) enthält in Schichten aufeinander aufgebracht werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die

Zementmasse in einem Verfahren gemäß Anspruch 8 als Verbundwerkstoff (1) hergestellt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet,

dass der Verbundwerkstoff (1, 5, 6) einer Wärmebehandlung bei einer

Temperatur im Bereich von 60°C bis 350°C unterzogen wird.

Description:
Beschreibung Titel

Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff. Dieser kann insbesondere als Gehäuse für einen Akkumulator und/oder als Bestandteil eines elektronischen Bauelements, Bauteils oder einer Baugruppe verwendet werden. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs.

Stand der Technik

Das Gehäuse von Akkumulatoren kabelloser Bohrmaschinen und vergleichbarer Werkzeuge besteht in der Regel aus organischen Polymermassen. Diese weisen zwar eine gute mechanische Stabilität auf, können die durch den Akkumulator entstehende Wärme jedoch nur unzureichend ableiten.

Es ist bekannt, dass ein Akkumulator bei optimierter Wärmeableitung eine erhöhte Lebensdauer erzielt. Um die Wärmeableitung zu verbessern, können wärmeleitende keramische Füllstoffe in organischen Polymermassen eingebracht werden. Aufgrund der Verarbeitbarkeit der organischen Polymermassen kann jedoch nur eine kleine Menge dieser wärmeleitenden keramischen Füllstoffe in sie eingebracht werden.

Reine Keramik-Zement- Verbundstoffe weisen eine sehr gute Wärmeableitung auf. Diese haben beim Einsatz als Gehäuse eines Akkumulators jedoch den Nachteil, dass sie sehr spröde sind. Außerdem verursacht ihr Zementanteil eine Porosität solcher Verbundwerkstoffe, wodurch hohe Anforderungen an die Dichtigkeit des Gehäuses nicht erfüllt werden können. Auch in elektronischen Bauelementen, Bauteilen und Baugruppen ist eine hohe Wärmeableitung wünschenswert. Diese kann durch organische Polymermassen jedoch ebenfalls nur unzulänglich bzw. mit schlechten

Verarbeitungseigenschaften bei deutlich höheren Materialkosten erreicht werden. Gleichzeitig ist der Einsatz bei einer Temperatur oberhalb von 200 °C meist kritisch für solche Polymermassen. Keramik-Zement- Verbundwerkstoffe sind auch für diese Anwendung teilweise zu spröde und oder zu permeabel.

Offenbarung der Erfindung

Der Verbundwerkstoff weist jeweils bezogen auf 100 Vol.-% des

Verbundwerkstoffs 40 bis 85 Vol.-% keramische Füllstoffe und 15 bis 60 Vol.-% weitere Bestandteile auf. Die weiteren Bestandteile umfassen mindestens einen Zement und mindestens ein Polymer. Dieser Verbundwerkstoff weist aufgrund seines hohen Anteils keramischer Füllstoffe eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Die Kombination der keramischen Füllstoffe mit dem Zement ermöglicht ein Auffüllen mit dem mindestens einen Polymer, ohne die Verarbeitbarkeit stark zu beeinträchtigen. Dieses Polymer füllt Poren in der Struktur des Zements und verbessern so dessen mechanische Stabilität und wirkt gleichzeitig seiner Sprödigkeit und Porosität entgegen. Es wird also auch die Permeabilität/ Wasseraufnahme gesenkt

Unter einem Zement wird hierbei jede anorganische Verbindung und jedes Gemisch anorganischer Verbindungen verstanden, die bzw. das mit Wasser unter Bildung von Hydratphasen hydraulisch abbindet. Insbesondere

Tonerdezemente, Portlandzemente und Phosphatzemente sind als Bestandteile des Verbundwerkstoffs geeignet.

Das mindestens eine Polymer macht vorzugsweise 1 bis 20 Vol.-% des

Verbundwerkstoffs aus. Hierdurch wird einerseits gewährleistet, dass das

Polymer die Porosität, die Sprödigkeit und die daraus resultierende geringe mechanische Stabilität des Zements kompensiert, andererseits wird die

Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs jedoch im Wesentlichen durch den Zement und die keramischen Füllstoffe nicht aber das Polymer bestimmt. Für den Verbundwerkstoff bevorzugte Polymere sind ausgewählt aus der Gruppe, die aus Polysiloxanen bzw. Silikonen, Epoxidharzen,

Polyurethanharzen, Vinylacetat-Ethylen-Copolymeren und Gemischen daraus besteht. Diese Kunstharze bzw. harzähnlichen Verbindungen sind besonders gut geeignet, um den Verbundwerkstoff die nötige Elastizität zu geben, um die sonst eher spröden Eigenschaften des Zements und der keramischen Füllstoffe zu kompensieren.

