| JP10125147 | OXIDE SUPERCONDUCTING WIRE MATERIAL |
| JP3724242 | Nb3A1 SUPERCONDUCTOR AND ITS MANUFACTURE |
| JP01163909 | NORMAL TEMPERATURE SUPERCONDUCTIVE WIRE |
SCHNIEDERS, Johannes (Pirmasenser Strasse 120, Nürnberg, 90469, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen eines strangförmigen Elements (150), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass (a) zumindest ein Faserabschnitt (40) einer Faser (50) in ein Bad (10) eingetaucht wird, das ein flüssiges Hilfsmaterial (20) und darin befindliche Nanoröhrchen (30) enthält, (b) der Faserabschnitt aus dem Bad entnommen wird und die auf dem Faserabschnitt verbliebenen Nanoröhrchen des Bades auf dem Faserabschnitt eine Nanoröhrchenschicht bilden, c) mit der zumindest abschnittsweise mit Nanoröhrchen beschichteten Faser das strangförmige Element gebildet wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schritte a) und b) zumindest einmal wiederholt werden. 3. Verfahren 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 auf dem Faserabschnitt verbliebenes flüssiges Hilfsmaterial nach der Entnahme des Faserabschnitts aus dem Bad fest wird und gemeinsam mit den darin befindlichen Nanoröhrchen auf dem Faserabschnitt eine feste nanoröhrchenhaltige Hilfsschicht als Nanoröhrchenschicht bildet. 4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Temperatur (Ti) des Bades derart eingestellt wird, dass das Hilfsmaterial schmilzt und die Nanoröhrchen in dem geschmolzenen Hilfsmaterial schwimmen, und die Außentemperatur (Ta) außerhalb des Bades auf einen Wert unterhalb der Schmelztemperatur des Hilfsmaterials eingestellt wird, so dass nach der Entnahme des Faserabschnitts aus dem Bad das auf dem Faserabschnitt verbliebene flüssige Hilfsmaterial erstarrt und dabei die feste na- noröhrchenhaltige Hilfsschicht bildet. 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als flüssiges Hilfsmaterial ein Lösungsmittel mit darin gelöstem Beschichtungsmaterial verwendet wird und - das Lösungsmittel nach der Entnahme des Faserabschnitts aus dem Bad verdampft und dadurch aus den Nanoröhrchen und dem Beschichtungsmaterial die feste nanoröhrchenhaltige Hilfsschicht gebildet wird. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 3-5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass nachdem die nanoröhrchenhaltige Hilfsschicht auf dem Faserabschnitt die vorgegebene Dicke (d) erreicht hat, das Hilfsma- terial oder das Beschichtungsmaterial in der nanoröhrchenhal- tigen Hilfsschicht durch ein Metall unter Bildung einer nano- röhrchenhaltigen Metallschicht (160) ersetzt wird. 7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die nanoröhrchenhaltige Metallschicht gebildet wird, indem - die mit der nanoröhrchenhaltigen Hilfsschicht versehene Faseroberfläche in ein flüssiges Metallbad (100) eingetaucht wird, und - das Hilfsmaterial oder das Beschichtungsmaterial in der na- noröhrchenhaltigen Hilfsschicht durch Metall des Metallbades ersetzt wird und sich bei Entnahme des Faserabschnitts aus dem Metallbad die nanoröhrchenhaltige Metallschicht bildet. 8. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Hilfsmaterial oder das Beschichtungsmaterial von der Faser entfernt und eine hilfsmaterialfreie bzw. beschichtungs- materialfreie Nanoröhrchenschicht auf der Faseroberfläche gebildet wird. 9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Entfernen des Hilfsmaterials bzw. des Beschichtungsmate- rials durch Schmelzen oder Verdampfen oder chemisch, insbesondere mit einem Lösungs- oder Ätzmittel, erfolgt. 10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die mit der Nanoröhrchenschicht versehene Faseroberfläche metallisiert wird. 11. Verfahren 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 die Faser mit anderen Fasern unter Bildung eines Garnes oder Zwirns zusammengedreht oder verflochten oder auf andere Weise verbunden wird und das Garn oder das Zwirn in der in den Ansprüchen 1-10 be- schriebenen Weise zumindest abschnittsweise mit einer na- noröhrchenhaltigen Hilfsschicht und/oder mit einer Nanoröhrchenschicht und/oder mit einer nanoröhrchenhaltigen Metallschicht beschichtet wird. 12. Verfahren 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 die beschichtete Faser, das beschichtete Garn oder das beschichtete Zwirn nachfolgend verseilt wird. 13. Verfahren 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 die Nanoröhrchen Kohlenstoffnanoröhrchen sind und/oder als Faser eine Kohlenstofffaser verwendet wird. 14. Verfahren 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 als Hilfsmaterial Wachs oder eine Emulsion verwendet wird. 15. Strangförmiges Element (150), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das strangförmige Element mindestens eine Faser (50) aufweist, die zumindest abschnittsweise mit einer Nanoröhrchen- schicht oder nanoröhrchenhaltigen Metallschicht (160) verse- hen ist. |
