EP2451867A1 - Nanokomposit mit bornitrid-nanoröhrchen - Google Patents

Nanokomposit mit bornitrid-nanoröhrchen

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EP2451867A1
EP2451867A1 EP10716306A EP10716306A EP2451867A1 EP 2451867 A1 EP2451867 A1 EP 2451867A1 EP 10716306 A EP10716306 A EP 10716306A EP 10716306 A EP10716306 A EP 10716306A EP 2451867 A1 EP2451867 A1 EP 2451867A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nanocomposite
bnnt
insulating material
boron nitride
nitride nanotubes
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10716306A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Hammer
Frank Heinrichsdorff
Ursus KRÜGER
Volkmar LÜTHEN
Daniel Reznik
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2451867A1 publication Critical patent/EP2451867A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/20—Conductive material dispersed in non-conductive organic material
    • H01B1/22—Conductive material dispersed in non-conductive organic material the conductive material comprising metals or alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C01B21/064—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with boron
    • C01B21/0648—After-treatment, e.g. grinding, purification
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/38—Boron-containing compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K7/00—Use of ingredients characterised by shape
    • C08K7/22—Expanded, porous or hollow particles
    • C08K7/24—Expanded, porous or hollow particles inorganic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/10—Particle morphology extending in one dimension, e.g. needle-like
    • C01P2004/13—Nanotubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40—Electric properties
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L1/00—Compositions of cellulose, modified cellulose or cellulose derivatives
    • C08L1/02—Cellulose; Modified cellulose

Definitions

  • the invention relates to a nanocomposite with semiconducting nanoparticles, such as boron nitride nanotubes (BNNT), which are distributed in an electrically insulating insulating material.
  • BNNT boron nitride nanotubes
  • Such a nanocomposite is described, for example, by N.P. Bansal et al. , "Boron Nitride Nanotubes-Reinforced Glass Composites", NASA / TM-2005-213874, pages 1 to 7, August 2005. Accordingly, it is possible to incorporate boron nitride nanotubes into glass as an electrically insulating insulator mechanical fiber stiffening of the glass.
  • nanocomposites can also be used as a field grading material when it comes to reducing peaks in the formation of electric fields, for example on the insulation of electrical conductors.
  • a material consisting of a polymer can be used for this purpose.
  • a filler is distributed whose particles are nanoparticles, so have a mean diameter of 100 nm bathtens.
  • semiconducting materials whose band section lies in a range of 0 eV and 5 eV can be used for such nanoparticles, inter alia.
  • the electrical resistance of the nanocomposite can be adjusted. If, during the admixture of the nanoparticles, a certain proportion of the volume is exceeded, which is between 10 and 20% by volume, depending on the size of the nanoparticles, the specific resistance of the nanocomposite is noticeably reduced, and in this way adjust the electrical conductivity of the nanocomposite and adapt it to the required conditions. In particular, I let a specific resistance in the order of 10 1 ⁇ cm set. This comparatively high electrical resistance leads to a load on an electrical component, which is coated with the nanocomposite, that when a DC voltage applied a certain leakage current must be accepted.
  • the field-weakening effect of the nanocomposite depends on the permittivity of the nanocomposite, the permittivity ⁇ being a measure of the permeability of a material for electric fields.
  • the Permittivitatspp of the substances used are treated.
  • CNTs nanoparticle carbon nanotubes
  • BNNTs boron nitride nanotubes
  • the percolation threshold can also be increased by measures of alignment of the CNT in the matrix of the polymer and can be less than 1% by weight with a content of CNT in the matrix.
  • C. Tang et al. "Fluorination and
  • BNNTs semiconducting properties can be influenced by doping with different dopants of their electrical conductivity similar to bulk semiconductors
  • the object of the invention is to improve a nanocomposite of the type specified at the outset such that it is comparatively well suited for use as a field-grading material.
  • This object is achieved according to the invention by the nanocomposite specified at the outset in that the insulating material which forms the matrix of the nanocomposite consists of a cellulose material or a polymer.
  • the use of the semipermeable nanoparticles initially has the advantage that significantly lower degrees of fullness of at most 5% by volume, preferably even at most 2% by volume, in the insulating material are sufficient to cause percolation of the nanoparticles and thus to increase the electrical conductivity of the nanocomposite , This is possible, although the band gap of BNNT according to C. Tang is about 5.5 eV and according to US 2007/0199729 Al and WO 2004/038735 Al it is required that the nanoparticles of semiconductors used in field-grading nanocomposites have a Band gap between 0 eV and 5 eV should have.
  • the inventive nanocomposite advantageously leads to the components produced from the nanocomposite, such as. B. insulation gen, can reliably fulfill their task over a longer period of operation.
