DE19836651A1 - Electrode for electrochemical capacitors has a carbon glass layer applied to a metal sheet support - Google Patents
Electrode for electrochemical capacitors has a carbon glass layer applied to a metal sheet supportInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Glaskohlenstoff- Elektroden. Sie betrifft eine Elektrode für elektrochemische Anwendungen, welche aus mehreren leitenden Schichten aufgebaut ist. Sie betrifft des weiteren Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektrode und ihre Verwendungen.The present invention relates to the field of glassy carbon Electrodes. It relates to an electrode for electrochemical applications, which is made up of several conductive layers. It also concerns proceedings for the manufacture of such an electrode and its uses.
Kohlenstoffmaterialien werden in zahlreichen elektrochemischen Anwendungen vorteilhaft als Elektrodenwerkstoffe verwendet. Dabei muss eine hohe spezifische Oberfläche (100-1000 m2/gr) angestrebt werden, damit die elektrochemischen Reak tionen effizient ablaufen. Kohlenstoff wird deshalb vor allem in Pulverform als Elek trode verwendet. Damit entsteht die Aufgabe, aus dem losen Kohlepulver dünne, flächenförmige Elektroden zu formen. Man benutzt dazu meist Bindemittel, die das feinteilige Pulver kompaktieren; ausserdem werden Metallgitter verwendet, in die das Kohlepulver/Bindemittel-Gemisch eingepresst wird. Angestrebt wird bei dieser Tech nik ein optimaler Kompromiss zwischen einerseits grosser spezifischer Oberfläche infolge lockerer Packung und andererseits guter elektrischer Leitfähigkeit, die durch möglichst dichte Packung der Pulverpartikel erzielt wird. Nur hohe spezifische Ober fläche in Kombination mit hinreichender Leitfähigkeit ergeben Elektroden mit hoher elektrochemischer Effizienz. Zahlreiche Methoden, die zu einem möglichst optimalen Kompromiss führen, sind bekannt.Carbon materials are advantageously used as electrode materials in numerous electrochemical applications. A high specific surface area (100-1000 m 2 / gr) must be aimed for so that the electrochemical reactions take place efficiently. Carbon is therefore mainly used in powder form as an electrode. This creates the task of forming thin, sheet-like electrodes from the loose carbon powder. For this purpose, binders are usually used that compact the fine powder; In addition, metal grids are used, into which the carbon powder / binder mixture is pressed. This technology strives for an optimal compromise between, on the one hand, a large specific surface due to loose packing and, on the other hand, good electrical conductivity, which is achieved by packing the powder particles as densely as possible. Only high specific surface areas in combination with sufficient conductivity result in electrodes with high electrochemical efficiency. Numerous methods that lead to the best possible compromise are known.
Ein Werkstoff, der beide der obigen Forderungen hervorragend erfüllt, ist Glaskoh lenstoff (Glassy Carbon, GK). Seine Dichte ist ca. 1.5 g/cm3, etwa 65% von Graphit (Glassy Carbon, T.X. Neeman et al. in Polymeric Materials Encyclopedia, Editor in Chief: Joseph C. Salamone, p. 2790, CRC Press, 1996). Es ist also ein Porenvolu men von bis zu 35 Vol.% vorhanden. Glaskohlenstoff ist jedoch in unbearbeiteter Form flüssigkeits- und gasdicht; die Poren sind folglich voneinander isoliert und von der Oberfläche her nicht zugänglich. Die elektrische Leitfähigkeit von Glaskohlenstoff liegt bei 200 (Ωcm)-1. Durch teilweisen oxidativen Abbau des Materials - entweder elektrochemisch oder thermisch - lassen sich die oberflächennahen Poren aber zu gänglich machen: Mit einer solchen Aktivierung erhält man eine hohe spezifische Oberfläche in der Randzone, d. h. auf der Aussenseite, das verbleibende Gerüst der aktivierten Zone aus amorphem Glaskohlenstoff behält dabei aber seine hohe Leit fähigkeit. Aktivierter Glaskohlenstoff bietet einen besonders vorteilhaften Elektro denwerkstoff.A material that excellently meets both of the above requirements is glassy carbon (GK). Its density is about 1.5 g / cm 3 , about 65% of graphite (Glassy Carbon, TX Neeman et al. In Polymeric Materials Encyclopedia, Editor in Chief: Joseph C. Salamone, p. 2790, CRC Press, 1996). So there is a pore volume of up to 35% by volume. However, vitreous carbon is liquid and gas tight in its unprocessed form; the pores are therefore isolated from one another and are not accessible from the surface. The electrical conductivity of glassy carbon is 200 (Ωcm) -1 . Partial oxidative degradation of the material - either electrochemically or thermally - can make the pores near the surface accessible: With such an activation, a high specific surface area is obtained in the peripheral zone, i.e. on the outside, the remaining framework of the activated zone made of amorphous glassy carbon but maintains its high conductivity. Activated glassy carbon offers a particularly advantageous electrode material.