Die zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit vorgesehenen keramischen Füllstoffe sind bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt, die aus Oxiden, Nitriden, Carbiden und Gemischen daraus besteht. Bei den Oxiden handelt es sich insbesondere um Aluminiumoxid. Bei den Nitriden handelt es sich insbesondere um

Aluminiumnitrid, Bornitrid oder Siliziumnitrid. Bei den Carbiden handelt es sich insbesondere um Siliziumcarbid oder Wolframcarbid. Diese keramischen

Füllstoffe steigern nicht nur die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs, sondern erfüllen auch elektrische Isolationsanforderungen, die an den

Verbundwerkstoff gestellt werden können, wenn er als Bestandteil elektronischer Bauelemente, Bauteile oder Baugruppen mit hohen Betriebsspannungen eingesetzt wird.

In dem Verfahren zum Herstellen des Verbundwerkstoffs wird eine Rezeptur der folgenden Zusammensetzung mit Wasser versetzt:

40 bis 85 Vol.-% keramische Füllstoffe,

14 bis 59 Vol.-% mindestens eines Zements,

1 bis 20 Vol.% mindestens eines Polymers,

0 bis 2 Vol.% Zusatzstoffe.

Anschließend wird die Rezeptur hydraulisch abgebunden. Bei den in der

Rezeptur enthaltenen Zusatzstoffen handelt es sich insbesondere um Fließmittel, welche die Verarbeitbarkeit der Rezeptur erleichtern, wie insbesondere

Polycarboxylatether (PCE), Polykondensate, polymerbasierte Entschäumer, Polysiloxane oder Benetzungsmittel. ln einem Ausführungsbeispiel des Verbundwerkstoffs bildet das mindestens eine Polymer zumindest teilweise ein Polymergitter. Dieses schließt die keramischen Füllstoffe und den Zement ein. Ein solches Polymergitter, das auch als makroskopische Matrix bezeichnet werden kann, verbessert die mechanische Stabilität des Verbundwerkstoffs noch weiter.

Die Herstellung eines Verbundwerkstoffs gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann insbesondere erfolgen, indem eine Zementmasse, die 40 bis 85 Vol.-% keramische Füllstoffe bezogen auf 100 Vol.-% des herzustellenden

Verbundwerkstoffs enthält, mittels Gießens, insbesondere mittels Spritzgießens in das Polymergitter eingebracht wird. Das Polymergitter kann hierzu ebenfalls mittels Spritzgießens geformt werden. Grundsätzlich ist es möglich als

Zementmasse eine Masse zu verwenden, die lediglich aus mindestens einem Zement und den keramischen Füllstoffen besteht. Das Polymer des

Verbundwerkstoffs ist dann lediglich im Polymergitter enthalten. Um die Vorteile des Polymergitters als makroskopischer Polymermatrix mit den Vorteilen des auf mikroskopischer Ebene mit dem Zement und den keramischen Füllstoffen verbunden Polymers zu verbinden, ist es jedoch bevorzugt, dass als

Zementmasse die voranstehend beschriebene Rezeptur verwendet wird. In diesem Fall enthält der Verbundwerkstoff das Polymer also sowohl in der

Zementmasse als auch in der makroskopischen Matrix.

In einem anderen Ausführungsbeispiel des Verbundwerkstoffs ist das mindestens eine Polymer zumindest teilweise in ersten Schichten angeordnet. Zwischen den ersten Schichten sind zweite Schichten angeordnet, welche die keramischen Füllstoffe und den Zement enthalten. Innerhalb der ersten

Schichten kann das Polymer sowohl als homogene Schicht aufgetragen werden als auch aus makroskopischen Polymerteilen, wie beispielsweise Gittern, Stäben oder Netzen als inhomogene Polymerschicht gebildet werden. Diese

