由石墨烯和/或碳纳米管制成的带有经涂层的接合部位的电导体的制作方法

1.本发明涉及一种电导体。电导体具有由石墨烯和/或碳纳米管制成的能导电的材料，其中，端部区域为了更好地接触而被涂层。此外，本发明还涉及一种用于制造这种电导体的制造方法。


背景技术：

2.备选的电导体材料基于碳纳米管和/或石墨烯薄片。碳纳米管和石墨烯薄片的电导率超过了铜的电导率。这些备选的电导体材料的出众之处除了它们约2 g/cm3（反之，铜具有8.95 g/cm3的密度）的很小的密度外还在于它们的柔软性，柔软性允许了这些导体材料对应外力作用地改变它们的横截面。因此可以在由许多单导体构成的封装中通过力的使用这样来提高封装密度，使得几乎不再存在空腔。对铜导体而言，由于它们的径向刚性，这是不可能的。
3.按照现有技术，通过不同的方法来制造作为导体材料的石墨烯膜或碳纳米管膜。在wo 2007/015710 a2中示出了由所谓的cnt森林制造cnt带。所述带是能导电的并且以高断裂伸长率和高抗拉强度而出众。cnt带的备选的制造方法在us8999285b2中说明。在此通过合成cnt气凝胶进行制造。这种cnt气凝胶在离开反应器时被加工成带。wo 2013/034672公开了另一种基于碳纳米管制造带的方法。在此，碳纳米管分散在超强酸中并且紧接着通过湿纺加工成纤维或也加工成带。
4.对商业上有利可图的制造方案而言，仅使用石墨作为原料。在cn 108892134a中，石墨粉借助所谓的hummers法湿化学地插入并氧化成氧化石墨烯。然后将净化的氧化石墨烯分散体加工成膜并且紧接着通过热处理还原成石墨烯膜。在cn107221387a 中直接由水分散体制造石墨烯膜。在de102018200236a1中表明，在制造氧化石墨烯分散体时已经可以进行金属掺杂。在将石墨烯膜涂敷到基材上并干燥后，在进一步的步骤中移除作为表面活性物质实现水分散体的分散剂。
5.在us 8,999,212 b2中公开了由石墨烯制造纤维。在此，石墨烯通过碳纳米管的单侧的轴向分离获取。之后将石墨烯分散在超强酸中并且紧接着借助湿纺加工成纤维。对石墨烯纤维的制造而言特别优选的是用氧化石墨烯制造，氧化石墨烯由石墨通过湿化学氧化、如hummers法制造。因为这种制造途径以石墨为原料，所以原料成本与上述方法相比降低了一至两个量级。在cn105603581a、cn105544016a和cn105544017a中公开了这样的制造方法。在制造过程结束时，需要在高达3000℃的温度下进行热处理以提高电导率。
6.可以如在wo18177767a1中那样通过边缘层的氟化实现基于石墨的导体、如膜、纤维和纱线的绝缘，边缘层在此变为绝缘体并且因此对膜进行电屏蔽。此外，也通过涂敷聚合物实现电绝缘，如在wo13051761a1中所示的那样。
7.如在wo18233897 a1或wo18158003 a1中所示那样将这些电导体使用在电动马达中。 由wo 2015004467 a2已知用专门修正的焊料来焊接碳基导体材料。与cnt纱线相比，通
过添加1-10%质量百分比的过渡金属取得了积极的结果。