Nachteilig bei der Anwendung von Glaskohlenstoff in grossen technischen elektro chemischen Zellen sind seine mechanischen Eigenschaften: Sehr grosse Härte, ver bunden mit extremer Sprödigkeit. Folien mit Dicken zwischen 50 µm und 500 µm wer den mit zunehmender Flächengrösse schwieriger zu handhaben; sie brechen äusserst leicht, und dies besonders bei lokaler mechanischer Zugbeanspruchung. In elektrochemischen Zellen müssen deshalb genügend dicke Platten verwendet wer den, die aber wegen des aufwendigen Herstellungsprozesses teuer sind. Zudem ist auch dann ihre maximale Grösse praktisch begrenzt auf ca. 0.1 m2.A disadvantage of the use of glassy carbon in large technical electrochemical cells is its mechanical properties: very high hardness, combined with extreme brittleness. Films with thicknesses between 50 µm and 500 µm are becoming more difficult to handle with increasing surface area; they break extremely easily, especially when there is local mechanical tension. Sufficiently thick plates must therefore be used in electrochemical cells, but they are expensive because of the complex manufacturing process. In addition, their maximum size is then practically limited to approximately 0.1 m 2 .
Versuche, diese Probleme zu lösen, wurden bereits unternommen, meist jedoch können die beschriebenen Elektroden weder in ökonomischer Weise als bipolare Zellstapel aufgebaut werden, noch kann eine stoffschlüssige, elektrisch leitende Verbindung zwischen Glaskohlenstoff und einem Träger hergestellt werden. Diese Verbindung muss u. a. so stark sein, dass ein anschliessendes thermisches oder elektrochemisches Aktivieren der Oberfläche des Glaskohlenstoffs noch möglich ist. Ausserdem stellt sich meist das Problem, dass die Verbindung zwischen Metall und Glaskohlenstoff im Laufe der Zeit bei der elektrochemischen Verwendung korrosiv angegriffen wird, was sowohl die Leitfähigkeit, als auch die mechanische Verbin dungsfestigkeit reduziert.Attempts have already been made to solve these problems, but mostly the electrodes described can neither be economical than bipolar Cell stacks can be built, still a cohesive, electrically conductive Connection between glassy carbon and a carrier are made. This Connection must u. a. be so strong that a subsequent thermal or electrochemical activation of the surface of the glassy carbon is still possible. In addition, there is usually the problem that the connection between metal and Glassy carbon becomes corrosive over time in electrochemical use is attacked, both the conductivity, and the mechanical connection strength reduced.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, Mittel zur Verfügung zu stellen, welche die Herstellung dünner, grossflächiger Elektroden für elektrochemische An wendungen unter Verwendung der Glaskohlenstofftechnologie erlaubt.The invention is therefore based on the object of making means available which is the manufacture of thin, large-area electrodes for electrochemical applications Applications using glassy carbon technology allowed.
