Verfahren zur Herstellung von elektrotechnischen Komponenten mit CNT-Leiterwerkstoffen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrotechnischen Komponenten mit CNT-Leiterwerkstoffen .

Für zahlreiche elektrische Anwendungen kommen anstelle von metallischen Leitern wie z. B. aus Kupfer, Aluminium oder

Silber grundsätzlich auch Materialien aus Kohlenstoffnanoröh- ren (Carbon Nanotubes, CNT) in Frage z B. in Form von Garnen. Bei der Verarbeitung von metallischen Halbzeugen (z.B. Drähten, Litzen) zu elektrotechnischen Produkten kommen typi- scherweise Verarbeitungsmethoden aus der Metallverarbeitung und/oder der Elektrotechnik zum Einsatz.

Bislang werden für elektrotechnische Anwendungen typischerweise Metalle zur Herstellung elektrischer Leiter verwendet. Diese werden über elektrotechnische und metallverarbeitende Verfahren verarbeitet. Aufgrund der Rigidität und begrenzten mechanischen Wechselspielfestigkeit von metallischen Drähten sind typische Verfahren der Textilverarbeitung für metallische Leitermaterialien nicht geeignet.

Demgemäß besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung da ^¬ rin, ein Verfahren zur Herstellung von elektrotechnischen Komponenten mit CNT-Leiterwerkstoffen zu schaffen, welches auf herkömmlichen Prozessen beruht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung von elektrotechnischen Komponenten mit CNT- Leiterwerkstoffen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst . Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder m Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von elektrotechnischen Komponenten mit CNT- Leiterwerkstoffen gelöst. Die Erfindung zeichnet sich dadur aus, dass die elektrotechnischen Komponenten mittels einer textilverarbeitenden Technik zu einer Leiteranordnung verar beitet werden.

Erfindungsgemäß werden Kohlenstoffnanomaterialien als elektrischer Leiter verwendet. Diese werden durch Methoden der Textilverarbeitung wie z.B. Nähen, Stricken, Weben, Verzwir- nen, etc. verarbeitet. Da makroskopische Materialien aus CNTs wie z.B. Garne, Bänder, Folien, Filze, etc. eine Mehrzahl an CNTs aufweisen, die durch zwischenmolekulare Kräfte miteinan ^¬ der verbunden sind, haben diese Materialien starke Ähnlichkeiten mit Textilprodukten, z. B. Zwirn, Nähgarn, Filz, Stoff, Gestricken. Daher ist es möglich, für elektrische Leiter aus CNT-Materialien die Methoden der Textilverarbeitung zu verwenden. Außerdem ist es möglich, CNT-Materialien und andere Materialien wie z.B. Baumwollfasern, Aramidfasern, Nylon, zu einem gemischten textilen Werkstoff, Halbzeug oder Produkt zu verarbeiten.

Ein neuer, erfindungsgemäßer Verarbeitungsprozess kann darin bestehen, dass CNT-Garne mit isolierenden Garnen verzwirnt werden. Das Herstellen eines elektrischen Leiters kann derart erfolgen, dass beim Verzwirnen isolierende Fasern um eine oder mehrere Adern aus leitfähigem CNT-Garn angeordnet werden. Dadurch wirken die außen angeordneten Fasern als elektrische Isolation. Ein solcher Zwirn kann mit textilverarbeitenden Prozessen weiterverarbeitet werden, beispielsweise zu Spulen oder Kabeln. An diesem erfindungsgemäßen Material sind die mechanische Belastbarkeit, insbesondere die Flexibilität und die Wechselspielfestigkeit besonders vorteilhaft.

Ein weiterer neuer, erfindungsgemäßer Verarbeitungsprozess kann darin bestehen, Spulen durch Rundweben herzustellen. Durch zylinderförmig angeordnete Stäbe oder Kettfäden kann aus CNT-Material eine Zylinderspule gewebt werden. Dabei kann das CNT-Material als Schussfaden verwendet werden. Je nach Anforderung an die elektrische Isolation zwischen den Windungen kann es sich beim CNT-Material auch um ein Material handeln, bei welchem abwechselnd mit einem isolierenden Schussfaden und einem CNT-Material gewoben wird. Der isolierende Schussfaden dient dabei als Isolation zwischen den Windungen. Für den Fall, dass das CNT-Material eine sehr viel höhere Längsleitfähigkeit als Querleitfähigkeit aufweist, kann ggf. auch auf eine zusätzliche Isolation verzichtet werden.

Es besteht zudem die Möglichkeit, eine Spule durch Rund ^¬ stricken herzustellen. Zudem kann durch Rundstricken eine zylinderförmige Spule hergestellt werden. Entsprechend der Iso ^¬ lationsanforderung kann es zweckmäßig sein, abwechselnd Runden mit CNT-Material und einem isolierenden Material zu stri ^¬ cken .