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines strangförmigen Elements anzugeben, mit dem sich besonders gute mechanische und/oder elektrische Eigenschaften des strangförmigen Elements erreichen lassen und das sich einfach und kostengünstig durchführen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass - in einem
Schritt (a) - zumindest ein Faserabschnitt einer Faser in ein Bad eingetaucht wird, das ein flüssiges Hilfsmaterial und darin befindliche Nanoröhrchen enthält, - in einem Schritt (b) - der Faserabschnitt aus dem Bad entnommen wird und die auf dem Faserabschnitt verbliebenen Nanoröhrchen des Bades auf dem Faserabschnitt eine Nanoröhrchenschicht bilden, und - in einem Schritt c) - mit der zumindest abschnittsweise mit Nanoröhrchen beschichteten Faser das strangförmige Element gebildet wird. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass sich mit diesem beispielsweise elektrische Leiter mit sehr geringem Gewicht, aber dennoch sehr guten Leitfähigkeitswerten herstellen lassen. Werden beispiels- weise Kohlenstoffnanoröhrchen, fachsprachlich CNTs (CNT: Carbon nanotubes) auf einer Kohlenstofffaser abgeschieden, so lassen sich in sehr einfacher Weise hochleitfähige Leiter mit - im Vergleich zu Metallleitern - geringerem Gewicht herstellen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens basiert auf dem Einsatz eines Beschichtungsbades . Ein Beschichtungsbad ermöglicht einen großen Faserdurchsatz bei geringen Kosten und ist daher für eine industrielle Produkti- on sehr geeignet.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass es - je nach Verfahrensführung - bei der Entnahme des Faserabschnitts aus dem Bad, also während der Schichtbildung auf der Faser, zu einer Vorzugsausrichtung der Nanoröhrchen kommen kann. Wenn die Nanoröhrchen hauptsächlich oder überwiegend parallel zur Faserlängsrichtung, oder zumindest näherungsweise parallel zur Faserlängsrichtung, ausgerichtet werden, so können die Nano- röhrchen, sofern sie elektrisch leitfähig sind, zu einer besonders hohen Leitfähigkeit der beschichteten Faser und damit zu einer besonders hohen Leitfähigkeit des strangförmigen Elements beitragen. Eine solche Vorzugsausrichtung der Nanoröhrchen ist vorteilhaft, aber selbstverständlich nicht zwin- gend nötig. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch mechanisch sehr stabile strangförmige Elemente bilden, beispielsweise hochbelastbare Zugseile oder dergleichen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Schritte a) und b) zumindest einmal, vorzugsweise mehrfach wiederholt werden, um die
Schichtdicke der Nanoröhrchenschicht auf dem Faserabschnitt zu erhöhen. Bei dieser Vorgehensweise wird die Schichtdicke wie bei einem Kerzenziehverfahren, bei dem ein Docht wiederholt in ein Wachsbad eingetaucht oder wiederholt durch ein Wachsbad hindurch gezogen wird, durch Auftragen neuer Nano- röhrchenschichten auf bereits vorhandenen Nanoröhrchenschich- ten erhöht bzw. vervielfacht, wobei die Faser stets konzen- trisch in der Mitte angeordnet bleibt. Die Schritte a) und b) können quasi beliebig oft wiederholt werden, bis die Nanoröhrchenschicht auf dem Faserabschnitt eine gewünschte bzw. vorgegebene Sollschichtdicke erreicht hat. Um eine gleichmäßige Verteilung der Nanoröhrchen auf der Faser zu erreichen, kann der im Bad befindliche Faserabschnitt beispielsweise geschwenkt, insbesondere entlang der Faserlängsrichtung oder quer zur Faserlängsrichtung, oder um die eigene Achse rotiert oder in anderer Weise bewegt werden; als besonders vorteilhaft wird jedoch eine Rotationsbewegung um die Mittelachse der Faser angesehen.