Diese Aufgabe wird bei einer Elektrode der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass auf einer Unterlage aus einem Metallblech eine Glaskohlenstoffschicht aufge bracht ist. Der Kern der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, einen elektrisch leitenden Träger (die Metallplatte), welcher in dünner und mechanisch stabiler Form verfügbar ist, mit einer fest daran haftenden Beschichtung aus Glaskohlenstoff zu versehen. Dies führt zu einer Kombination der mechanisch und elektrisch vorteilhaf ten Eigenschaften des Metallblechs und der hohen spezifischen Oberfläche des Glaskohlenstoffs. With an electrode of the type mentioned at the outset, this object is achieved by that a glassy carbon layer is placed on a sheet of metal is brought. In other words, the essence of the invention is an electric one conductive carrier (the metal plate), which is in thin and mechanically stable form is available, with a firmly adhering coating of glassy carbon Mistake. This leads to a combination of mechanically and electrically advantageous properties of the metal sheet and the high specific surface of the Glassy carbon.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Beschichtung aus Glaskohlenstoff thermisch oder elektrochemisch aktiviert ist. Dies führt zu einer noch grösseren spezifischen Oberfläche des Glaskohlenstoffs und damit zu besseren elektrochemischen Eigenschaften.A first preferred embodiment of the invention is characterized in that that the glassy carbon coating is activated thermally or electrochemically is. This leads to an even larger specific surface area of the glassy carbon and thus better electrochemical properties.
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech aus einem Übergangsmetall besteht, bevorzugt aus den Gruppen 4, 5, 6, oder 8 (oder ei ner Legierung aus diesen Metallen), welches weiter bevorzugt in der Lage ist, Me tallcarbide zu bilden. Durch ein entsprechendes Verfahren kann so erreicht werden, dass sich zwischen dem Metallblech und der Glaskohlenstoffbeschichtung eine Schicht aus Metallcarbid bildet, welche Metall und Glaskohlenstoff schlüssig verbin det. Ausserdem ist diese verbindende Schicht elektrisch leitend, was für die Funktion des Schichtaufbaus als Elektrodenmaterial unabdingbar ist.Another embodiment is characterized in that the metal sheet is made of a transition metal, preferably from groups 4, 5, 6, or 8 (or egg alloy of these metals), which is more preferably capable of measuring Me to form tall carbide. A corresponding method can be used to achieve between the metal sheet and the glassy carbon coating Forms a layer of metal carbide, which connects metal and glassy carbon det. In addition, this connecting layer is electrically conductive, what the function of the layer structure as an electrode material is essential.
Eine andere Ausführungsform beruht darauf, dass die Glaskohlenstoffschicht aus einem polymeren Glaskohlenstoffträger und eingelagerten Glaskohlenstoffpartikeln besteht. Auf diese Weise kann im Herstellungsprozess sichergestellt werden, dass sich die beteiligten Materialien Metall, Metallcarbid und Glaskohlenstoff nicht infolge unterschiedlicher Ausdehnungen oder sonstiger Unterschiede der Materialeigen schaften voneinander ablösen.Another embodiment is based on the fact that the glassy carbon layer is made of a polymeric glassy carbon carrier and embedded glassy carbon particles consists. In this way it can be ensured in the manufacturing process that the materials involved metal, metal carbide and glassy carbon do not result as a result different expansions or other differences in the material properties detach from each other.
Weitere Ausführungsformen der Elektrode ergeben sich aus den abhängigen An sprüchen.Further embodiments of the electrode result from the dependent An sayings.
Ausserdem wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode bestehend aus einer Glaskohlenstoffschicht und einem Metallblech vorgestellt. In diesem Verfahren wird das Metallblech aus einem Übergangsmetall der Gruppen 4, 5, 6, oder 8 (oder einer Legierung aus diesen Metallen) mit einer Schicht aus bevorzugt aktiviertem Glas kohlenstoff überzogen, wobei bevorzugt so vorgegangen wird, dass sich zwischen der Metallschicht und der Glaskohlenstoffschicht eine Zwischenschicht aus Me tallcarbid bildet. In addition, a method for producing an electrode consisting of a Glass carbon layer and a metal sheet presented. In this procedure the metal sheet from a transition metal of groups 4, 5, 6, or 8 (or one Alloy of these metals) with a layer of preferably activated glass carbon coated, with the preferred procedure being that between an intermediate layer of Me. the metal layer and the glassy carbon layer tall carbide forms.