Es ist auch möglich, ein erfindungsgemäßes Verfahren zu etab ^¬ lieren, bei welchem Kabel durch Weben hergestellt werden. Durch die Verwendung von CNT-Material als Kettfäden beim Weben eines langgestreckten Stoffes kann ein Kabel hergestellt werden. Werden dabei elektrisch isolierende Schussfäden verwendet, dienen diese der elektrischen Isolation und stellen sicher, dass die leitenden CNT-Fäden auf einem definierten Abstand gehalten werden. Ein solcher Bandleiter kann als Daten- oder Leistungskanal verwendet werden oder weiterverarbeitet werden beispielsweise zu Spulen.

Ein weiterer neuer, erfindungsgemäßer Verarbeitungsprozess kann darin bestehen, CNT-Material auf einem Trägerband zu be ^¬ festigen. Dabei wird mindestens ein Leiter aus CNT-Material auf ein Trägerband gelegt und mit einem isolierenden Faden festgenäht. Entsprechend der Anwendung können die Befesti ^¬ gungsstiche in größere oder kleinere Abstände eingeteilt wer ^¬ den. Wenn das Band mit aufgenähtem CNT-Material zu einer Spu ^¬ le gewickelt werden soll, kann es vorteilhaft sein, wenn das CNT-Material auf dem Trägerband in Längsrichtung beweglich ist bzw. rutschen kann, um eine mögliche Faltenbildung zu vermeiden. In diesem Fall wären lockere Befestigungsstiche mit großen Abständen zweckmäßig.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die elektrotechnischen Komponenten in der Art hergestellt werden, dass CNT-Garne mit isolierenden Fasern verzwirnt werden.

In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass beim Verzwirnen isolierende Fasern um eine Ader oder mehrere Adern aus leit ^¬ fähigem CNT-Garn gewickelt wird bzw. werden.

In einer speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass auf eine zylinderförmige Anordnung eine Zylinderspule aus einer CNT-garnhaltigen elektrotechnischen Komponente gewebt wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass das CNT-Garn als Schussfaden im Herstellungsprozes s eingesetzt wird .

In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass abwechselnd mit einem isolierenden Schussfaden und dem CNT-Garn als Schussfaden im Prozessablauf gewebt wird.

In einer speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die elektrotechnischen Komponenten in der Art hergestellt werden, dass Spulen aus CNT-Garnen durch Rundstricken verarbeitet werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die elektrotechnischen Komponenten in der Art hergestellt werden, dass Kabel aus CNT-Garnen gewebt werden.

In einer speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die elektrische Isola ^¬ tion durch elektrisch isolierende Schussfäden sichergestellt wird, so dass die leitenden CNT-Garne auf einem definierten Abstand gehalten werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass mindestens ein Leiter aus CNT-Garn auf ein Trägerband gelegt und mit einem isolierenden Faden festgenäht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von elektro ^¬ technischen Komponenten mit CNT-Leiterwerkstoffen geht davon aus, dass die elektrotechnischen Komponenten mittels einer textilverarbeitenden Technik zu einer Leiteranordnung verarbeitet werden. Dabei ist die elektrotechnische Komponente, vorzugsweise als Leiter ausgebildet, welcher in einem ersten vorteilhaften Herstellungsprozes s CNT-Garne mit isolierenden Garnen durch Verzwirnen kombiniert. Weitere erfindungsgemäße Herstellverfahren bestehen darin, eine Spule durch Rundweben oder Rundstricken herzustellen oder Kabel durch Weben zu produzieren. Zudem ist es möglich, CNT-Garne auf ein Trägerband mittels eines isolierenden Fadens zu befestigen.

Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen Draufsicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrotechnischen Komponente, welche durch Verzwirnen von CNT-Garnen mit isolierenden Garnen hergestellt wird; Fig. 2 in einer perspektivischen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrotechnischen Komponente, welche durch Rundweben einer Spule hergestellt wird;

Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrotechnischen Komponente, welche durch Weben eines Kabels herge ^¬ stellt wird.

Fig. 4 zeigt in einer schematischen Darstellung ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrotechnischen Komponente, welche durch Festnähen eines CNT-Garns auf einem Trägerband mittels eines isolierenden Fadens herge- stellt wird.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungs ^¬ gemäßen elektrotechnischen Komponente 1, welche durch Ver- zwirnen von CNT-Garnen 2 mit isolierenden Garnen 3 herge- stellt wird. Das Herstellen eines elektrischen Leiters kann derart erfolgen, dass beim Verzwirnen isolierende Garne 3 um eine oder mehrere Adern aus leitfähigem CNT-Garn 2 angeordnet werden. Dadurch wirken die außen angeordneten isolierenden Garne 3 als elektrische Isolation. Ein solcher Zwirn kann mit textilverarbeitenden Prozessen weiterverarbeitet werden, beispielsweise zu Spulen oder Kabeln. An diesem erfindungsgemä ^¬ ßen Material sind die mechanische Belastbarkeit, insbesondere die Flexibilität und die Wechselspielfestigkeit besonders vorteilhaft .