技术实现要素：

8.按本发明的基于石墨烯和/或碳纳米管的电导体使得能这样修正所制造的有待接触的接合部位，使得这些接合部位可以用标准焊料焊接到金属处。
9.按本发明的电导体具有能导电的材料。能导电的材料包括石墨烯和/或碳纳米管。此外，电导体具有接合部位。电导体优选可以在能导电的材料的外圆周处具有电绝缘结构。在接合部位处设有金属涂层，所述金属涂层构造用于使电导体与金属的导体元件材料接合地连接并且与能导电的材料处于直接接触。因此简化了电导体的电接触。尤其可以使用标准焊料将电导体在涂层处与金属的导体元件焊接。接合部位的金属涂层具有金属，该金属在所述涂层的边界层中通过涂层的金属与能导电的材料的碳的反应而形成了碳化物。这些碳化物尤其通过所使用的金属与电导体的碳在涂层过程期间的反应产生。通过碳化物尤其仅稍微提高了接触阻力并且因此给定了高的电导率，其中，同时形成了特别是材料接合的连接。因此使得能用常用的标准焊料焊接接合部位，以便建立起与其它构件的电接触。
10.从属权利要求表明了本发明的优选的扩展设计方案。
11.金属涂层优选包含钛和/或锆和/或铁和/或钒和/或铌和/或钼和/或铪和/或钽和/或钨。这些材料适用于对电导体涂层。这些材料尤其使得能形成之前所述的碳化物，因而涂层具有小的电阻。
12.涂层优选是等离子体涂层。因此一方面能简单和利于成本地施加涂层，并且另一方面则实现了电导体的可靠的和低阻的电接触。
13.此外，优选在涂层的边界层中还形成了氮化物。这些氮化物负责减小在涂层和能导电的材料之间的接触电阻。因此借助涂层实现了电导体的最优的电接触。
14.本发明额外涉及一种电机。这种电机具有线圈绕组，线圈绕组由如之前所说明那样的电导体形成。线圈绕组尤其是电机的转子的或定子的绕组。使用包括石墨烯和/或碳纳米管的能导电的材料实现了电导体的柔软的、纺织的特性。这有利于形成转子或定子处的电绕组。通过金属涂层实现了线圈的最优的电接触。
15.此外，本发明还涉及一种用于制造电导体的方法。为此实施下列步骤：先提供包括石墨烯和/或碳纳米管的能导电的材料。这种材料通常无法或很难焊接并且因此很难与其它部件、特别是其它电导体元件电连接。因此进行通过用金属涂层对能导电的材料的预定义的分区涂层来形成电导体的接合部位的步骤。通过金属涂层实现了导体的简单的和低阻的电连接。尤其可以借助简单的标准焊料建立起焊接连接。金属涂层具有金属，金属在与电导体接触时特别是在提高的温度下在金属涂层的边界层中至少部分形成了碳化物。这些碳化物尤其通过所使用的金属与电导体的碳在涂层过程期间的反应产生。通过碳化物尤其仅轻微提高了接触电阻并且因此给定了连接部位的高的电导率，其中，同时形成了特别是材料接合的连接。因此使得能用常见的标准焊料来焊接接合部位，以便建立起与其它构件的电接触。
16.优选用钛和/或锆和/或铁和/或钒和/或铌和/或钼和/或铪和/或钽和/或钨进行涂层。这些材料适用于对电导体涂层。这些材料尤其使得能形成之前所述的碳化物，因而涂层具有小的电阻。
17.涂层过程有利地使用了热喷涂方法。这种方法尤其是电弧喷涂、常规和高速火焰喷涂、冷气喷涂、等离子喷涂和激光束喷涂。在这些方法中，借助等离子喷涂的涂层尤为优选。因此一方面能简单和利于成本地施加涂层，并且另一方面则能实现电导体的可靠的和低电阻的电接触。
18.特别有利地将氮添加给用于等离子喷涂的惰性气体。这使得能在金属涂层中形成氮化物。由此可以抑制碳化物的形成。当碳化物具有比氮化物更小的电导率时，这是有利的，因为在这种情况下金属涂层可以提升其电导率。相应的氮化物特别有利地具有比同一金属的相应的碳化物更高的电导率。当使用钛和/或锆和/或铪作为用于涂层的金属时，优选就执行氮的添加。
19.特别有利地仅在等离子喷涂开始时才添加氮，因而完成了仅针对涂层的与电导体处于接触的那一部分的添加。在预定义的时间段结束之后，不再添加惰性气体。因此使得仅在涂层的边界层中形成了氮化物，在所述边界层中，涂层具有与能导电的材料的直接接触，并且在所述边界层中形成了碳化物。氮化物由此尤其仅形成在那些为了减小电阻而需要它们的地方。
附图说明
20.接下来参考附图详细说明本发明的实施例。
21.图1是按照本发明的一种实施例的电导体的示意图；并且图2是按照本发明的一种实施例的电机的示意图。
具体实施方式
22.图1示意性地示出了按照本发明的一种实施例的电导体1。电导体1具有能导电的材料2，所述材料包括石墨烯和/或碳纳米管。在电导体1处构造有接合部位3、4，在所述接合部位处可以建立起电导体1与其它金属的电导体元件的材料接合的连接。接合部位3、4尤其允许了电导体1的焊接。在所示的实施例中，接合部位3、4涉及到第一端部3和第二端部4，其中，接合部位3、4也可以构造在电导体1的任意其它部位处。电导体1优选构造成用于电机10（参看图2）的转子12或定子11的线圈绕组7。
23.通过由上述材料制造电导体1，使得电导体1最优地适合用作电机10的线圈绕组7。不过包括石墨烯和/或碳纳米管的能导电的材料2很难电接触、特别是焊接。因此在接合部位3、4处，这就是说在第一端部3和第二端部4处设有金属的涂层6。金属的涂层6被施加到能导电的材料2上并且与这种能导电的材料直接接触。
24.金属的涂层6借助热喷涂和特别是借助等离子喷涂施加。为此设有等离子体喷射器8，其将等离子体束9对准能导电的材料2的预定义的分区5，以便形成接合部位3、4。金属粉末被喷入到等离子体束中，金属粉末在其击中预定义的分区5的表面之前熔化。可以同时或前后相继地形成接合部位3、5，这就是说在第一端部3处对分区5涂层和在第二端部4处对分区5涂层。
25.等离子喷涂使得能将钛和/或锆和/或铁和/或钒和/或铌和/或钼和/或铪和/或钽和/或钨施加到电导体2上。这些材料与能导电的材料2的碳一起形成碳化物。这些碳化物又具有低电阻。因此形成了涂层6的边界层，涂层6的金属在该边界层处与能导电的材料2的碳
发生反应并且形成所述碳化物。因此通过这种金属涂层6可以实现电导体1的最佳的电接触，电导体1尤其可以通过涂层6与其它部件焊接。为此可以有利地使用常见的标准焊料，尤其无需使用专门适配的焊料。
26.优选在涂层过程开始时，将氮混入到等离子体涂层所需的惰性气体中。因此用于涂层的金属会形成氮化物，氮化物具有比所用金属的相应的碳化物更高的电导率。通过仅在涂层过程开始时进行添加，使得氮化物仅形成在涂层6与电导体2直接接触的地方，这就是说，形成在涂层的边界层处。添加氮有利于用钛和/或锆和/或铪进行涂层。
27.如已经说明的那样，电导体1最优地适用于电机10的绕组。在图2中示出了按本发明的一种实施例的电机10。这个电机10具有定子11和转子12，其中，电导体1的线圈绕组7尤其是定子11的绕组。由于能导电的材料2的纺织特性，这种绕组能简单和低耗费地制造以及稳健地不受外部影响。此外，由于金属涂层6，能实现电导体1与其它金属的能导电的部件的简单的和低耗费的材料接合的连接，因而简化了电机10的安装。材料接合的连接尤其是焊接并且因此是低阻的电接触。