  • the following advantages can also be obtained by using the obtained nanocomposite as a field-grading material.
  • BNNT are insulated by the band gap of 5.5 eV even at high temperatures, so that a temperature-induced breakdown can be avoided.
  • BNNTs have a high thermal conductivity of more than 300 W / mK. Like C.W. Chang et al. In addition, it can be expected that with thin BNNTs with a diameter of less than 20 nanometers, the thermal
  • Conductivity can be over 1000 W / mK.
  • the nanocomposite in addition to its property as field-grading material, can simultaneously ensure reliable heat dissipation of electrical power components such as transformers.
  • BNNTs have a permittivity of 8 BNNT , which is about 4.
  • the permittivity of common insulator materials such as polymers or cellulosic material is very similar.
  • the introduction of BNNT into these insulator materials for producing the nanocomposite according to the invention thus does not change or only slightly changes the permittivity of the nanocomposite in comparison to the solid insulator material, whereby a fluctuation of the field strength in the interior of the nanocomposite can be kept small. This occurs, as already mentioned, in an overload of the module to be isolated with an alternating voltage and can lead to unwanted partial discharges, which ultimately destroy the insulation. Due to their dimensions in the nanometer range, BNNT have a high aspect ratio, which is comparable to that of CNT. The by F.
  • silicones and resins can be selected.
  • a zeolite material is selected as the insulating material, it is particularly advantageous if it is used as paper.
  • This paper can be impregnated with the BNNT.
  • impregnation means a connection between the fibers of the cellulosic material and the BNNT.
  • the BNNT may be attached to the fibers of the cellulosic material, which may occur during papermaking.
  • impregnation can also take place in such a way that the BNNTs are added during papermaking and after the drying process of the paper are enclosed in the spaces formed by the fibers of the cellulose material.
  • the cellulosic material is the raw material for the paper.
  • paper should be understood in the broadest sense to mean any product made of the cellulosic material. the. In particular, this means thinner paper sheets or thicker cardboard or cardboard. It is also possible to produce three-dimensional structures from papier mache, which are then to be understood as paper products.
  • the cellulosic material can also be used as a wood product.
  • a wood product is understood to mean a further processing of the raw material wood from wood components glued together.
  • this can be pressboard, which is designed in particular as a block chip.
  • laminates can be produced by gluing thin layers of wood together (plywood).
  • the BNNT can be introduced into the adhesive for the purpose of jointing the press chip or the wood layer.
  • a coating with metals or doped semiconductors is provided on these semiconducting BNNT.
  • This measure advantageously serves to influence the specific resistance of the nanocomposite according to the invention by selecting suitable dopants. It is desirable, for example, to set a resistivity in the order of 10 12 ⁇ cm, which should be achieved with a degree of fill of BNNT of less than 5% by volume, preferably less than 2% by volume.
  • the doping of the BNNT or the coating can be carried out as described by C. Tang et al. described described.
  • Doping can be achieved by modifying the BNNT by adding suitable dopants such that the dopant atoms form electronic states that turn the BNNT into a p-conductor (ie, electronic states are formed, the electrons from the valence band edge capture) or to an n-conductor (ie, reaching electronic states that emit electrons by thermal excitation across the conduction band edge).
  • a dopant for a p-doping for example Be comes into question, as a dopant for n-doping Si comes into question.
  • Such doping of the BNNT can be done in situ, during the growth of the BNNT z. B. from the gas or Flussigphase the dopant atoms are incorporated.
  • the doping in a further step after the growth of the BNNT, wherein the dopants are typically taken up by the BNNT under the influence of a heat treatment.
  • the resistivity can be lowered to values typical for doped semiconductors between 0.1 and 1000 ⁇ cm.
  • Another possibility is to provide the BNNT after its production with a thin layer of a metal or a highly doped semiconductor. As a result, there is a higher electrical conductivity in this layer of the nanoparticle than in the BNNT itself. This higher conductivity influences the electrical behavior of the nanocomposite when the prepared BNNTs are introduced into the insulating matrix of the insulating material. However, the specific resistance of the nanocomposite is again higher due to the low degree of fullness of BNNT, since the electrical insulating material has a much higher specific resistance than the introduced doped BNNT.
  • the BNNT By doping the BNNT with suitable dopants or their coating with metals or highly doped semiconductors, it also being possible to carry out doping and coating at the same time, so to speak, two degrees of freedom arise for influencing the conductivity of the nanocomposites according to the invention.
  • One possibility is to change the full degree of BNNT in the nanocomposite.
  • the specific resistance decreases with increasing concentration of BNNT in the matrix of the electrically insulating insulating material.
  • the second possibility lies in the treatment according to the invention of the BNNT, wherein the doping and / or the coating reduces the specific resistance of the BNNT so that it leads to a greater reduction in the specific resistance of the nanocomposite at the same concentration in the nanocomposite.