Eine weitere Ausführungsform des obigen Verfahrens besteht darin, dass das Me tallblech, bevor es mit Glaskohlenstoff beschichtet wird, aufgerauht wird, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Metall und Glaskohlenstoff sicherzustellen.Another embodiment of the above method is that the Me sheet metal, before it is coated with glassy carbon, is roughened to a Ensure integral connection between metal and glassy carbon.
Eine andere Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch charakterisiert, dass die Glaskohlenstoffschicht hergestellt wird, indem ein Gemisch aus einer Glaskohlen stoff bildenden, im wesentlichen monomeren organischen Substanz und Glaskoh lenstoffpartikeln oder Kohlenstoffpartikeln auf das aufgerauhte Metallblech aufgetra gen wird, und daraufhin das Gemisch bei erhöhten Temperaturen an der Luft für mehrere Stunden polymerisiert wird, und dass anschliessend das beschichtete Me tallblech in einem Vakuumofen auf 700 bis 1200° aufgeheizt wird. So bildet sich eine sehr starke, stoffschlüssige und elektrisch leitende Verbindungsschicht aus Me tallcarbid. Insbesondere bipolare Zellstapel können mit diesem Verfahren auf öko nomische Weise hergestellt werden.Another embodiment of the method is characterized in that the Glassy carbon layer is made by a mixture of a glassy carbon substance-forming, essentially monomeric organic substance and glass carbon Len lenparticles or carbon particles on the roughened metal sheet gen, and then the mixture at elevated temperatures in the air for is polymerized for several hours, and then the coated Me tallblech is heated in a vacuum oven to 700 to 1200 °. This is how one is formed very strong, integral and electrically conductive connection layer made of Me tall carbide. In particular, bipolar cell stacks can be eco with this method be made nomically.
Weitere Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen An sprüchen.Further embodiments of the method result from the dependent An sayings.
Zusätzlich werden Verwendungen der obigen Elektrode als bevorzugt bipolare elek trochemische Kondensatoren vorgeschlagen.In addition, uses of the above electrode are preferred as bipolar elec trochemical capacitors proposed.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammen hang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.The invention is intended to be described below using exemplary embodiments hang explained with the drawings.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des Aufbaus einer mehrschichtigen Glaskohlenstoffelektrode, und Fig. 1 is a schematic representation showing a detail of the construction of a multilayer glass carbon electrode, and
Fig. 2 zeigt die verschiedenen Herstellungsschritte einer mehrschichtigen Glaskohlenstoffelektrode. Fig. 2 shows the various manufacturing steps of a multilayer glass carbon electrode.
Den beschriebenen Ausführungsbeispielen liegen die beiden folgenden Sachver
halte zugrunde:
Erstens sind bestimmte organische Stoffe, z. B. Furfurylalkohol, in an sich bekannter
Weise, polymerisierbar, und das gebildete, feste Polymerisat wandelt sich durch Py
rolyse zwischen 700°C und 2000°C im Vakuum zu Glaskohlenstoff um. Der entstan
dene Glaskohlenstoff wird dann weiter durch Erhitzen an Luft bei 400-600°C akti
viert. Es entsteht durch partielle Oxidation eine hochporöse Randzone, deren spezi
fische Oberfläche 100-1000 m2/gr beträgt und die elektrochemisch hochaktiv ist.The exemplary embodiments described are based on the following two facts:
First, certain organic substances, e.g. B. furfuryl alcohol, in a conventional manner, polymerizable, and the solid polymer formed converts by pyrolysis between 700 ° C and 2000 ° C in a vacuum to glassy carbon. The resultant glassy carbon is then further activated by heating in air at 400-600 ° C. Partial oxidation creates a highly porous edge zone, the specific surface of which is 100-1000 m 2 / gr and which is highly electrochemically active.