Schichtstruktur des Verbundwerkstoffs bewirkt ebenfalls eine noch weiter verbesserte mechanische Stabilität. Das Herstellen eines Verbundwerkstoffs gemäß dieser Ausführungsform erfolgt insbesondere, indem abwechselnd mindestens ein Polymer und eine Zementmasse, die 40 bis 85 Vol.-%

keramische Füllstoffe bezogen auf 100 Vol.-% des herzustellenden

Verbundwerkstoffs enthält, in Schichten aufeinander aufgebracht werden. Grundsätzlich ist es auch in dieser Ausführungsform möglich, eine Zementmasse zu verwenden, die lediglich aus mindestens einem Zement und den keramischen Füllstoffen besteht. Bevorzugt wird jedoch auch hier als Zementmasse die voranstehend beschriebene Rezeptur verwendet, um so die Vorteile einer mikroskopischen und einer makroskopischen Einbindung des Zements und der keramischen Füllstoffe in das Polymer miteinander zu vereinen.

Um den Verbundwerkstoff auszuhärten und seine Wasseraufnahme zu verringern, ist es bevorzugt, ihn einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 60°C bis 350°C zu unterziehen. Dieser Temperaturbereich reicht zum einen aus, um Wasser, welches nicht mit dem Zement reagiert hat, aus dem Verbundwerkstoff auszutreiben, und er ist gleichzeitig niedrig genug, um eine thermische Verformung oder Zersetzung des Polymers zu vermeiden, welche zu einer Bildung von Rissen im Verbundwerkstoff führen könnte.

Der Verbundwerkstoff vereint eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit einer guten mechanischen Stabilität, einer geringen Wasseraufnahme und einem hohen elektrischen Widerstand. Daher ist er insbesondere zur Verwendung als

Gehäuse für einen Akkumulator und/oder als Bestandteil eines elektronischen Bauelements, eines elektronischen Bauteils oder einer elektronischen Baugruppe geeignet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbundwerkstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 vergleicht in einem Diagramm die Wasseraufnahme von

erfindungsgemäßen und nicht erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffen. Fig. 3 vergleicht in einem Diagramm die thermische Dehnung eines

Verbundwerkstoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit mehreren herkömmlichen Werkstoffen.

Fig. 4 zeigt schematisch einen Verbundwerkstoff gemäß einem anderen

Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 5 zeigt schematisch einen Verbundwerkstoff gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung

Gemäß der folgenden Tabelle 1 wurden zwei Rezepturen Bl und B2 zur Herstellung von zwei Beispielen erfindungsgemäßer Verbundwerkstoffe hergestellt. Weiterhin wurden zwei Rezepturen VBl und VB2 zur Herstellung von zwei Vergleichsbeispielen herkömmlicher Verbundwerkstoffe hergestellt.

Tabelle 1

Als Fließmittel wurde ein Gemisch aus einem Polycarboxylatether und einem Entschäumer verwendet. Als Polymerdispersion wurde eine gesättigte Dispersion eines Vinylacetat-Ethylen-Copolymers verwendet. Alle Rezepturen wurden hydraulisch abgebunden, um Probekörper aus den erfindungsgemäßen und den nicht erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffen zu erhalten. Fig. 1 zeigt die Struktur von Verbundwerkstoffen 1, die gemäß den Rezepturen

Bl und B2 hergestellt werden konnten, so wie sie im Schliffbild teilweise mittels Lichtmikroskopie oder Rasterelektronenmikroskopie dargestellt bzw. durch Quecksilberdruckporosimetrie oder Widerstandsmessungen indirekt

nachgewiesen werden können. Es ist erkennbar, dass die keramischen Füllstoffe 2 in Form unterschiedlich großer Aluminiumoxidpartikel in der Zementmatrix 3 zusammen mit einer mikroskopischen organischen Matrix aus dem jeweiligen Polymer 4, also aus einem Polysiloxan bzw. dem Copolymer aus Vinylacetat- Ethylen, eingebettet sind. Verbundwerkstoffe, die gemäß den Rezepturen VB1 und Bl hergestellt wurden, wurden jeweils zunächst 48 Stunden lang bei einer Temperatur von 60°C ausgehärtet, dann bei einer Temperatur von 80°C getrocknet und anschließend mehr als 24 Stunden lang bei 22°C gelagert. Jeweils eine Probe des gemäß der Rezeptur Bl hergestellten Verbundwerkstoffs wurde nach dem Trocknen und vor der Lagerung bei Raumtemperatur einer einstündigen Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 150°C unterzogen. Alle Proben wurden anschließend unter Wasser gelagert und ihre prozentuale Wasseraufnahme WA wurde jeweils nach zwei Stunden und nach 24 Stunden mittels Wiegen ermittelt. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weist der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff eine wesentlich geringere Wasseraufnahme auf als ein herkömmlicher