Als besonders bevorzugt wird es angesehen, wenn die Entnahme des Faserabschnitts aus dem Bad entlang der Faserlängsrich- tung der Faser erfolgt, um eine bevorzugte Ausrichtung der Nanoröhrchen parallel zur Faserlängsrichtung zu erreichen. Vorzugsweise wird ein Hilfsmaterial verwendet, das es ermöglicht, dass auf dem Faserabschnitt verbliebenes flüssiges Hilfsmaterial nach der Entnahme des Faserabschnitts aus dem Bad fest wird und gemeinsam mit den darin befindlichen Nano- röhrchen auf dem Faserabschnitt eine feste nanoröhrchenhalti- ge Hilfsschicht als Nanoröhrchenschicht bildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahren ist vorgesehen, dass die Temperatur des Bades derart eingestellt wird, dass das Hilfsmaterial schmilzt und die Nanoröhrchen in dem geschmolzenen Beschichtungsmaterial schwimmen, und die Umgebungstemperatur außerhalb des Bades auf einen Wert unterhalb der Schmelztemperatur des Hilfsmaterials eingestellt wird, so dass nach der Entnahme des Faserabschnitts aus dem Bad das auf dem Faserabschnitt verbliebene flüssige Hilfsma- terial erstarrt und dabei die feste nanoröhrchenhaltige
Hilfsschicht bildet.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass als flüssiges Hilfsmaterial ein in einem Lösungsmittel gelöstes Beschichtungsmaterial verwendet wird und das Lösungsmittel nach der Entnahme des Faserabschnitts aus dem Bad verdampft und dadurch aus den Nanoröhrchen und dem Beschichtungsmaterial die feste nanoröhrchenhaltige Hilfsschicht ge- bildet wird.
Nachdem die nanoröhrchenhaltige Hilfsschicht auf dem Faserabschnitt die vorgegebene Dicke erreicht hat, sei es nach einem einmaligen Eintauchen in das Bad oder nach einem mehrmaligen Eintauchen in das Bad, wird das Hilfsmaterial oder das Beschichtungsmaterial in der nanoröhrchenhaltigen Hilfsschicht vorzugsweise durch ein Metall unter Bildung einer nanoröhr- chenhaltigen Metallschicht ersetzt. Als Metall wird bevorzugt Kupfer oder Aluminium eingesetzt.
Die nanoröhrchenhaltige Metallschicht lässt sich besonders einfach und damit vorteilhaft bilden, indem die mit der nano- röhrchenhaltigen Hilfsschicht versehene Faseroberfläche in ein flüssiges Metallbad eingetaucht wird, in dem Metallbad das Hilfsmaterial bzw. Beschichtungsmaterial geschmolzen oder verdampft wird, das Hilfsmaterial oder das Beschichtungsmate- rial in der nanoröhrchenhaltigen Hilfsschicht durch Metall des Metallbades ersetzt wird und sich bei Entnahme des Faserabschnitts aus dem Metallbad die nanoröhrchenhaltige Metallschicht bildet. Alternativ kann das Hilfsmaterial oder das Beschichtungsmaterial auch in einem separaten Schritt von der Faser entfernt werden, so dass eine hilfsmaterialfreie bzw. beschichtungsma- terialfreie Nanoröhrchenschicht bzw. Nanoröhrchenstruktur auf der Faseroberfläche gebildet wird. Die Nanoröhrchen werden in der hilfsmaterialfreien bzw. beschichtungsmaterialfreien Nanoröhrchenschicht untereinander bzw. miteinander verhakt oder vernetzt sein, so dass sie von der Faser nicht, zumindest nicht in einem signifikanten Umfang, abfallen können. Beispielsweise bilden die Nanoröhrchen in der hilfsmaterialfrei- en bzw. beschichtungsmaterialfreien Nanoröhrchenschicht eine netz- oder gitterartige bzw. eigenvernetzte Struktur.
Das Entfernen des Hilfsmaterials bzw. des Beschichtungsmate- rials kann in besonders einfacher Form beispielsweise durch Schmelzen oder Verdampfen oder chemisch, insbesondere mit einem Lösungs- oder Ätzmittel, erfolgen. Nachfolgend wird die mit der Nanoröhrchenschicht versehene Faseroberfläche vorzugsweise metallisiert, um die elektrische Leitfähigkeit und/oder die mechanische Stabilität zu erhöhen. Vorzugsweise wird das Metallisieren durch ein Verschmelzen mit einem Metall erfolgen, beispielsweise durch ein Eintauchen in ein Metallbad mit geschmolzenem Metall.