Andererseits ist auch bekannt, dass mit bestimmten, carbidbildenden Übergangs
metallen die Reaktion
On the other hand, it is also known that the reaction occurs with certain carbide-forming transition metals
Metall + Kohlenstoff -< Metallcarbid
Metal + carbon - <metal carbide
stattfindet. Ferner sind die so gebildeten Carbide (z. B. TiC, WC, MoC, VC, TaC, HfC), meist Einlagerungscarbide, elektrisch leitfähig, und haben eine metallartige, hohe Leitfähigkeit.takes place. Furthermore, the carbides formed in this way (e.g. TiC, WC, MoC, VC, TaC, HfC), mostly storage carbides, electrically conductive, and have a metal-like, high conductivity.
Durch Versuche findet man heraus, dass an Kontaktflächen zwischen Glaskohlen stoff und Titan bei 700-1000°C eine Reaktionszone von TiC gebildet wird, die einer seits beide Stoffe mechanisch fest verbindet und andererseits auch einen sehr gut leitfähigen elektrischen Kontakt zwischen beiden Stoffen herstellt.Experiments have shown that there is contact between glassy carbon material and titanium at 700-1000 ° C a reaction zone of TiC is formed, the one on the one hand, both materials are mechanically firmly connected, and on the other hand, a very good one creates conductive electrical contact between the two substances.
Ausserdem zeigt es sich, dass die gewünschte, technisch brauchbare Verbindung in
besonderem Masse dann entsteht, wenn zwei Massnahmen getroffen werden:
It also shows that the desired, technically usable connection is created in a special way if two measures are taken:
- 1. Als Ausgangsstoff für die Glaskohlenstoff (GK) Schicht sollte ein Komposit aus bereits pyrolysiertem GK Pulver oder aktivem Kohlenstoffpulver und flüssigem Furfu rylalkohol benützt werden.1. A composite should be used as the starting material for the glassy carbon (GK) layer already pyrolyzed GK powder or active carbon powder and liquid furfu Ryl alcohol can be used.
- 2. Die Oberfläche des Metallbleches, auf die der GK Ausgangsstoff aufgetragen wird, sollte in geeigneter Weise aufgerauht sein, z. B. durch Sandstrahlen.2. The surface of the metal sheet on which the GK raw material is applied is should be appropriately roughened, e.g. B. by sandblasting.
Bei diesem Vorgehen läuft der Herstellprozess wie folgt ab (beispielhaft sei als Me tall Titan gewählt): Das dickflüssige Gemisch von GK-Pulver und Furfurylalkohol, dem ein geeigneter Katalysator zur Förderung der Polymerisation zugefügt wurde, bringt man als Schicht von 10-200 µm Dicke auf die gerauhte Ti-Oberfläche, z. B. durch Spritzen mit einer Farbspritzpistole. Der flüssige Teil des Gemisches dringt in die aufgerauhte Struktur des Ti-Bleches ein. Er polymerisiert nach ca. 1/2 Stunde bei 100°C, und bildet ein festes Komposit aus Polyfurfuryl und GK Partikeln. Bereits in diesem Stadium, besonders aber bei der anschliessenden pyrolytischen Zersetzung bei 700°C bis 1000°C zu GK, tritt eine signifikante lineare Schrumpfung des reinen Polyfurfuryls ein. Ohne die Beimischung von bereits pyrolysiertem GK Pulver würde die Schicht mehr als 20% linear schrumpfen und sich deshalb u. U. vom Ti-Blech ablösen. Das wird beim beschriebenen Vorgehen verhindert, zum einen weil die Schrumpfung wegen des hohen Volumenanteils Pulver stark reduziert ist, zum ande ren weil das Polymerisat in den Kavitäten der Ti-Oberfläche wirksam verankert ist und bleibt. Die elektrische Leitfähigkeit der fertigen GK-Kompositschicht ist hoch, sie entspricht mit σ = 100-200 (Ωcm-1) etwa der Leitfähigkeit von monolithischem GK, hergestellt z. B. aus polymerisiertem Furfurylalkohol ohne Zugabe von pulverförmi gem GK.With this procedure, the manufacturing process proceeds as follows (for example, titanium is chosen as metal): The viscous mixture of GK powder and furfuryl alcohol, to which a suitable catalyst for promoting the polymerization has been added, is applied as a layer with a thickness of 10-200 µm on the roughened Ti surface, e.g. B. by spraying with a paint spray gun. The liquid part of the mixture penetrates the roughened structure of the Ti sheet. It polymerizes after approx. 