Keramikzementverbundwerkstoff, welcher kein Polymer enthält. Dieser kann durch die Wärmebehandlung noch einmal wesentlich verbessert werden und liegt dann im Bereich von Silikonvergussmassen. Es konnte also gezeigt werden, dass der Verbundwerkstoff gemäß dem untersuchten Ausführungsbeispiel der Erfindung in seiner Wasseraufnahme die guten Eigenschaften des in ihm enthaltenen Polymers und nicht die schlechten Eigenschaften des darin enthaltenen Zements aufweist.

Jeweils eine Probe von Verbundwerkstoffen, welche gemäß den Rezepturen VB2 und B2 hergestellt wurden, wurde beginnend bei einer Temperatur von 22°C im ungetrockneten Zustand mit einer Geschwindigkeit von 2°C pro Minute auf eine Temperatur von 300°C erhitzt und dann wieder auf die Ausgangstemperatur abgekühlt. Die prozentuale Dehnung rel. DL der Verbundwerkstoffe beim

Erhitzen und beim Abkühlen ist in Fig. 3 dargestellt. Der Verbundwerkstoff gemäß dem untersuchten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist dabei eine deutlich geringere thermische Schwindung auf als ein herkömmlicher

Keramik-Zement- Verbundwerkstoff, der kein Polymer enthält. Damit konnte gezeigt werden, dass ein solcher erfindungsgemäßer Verbundwerkstoff gegenüber metallischen Substraten, wie sie in elektronischen Bauelementen, Bauteilen und Baugruppen auftreten, eine geringere Spannung an den

Grenzflächen aufweist als der herkömmliche Verbundwerkstoff. Hierzu ist in Fig. 3 auch die thermische Dehnung von Aluminium und Kupfer dargestellt. Es ist auch eine bessere Haftung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs unter Temperatureinfluss zu erwarten als diese mittels des herkömmlichen

Verbundwerkstoffs erreicht werden kann.

Fig. 4 zeigt schematisch einen mechanisch besonders stabilen Verbundwerkstoff 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieser wird hergestellt, indem mittels Spritzgießens die Rezeptur Bl oder B2 in ein Polymergitter als makroskopische Polymermatrix eingebettet wird. Als Polymer wird im Falle der

Rezeptur Bl Polysiloxan und im Falle der Rezeptur B2 Vinylacetat-Ethylen- Copolymer verwendet. Der Verbundwerkstoff 5 besteht also aus einem

Verbundwerkstoff 1, welcher keramische Füllstoffe, ein Zement und das Polymer aufweist und der seinerseits noch einmal in einer mikroskopischen Matrix aus dem Polymer 4 eingebettet ist.

Fig. 5 zeigt ein weiteres mechanisch besonders stabiles Ausführungsbeispiel des Verbundwerkstoffs 6. Schichten der Rezeptur Bl oder B2 werden jeweils mit einer Schicht des in der Rezeptur verwendeten Polymers bedeckt, woraufhin eine weitere Schicht der Rezeptur und eine weitere Schicht des Polymers folgt.

Nach dem hydraulischen Abbinden wird der dargestellte Verbundwerkstoff 6 erhalten, welcher zwei Schichten eines Verbundwerkstoffs 1 aus keramischen Füllstoffen, dem Zement und dem jeweiligen Polymer und zwei weitere

Schichten, die nur aus dem jeweiligen Polymer 4 bestehen, aufweist. Die Schichten des Polymers 4 sind dazu geeignet, auch große mechanische Belastungen des Verbundwerkstoffs 6 aufzunehmen.

Die gemäß den voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung aus den Rezepturen Bl und B2 herstellbaren Verbundwerkstoffe 1, 5,

6 können als Gehäuse eines Akkumulators einer kabellosen Bohrmaschine oder auch als Bestandteil eines elektronischen Halbleiterbauelements, eines elektronischen Halbleiterbauteil oder einer elektronischen Halbleiterbaugruppe verwendet werden.