Das beschriebene Verfahren kann mit Einzelfasern durchgeführt werden; im Hinblick auf eine größere mechanische Festigkeit des herzustellenden strangförmigen Elements wird es jedoch als vorteilhaft angesehen, wenn die Faser mit anderen Fasern unter Bildung eines Garnes oder Zwirns oder fadenförmiges Geflechts zusammengedreht oder verflochten oder auf andere Weise verbunden wird und das Garn oder das Zwirn oder das faden- förmige Geflecht in der oben beschriebenen Weise zumindest abschnittsweise mit einer nanoröhrchenhaltigen Hilfsschicht und/oder mit einer Nanoröhrchenschicht und/oder mit einer nanoröhrchenhaltigen Metallschicht beschichtet wird. Im Übrigen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die beschichtete Faser, das beschichtete Garn, das beschichtete Zwirn oder das beschichtete fadenförmige Geflecht nachfolgend verseilt wird, beispielsweise gemeinsam mit Kupferdrähten. Das entstehende Seil kann vorzugsweise mit einem Harz vergos- sen werden.
Auch kann das hergestellte strangförmige Element, sei es als beschichtete Faser, als beschichtetes Garn, als beschichteter Zwirn oder als beschichtetes fadenförmiges Geflecht oder als Seil zu einem flächigen Geflecht, beispielsweise einer Matte oder dergleichen, weiterverarbeitet werden. Mit Blick auf optimale elektrische Eigenschaften des strang- förmigen Elements wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Nanoröhrchen Kohlenstoffnanoröhrchen sind und/oder als Faser eine Kohlenstofffaser verwendet wird.
Als Hilfsmaterial kann beispielsweise ein Wachs oder eine Emulsion verwendet werden.
Als Erfindung wird außerdem ein strangförmiges Element ange- sehen, das mindestens eine Faser aufweist, die zumindest abschnittsweise mit einer Nanoröhrchenschicht oder nanoröhr- chenhaltigen Metallschicht versehen ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie- len näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
Figur 1 ein Bad mit einer darin abschnittsweise befindlichen Faser,
Figur 2 die Faser nach der Entnahme aus dem Bad,
Figur 3 die Faser nach einem erneuten Eintauchen in das Bad,
Figur 4 die Faser nach der Entnahme aus dem Bad nach dem erneuten Eintauchen,
Figur 5 ein Metallbad zum Metallisieren der Faser,
Figur 6 die Faser nach dem Metallisieren und
Figur 7 ein Ausführungsbeispiel zum automatisierten
Beschichten einer Faser mit Nanoröhrchen. In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet . In der Figur 1 sieht man ein Bad 10, das ein Hilfsmaterial 20 enthält. Bei dem Hilfsmaterial handelt es sich beispielsweise um Wachs. In dem Wachs befinden sich Kohlenstoffnanoröhrchen 30. Die Temperatur Ti des Bades 10 ist derart eingestellt, dass das Wachs geschmolzen ist und die Kohlenstoffnanoröhrchen 30 in dem geschmolzenen Wachs schwimmen können. Die Außentemperatur Ta, also die Umgebungstemperatur außerhalb des Bades 10, weist einen Wert unterhalb der Schmelztemperatur des Wachses auf.
Wie sich in der Figur 1 erkennen lässt, befindet sich ein Faserabschnitt 40 einer Kohlenstofffaser 50 abschnittsweise in dem Bad 10. Die Oberfläche des Faserabschnitts 40 tritt also mit dem Wachs und den Kohlenstoffnanoröhrchen in Kontakt.
Wird der Faserabschnitt 40 wieder aus dem Bad 10 entnommen, beispielsweise entlang der Faserlängsrichtung Pl aus dem Bad 10 gezogen, so wird das auf dem Faserabschnitt verbliebene Wachs erstarren und dabei eine feste nanoröhrchenhaltige
Hilfsschicht in Form einer nanoröhrchenhaltigen Wachsschicht bilden. Dies zeigt beispielhaft die Figur 2.
Man erkennt in der Figur 2 die Kohlenstofffaser 50 sowie die feste nanoröhrchenhaltige Wachsschicht 60 auf dem Faserabschnitt 40. Außerdem sieht man, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen 30 in der nanoröhrchenhaltigen Wachsschicht eine Vorzugsrichtung aufweisen können; so erstrecken sich die Koh- lenstoffnanoröhrchen 30 vornehmlich in der Faserlängsrichtung.