1/2 hour at 100 ° C, and forms a solid composite of polyfurfuryl and GK particles. Already at this stage, but especially during the subsequent pyrolytic decomposition at 700 ° C to 1000 ° C to GK, there is a significant linear shrinkage of the pure polyfurfuryl. Without the admixture of already pyrolyzed GK powder, the layer would shrink more than 20% linearly and therefore u. U. detach from the Ti sheet. This is prevented in the procedure described, on the one hand because the shrinkage is greatly reduced due to the high volume fraction of powder, and on the other hand because the polymer is and remains effectively anchored in the cavities of the Ti surface. The electrical conductivity of the finished GK composite layer is high. With σ = 100-200 (Ωcm -1 ) it corresponds approximately to the conductivity of monolithic GK. B. from polymerized furfuryl alcohol without the addition of pulverischem GK.
Zu Beginn des Prozesses benetzt der flüssige Anteil des Gemisches die aufgerauhte Titanoberfläche und auch im Verlauf der Polymerisation bleibt der Kontakt erhalten. Während sich im Vakuum mit steigender Temperatur aus dem Polymer durch Pyro lyse allmählich reiner Kohlenstoff abspaltet, beginnt gleichzeitig die Reaktion mit Ti tan zu TiC. Die Reaktion ist begleitet von Diffusionsvorgängen der Komponenten ineinander, und deshalb wird die Reaktionszone zur stoffschlüssigen, mechanisch festen Verbindung zwischen GK und Titan. Auch zwischen dem Polymer und dem Füllstoff aus GK Pulver entsteht aus der anfänglichen Benetzung durch die nachfol gende Pyrolyse eine stoffschlüssige Verbindung mit fester Bindung zwischen den Kohlenstoffphasen.At the beginning of the process, the liquid part of the mixture wets the roughened The contact between the titanium surface and the course of the polymerization is maintained. While in vacuum with increasing temperature from the polymer by pyro lysis gradually releases pure carbon, the reaction with Ti begins at the same time tan to TiC. The reaction is accompanied by diffusion processes of the components into each other, and therefore the reaction zone becomes a material, mechanical fixed connection between GK and titanium. Also between the polymer and the GK powder filler arises from the initial wetting by the subsequent pyrolysis a material connection with a firm bond between the Carbon phases.
Das Resultat des erfindungsgemässen Vorgehens wird schematisch in Fig. 1 ge zeigt. Auf dem aufgerauhten Titan 10 liegt zunächst eine Titancarbidschicht 11, wel che gut mit dem Titan 10 verzahnt und verbunden ist. Auf der Titancarbidschicht 11 befindet sich dann die Glaskohlenstoffschicht 14, welche sich aus dem polymeren Glaskohlenstoffkörper 12 und den in diesem eingelassenen Glaskohlenstoffpartikeln 13 zusammensetzt.The result of the procedure according to the invention is shown schematically in FIG. 1. On the roughened titanium 10 is initially a titanium carbide layer 11 , which is well interlocked with the titanium 10 and connected. On the titanium carbide layer 11 there is then the glassy carbon layer 14 , which is composed of the polymeric glassy carbon body 12 and the glassy carbon particles 13 embedded therein.