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin ^¬ dungsgemäßen elektrotechnischen Komponente 1 dargestellt, welche durch Rundweben einer Spule hergestellt wird. Durch zylinderförmig angeordnete Stäbe oder Kettfäden 4 kann aus CNT-Material eine Zylinderspule gewebt werden. Dabei kann das CNT-Material als Schussfaden 5 verwendet. Je nach Anforderung an die elektrische Isolation zwischen den Windungen kann es sich beim CNT-Material auch um ein Material handeln, bei wel- ehern abwechselnd mit einem isolierenden Schussfaden und dem CNT-Material gewoben wird. Der isolierende Schussfaden dient dabei als Isolation zwischen den Windungen. Für den Fall, dass das CNT-Material eine sehr viel höhere Längsleitfähig ^¬ keit als Querleitfähigkeit aufweist, kann ggf. auch auf eine zusätzliche Isolation verzichtet werden.

Fig. 3 zeigt ein drittes Aus führungsbeispiel einer erfin ^¬ dungsgemäßen elektrotechnischen Komponente 1, welche durch Weben eines Kabels hergestellt wird. Durch die Verwendung von CNT-Kettfäden 6 kann beim Weben eines langgestreckten Stoffes ein Kabel hergestellt werden. Werden dabei elektrisch isolie ^¬ rende Schussfäden 7 verwendet, dienen diese der elektrischen Isolation und stellen sicher, dass die leitenden CNT-Fäden auf einem definierten Abstand gehalten werden. Ein solcher Bandleiter kann als Daten- oder Leistungskanal verwendet werden oder weiterverarbeitet werden beispielsweise zu Spulen.

Fig. 4 zeigt ein viertes Aus führungsbeispiel einer erfin ^¬ dungsgemäßen elektrotechnischen Komponente 1, welche durch Festnähen eines CNT-Garnes auf einem Trägerband 8 mittels ei ^¬ nes isolierenden Fadens 9 hergestellt wird. Dabei werden mehrere parallele Leiter aus CNT-Material auf ein Trägerband 8 gelegt und mit einem isolierenden Faden 9 festgenäht. Ent ^¬ sprechend der Anwendung können die Befestigungsstiche in grö ^¬ ßere oder kleinere Abstände eingeteilt werden. Wenn das Band mit aufgenähtem CNT-Material zu einer Spule gewickelt werden soll, kann es vorteilhaft sein, wenn das CNT-Material auf dem Trägerband 8 in Längsrichtung beweglich ist bzw. rutschen kann, um eine mögliche Faltenbildung zu vermeiden. In diesem Fall wären lockere Befestigungsstiche mit großen Abständen zweckmäßig .

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von elektro ^¬ technischen Komponenten mit CNT-Leiterwerkstoffen zeichnet sich dadurch aus, dass Herstellungsprozesse der Textilver- arbeitung zur Produktion elektrotechnischer Komponenten verwendet werden. Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Ver- fahrens besteht darin, durch die Kombination der so gefertig ^¬ ten elektrotechnischen Komponenten mit Verbundwerkstoffen eine elektrische Isolation einfach realisieren zu können. Die benötigten Isolationsabstande für die elektrotechnischen Kom- ponenten können ohne Zusatzaufwand durch Beabstandung der leitenden Nähte sichergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Herstellverfahren bieten eine hohe Flexibilität und viele De ^¬ signfreiheiten. So können beispielsweise durch einfaches Umprogrammieren einer Nähmaschine unterschiedliche Bauteile ge- fertigt werden. Zudem ermöglicht die hohe Flexibilität in der Prozessführung eine kostengünstige Herstellung von Kleinserien oder Einzelstücken. Außerdem werden keine zusätzlichen, speziell konfigurierten Maschinen benötigt, d.h., es ist möglich, auf bereits bewährte und verfügbare Maschinen, eventu- eil mit kleinen Anpassungen zurückzugreifen. Ebenso sind erforderliche Reparaturen auf einfache Art und Weise möglich.

Bezugszeichenliste

1 Elektrotechnische Komponente

2 CNT-Garn

3 Isolierendes Garn

4 Kett fäden

5 Schussfaden

6 CNT-Kettfäden

7 Isolierender Schussfaden

8 Trägerband

9 Isolierender Faden