Um eine möglichst gleichmäßige Dickenverteilung der festen nanoröhrchenhaltigen Wachsschicht 60 zu erreichen, wird die Kohlenstofffaser 50 in dem Bad 10 beispielsweise gedreht, wie dies der Pfeil P2 in der Figur 1 andeutet.
Ist die Dicke d der nanoröhrchenhaltigen Wachsschicht 60 noch nicht ausreichend groß, so kann der Beschichtungsvorgang - analog zu einem Kerzenziehverfahren - beliebig häufig wiederholt werden, um die Dicke zu erhöhen.
Die Figur 3 zeigt den mit der nanoröhrchenhaltigen Wachs- Schicht 60 beschichteten Faserabschnitt 40, nachdem die Kohlenstofffaser 50 erneut in das Bad 10 eingetaucht worden ist.
Bei einem erneuten Herausziehen des Faserabschnitts 40 aus dem Bad 10, vorzugsweise entlang der Faserlängsrichtung Pl, wird auf dem Faserabschnitt erneut flüssiges Wachs verbleiben und dort erstarren und dabei die Dicke der Wachsschicht erhöhen. Dies zeigt beispielhaft die Figur 4.
Ist die Dicke der Wachsschicht 60 ausreichend groß, so wird das Wachs der nanoröhrchenhaltigen Wachsschicht 60 durch ein Metall ersetzt, und es wird eine nanoröhrchenhaltige Metallschicht gebildet. Ein solches Ersetzen des Wachses kann beispielsweise in einem flüssigen Kupfer- oder Aluminiumbad 100 erfolgen, wie dies beispielhaft die Figur 5 zeigt.
In dem Kupfer- oder Aluminiumbad 100 wird das Wachs schmelzen oder verdampfen, wobei jedoch die Kohlenstoffnanoröhrchen 30 auf dem Faserabschnitt 40 verbleiben; denn die Kohlenstoffna- noröhrchen 30 sind in erheblichem Umfange oder vollständig untereinander bzw. miteinander verhakt oder vernetzt, so dass sie von der Kohlenstofffaser 50 nicht, zumindest nicht in einem signifikanten Umfang, abfallen können. Beispielsweise bilden die Kohlenstoffnanoröhrchen 30 auf der Kohlenstofffaser 50 eine netz- oder gitterartige bzw. eigenvernetzte
Struktur .
Wird die Kohlenstofffaser 50 anschließend aus dem Kupfer- oder Aluminiumbad 100 entnommen, so entsteht ein strangförmi- ges Element 150 mit der Kohlenstofffaser 50 im Zentrum und einer nanoröhrchenhaltige Metallschicht 160 außen herum. Dies zeigt beispielhaft die Figur 6. Das strangförmige Element 150 kann anschließend weiterverarbeitet werden, beispielsweise verseilt und als Leiter in einem herkömmlichen Verfahren weiterverarbeitet werden.
Die Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum automatisierten Beschichten einer Kohlenstofffaser 50 mit Kohlenstoffnano- röhrchen 30. Man sieht eine mit der Kohlenstofffaser 50 gebildete Faserschleife 200, die über eine oder mehrere Umlenkrollen 210 geführt und entlang der Pfeilrichtung P3 gedreht bzw. rotiert wird, so dass sich stets ein Faserabschnitt 220 innerhalb eines nanoröhrchenhaltigen Wachsbads 230 und die übrige Faser 240 außerhalb des Wachsbads 230 befindet. Durch ein wiederholtes Durchtauchen der Kohlenstofffaser 50 durch das Wachsbad 230 lässt sich die Dicke d der resultierenden nanoröhrchenhaltigen Wachsschicht 60 (vgl. Figuren 2 und 4) auf der Kohlenstofffaser 50 beliebig einstellen. Bezugszeichen
10 Bad
20 Hilfsmaterial
30 Kohlenstoffnanoröhrchen
40 Faserabschnitt
50 Kohlenstofffaser
60 nanoröhrchenhaltige Wachsschicht
100 Kupfer- oder Aluminiumbad
150 strangförmiges Element
160 nanoröhrchenhaltige Metallschicht
200 Faserschleife
210 Umlenkrolle
220 Faserabschnitt
230 Wachsbad
240 übrige Faser
d Dicke
Pl Faserlängsrichtung
P2 Pfeilrichtung
P3 Pfeilrichtung
Ta Außentemperatur
Ti Badtemperatur