Sowohl beim Schrumpfen während der Pyrolyse des Polymers, als auch durch Di mensionsänderungen bei der Bildung von kristallinem TiC aus den Komponenten, können hohe mechanische Spannungen zwischen dem Substrat Titan und der Be schichtung entstehen. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde den noch keine Ablösung des GK-Komposits vom Titan festgestellt, wenn die Prozess bedingungen wie beschrieben gewählt werden. Offenbar werden die Spannungen bereits weitgehend abgebaut während sich das Kohlenstoff-Kohlenstoff Komposit ausbildet. Die verbleibenden Restspannungen Überschreiten dann die Haftfestigkeit der Ti/TiC/GK Reaktionszone nicht mehr. Die Haftfestigkeit ist sowohl hinreichend um die Spannungen, herrührend aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungen von Titan und GK beim Kühlen von 700-1000°C auf Raumtemperatur zu überstehen als auch beim Wiedererhitzen auf 400-600°C an Luft für die nachfolgende, thermisch oxidative Aktivierung.Both when shrinking during the pyrolysis of the polymer, as well as by Di dimensional changes in the formation of crystalline TiC from the components, can high mechanical stresses between the substrate titanium and the Be stratification arise. In the embodiment described here, the No detachment of the GK composite from titanium has been found when the process conditions can be selected as described. Apparently the tensions already largely degraded while the carbon-carbon composite trains. The remaining residual stresses then exceed the adhesive strength the Ti / TiC / GK reaction zone no longer. The adhesive strength is both sufficient the stresses resulting from the different thermal expansions of titanium and GK to survive cooling from 700-1000 ° C to room temperature as well as when reheating to 400-600 ° C in air for the subsequent, thermal oxidative activation.
Im Detail sei nun folgendes Ausführungsbeispiel beschrieben. Fig. 2 zeichnet in einem Flussdiagramm die sukzessiven Schritte graphisch nach. The following embodiment will now be described in detail. Fig. 2 the successive steps is characterized by graphically in a flow chart.
Bleche aus Titan mit den Abmessungen 100×100 mm, Dicke 100 µm, werden auf bei
den Oberflächen mit Siliziumkarbidpulver so sandgestrahlt, dass eine gleichmässige
Rauhtiefe von 15 µm entsteht. Durch anschliessendes Tempern bei 800°C zwischen
ebenen Platten aus Al2O3 wird die beim Sandstrahlen entstandene Verbeulung be
seitigt; man erhält völlig ebene Bleche. Zur Beschichtung wird folgendes Gemisch
angesetzt:
Titanium sheets with the dimensions 100 × 100 mm, thickness 100 µm are sandblasted on the surfaces with silicon carbide powder so that a uniform roughness depth of 15 µm is created. Subsequent tempering at 800 ° C between flat plates made of Al 2 O 3 removes the dent caused by sandblasting; you get completely flat sheets. The following mixture is used for coating:
- - 50 gr Furfurylalkohol,- 50 gr furfuryl alcohol,
- - 50 gr hochmolekularer Poly-Furfurylalkohol Molekulargewicht 300 (geliefert von Great Lakes Chemical Corporation, West Lafayette IN 47906, USA, Handelsna me: Quacorr 1300 Resin),- 50 gr high molecular weight poly furfuryl alcohol molecular weight 300 (supplied by Great Lakes Chemical Corporation, West Lafayette IN 47906, USA, Handelsna me: Quacorr 1300 Resin),
- - 300 gr Methylbutylketon (oder ein anderes organisches Lösungsmittel z. B. Iso propylalkohol), in dem 2 gr Paratoluolsulfonsäure als Katalysator gelöst wurde;- 300 gr methyl butyl ketone (or another organic solvent e.g. Iso propyl alcohol) in which 2 grams of paratoluenesulfonic acid was dissolved as a catalyst;
dazu wird 500 gr GK Pulver gegeben mit einer Partikeldurchmesserverteilung cha rakterisiert durch 0.4 µm < d < 12 µm und 10 Minuten lang eingemischt mit einem langsam laufenden Rührer. Die entstandene Mischung hat die Konsistenz von Lackfarbe und wird in einer Spritzkapelle mit einer Farbspritzpistole schichtweise auf die Titanbleche aufgetragen bis die Schichtdicke 10-100 µm beträgt.500 gr GK powder is added with a particle diameter distribution cha characterized by 0.4 µm <d <12 µm and mixed with a for 10 minutes slow running stirrer. The resulting mixture has the consistency of Paint and is applied in layers in a spray chapel with a paint spray gun the titanium sheets are applied until the layer thickness is 10-100 µm.
Die beschichteten Bleche werden bei 40°C in einem gut belüfteten Ofen für 5 Std. gelagert, der Ofen anschliessend mit 20°C/Std. auf 100°C gebracht. Die entstande nen Polymerschichten haften dann fest auf den Titanblechen.The coated sheets are at 40 ° C in a well ventilated oven for 5 hours. stored, then the oven at 20 ° C / hour. brought to 100 ° C. The emerged NEN polymer layers then adhere firmly to the titanium sheets.
Anschliessend pyrolysiert man die Polymerschichten zu GK. Man bringt die be schichteten Bleche in einen Vakuumofen, dessen Restdruck p≦10-5 Torr ist. Mit 100°C/Std. wird der Ofen auf 900°C gebracht und 60 Min. dort gehalten. Nach dem Abkühlen haften 30-50 µm dicke Kompositschichten aus GK Partikeln in einer GK Matrix fest auf den Titanblechen. Der Volumenanteil der GK Matrix ist ca. 15% vom Volumen der Partikel. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit, gemessen mit einer Vierkontaktmethode an einer im gleichen Prozessgang hergestellten Probe auf iso lierender Al2O3 Keramik, wurde zu σ=110 (Ωcm)-1 bestimmt.The polymer layers are then pyrolyzed to GK. The coated sheets are placed in a vacuum oven, the residual pressure of which is p ≦ 10 -5 Torr. At 100 ° C / hour the oven is brought to 900 ° C. and held there for 60 minutes. After cooling, 30-50 µm thick composite layers of GK particles in a GK matrix firmly adhere to the titanium sheets. The volume fraction of the GK matrix is approx. 15% of the volume of the particles. The specific electrical conductivity, measured with a four-contact method on a sample produced in the same process step on insulating Al 2 O 3 ceramic, was determined to be σ = 110 (Ωcm) -1 .
Der spezifische Kontaktwiderstand zwischen GK Kompositschicht und Titanblech wurde zu ca. ρk=10-4 Ωcm2 bestimmt. Die GK Elektroden werden jetzt noch aktiviert, indem man sie an Luft mit 200°C/Stunde auf 450°C bringt, dort 2 Stunden hält und wieder abkühlen lässt. Die fertigen Elektroden haben eine ca. 20 µm dicke Aktivzone an der Oberfläche, deren spezifische Oberfläche zu 453 m2/g bestimmt wurde, dies unter Verwendung der Methode der N2-Absorption nach Brunauer, Emmet und Tel ler, auch BET Methode genannt (S. Brunauer, P.H. Emmet, and E. Teller, J. Am. Chem. Soc. 60, 309, 1938). The specific contact resistance between GK composite layer and titanium sheet was determined to be approx. Ρ k = 10 -4 Ωcm 2 . The GK electrodes are now activated by bringing them to 450 ° C in air at 200 ° C / hour, holding them there for 2 hours and letting them cool down again. The finished electrodes have an approximately 20 µm thick active zone on the surface, the specific surface of which was determined to be 453 m 2 / g, using the method of N 2 absorption according to Brunauer, Emmet and Tel ler, also called the BET method ( S. Brunauer, PH Emmet, and E. Teller, J. Am. Chem. Soc. 60, 309, 1938).
1010th
Titanfolie
Titanium foil
1111
Titancarbidschicht
Titanium carbide layer
1212th
Polymerer Glaskohlenstoffkörper
Polymeric glassy carbon body
1313
Glaskohlenstoffpartikel
Glassy carbon particles
1414
Glaskohlenstoffschicht
Glassy carbon layer
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