  • the required maximum full degrees of BNNT in the nanocomposite can be maintained, for example, so that it satisfies the mechanical requirements of the application.
  • the doping of the BNNT can be used specifically for the fact that the resistivity of the nanocomposite does not change abruptly with an increasing concentration of BNNT in the matrix of the insulating material but continuously changes over a certain concentration range.
  • a more precise setting of the resistivity of the nanocomposite is advantageously possible since it is avoided that production-related, comparatively small fluctuations in the concentration of BNNT in the matrix of the insulating material lead to large deviations from the desired specific resistance of the nanocomposite.
  • a particularly advantageous use of the nanocomposite is that this is used as insulation material for a transformer.
  • the live parts such as the coils
  • the live parts must be electrically isolated from each other.
  • oil fillings are used, into which walls of paper impregnated with the oil or also pressboard boards are additionally introduced.
  • the resulting insulation must be during both operation of the transformer Applying to an AC voltage as well as for example in case of disturbances of operation with a DC voltage to ensure the electrical insulation.
  • the composite according to the invention is used as the insulating material, sufficient electrical insulation properties can be ensured both when the transformer is subjected to an alternating voltage and to a direct voltage.
  • the insulation of the transformer using the nanocomposite can be designed in a similar manner as is possible with the untreated papers.
  • the insulating properties of the combination of oil and paper can be improved in the case of the application of a DC voltage.
  • the specific resistances are of importance, which amount to a factor of 1000 for oil (po) at 10 12 ⁇ cm and for untreated paper (p p ).
  • the specific conductivity of the inventive nanocomposite can be, for example, in the form of an impregnated paper (p C o mP ) also at 10 12 ⁇ cm.
  • p C o mP impregnated paper
  • FIGS 1 and 2 schematically examples of functionalized
  • BNNT as they can be used in an exemplary embodiment of the nanocomposite according to the invention, as a three-dimensional view,
  • FIG. 3 schematically shows an exemplary embodiment of the nanocomposite according to the invention, consisting of cellulose fibers and BNNT, in a three-dimensional view and FIG. 3
  • Figure 4 schematically an exemplary embodiment of the inventive use of the nanocomposite as a transformer insulation in section.
  • a BNNT 11 is shown schematically as tubes. This BNNT has also been treated with a dopant 12, wherein it is indicated in FIG. 1 that the dopant 12 is incorporated in the lattice 13 of the BNNT formed by the boron nitride.
  • FIG. 2 An alternative embodiment of the BNNT 11 is shown in FIG.
  • the BNNT 11 according to FIG. 2 is provided with a sheath 14, which itself consists of a semiconductor provided with a dopant 12.
  • the BNNT 11 according to FIGS. 1 and 2 can be processed into a nanocomposite 15 as shown in FIG.
  • This consists of cellulose fibers 16a, 16b which were produced as paper.
  • the paper is impregnated with the BNNT IIa and / or IIb.
  • An impregnation with the BNNT IIa proceeds in such a way that the BNNT IIa is deposited on the cellulose fiber 16a. the.
  • the percolation threshold is achieved by having enough BNNT on the surface of the cellulose fiber 16a to form a two-dimensional net on the surface of the cellulose fiber 16a.
  • BNNT IIb may also be included in the interstices 17 between different cellulosic fibers 16a, 16b. This results in the interstices 16, a three-dimensional network of BNNT IIb, where the concentration of BNNT IIb must be high enough to reach the percussion threshold, ie the formation of a closed network.
  • the two mechanisms of impregnating the paper with BNNT IIa, IIb are shown together in FIG. These mechanisms can be used individually or jointly.
  • the BNNT IIa and IIb may be identical in construction or have differences.
  • An electrical insulation 18 according to Figure 4 consists of several layers of paper 19, between which Ol füren 20 lie.
  • the papers 19 are also saturated with oil, which is not shown in detail in FIG. For this, the impregnation with BNNT 11 can be seen in FIG. 4 within the papers.
  • the insulation shown according to FIG. 4 surrounds, for example, the windings used there in a transformer, which must be electrically insulated from the outside and from each other.
  • the electrical insulation of a transformer must prevent electrical breakdown in case of application of an AC voltage.
  • the isolation behavior of the insulation depends on the permittivity of the components of the insulation.
  • the permittivity is ⁇ o approximately at 2, for the paper ⁇ p at 4.
  • the voltage U 0 applied to the oil is approximately twice as high as that on the paper applied voltage U p .
  • the BNNTs do not influence the stress distribution in the insulation according to the invention since the permittivity ⁇ BNN ⁇ is also approximately 4, and therefore the permittivities - tat ⁇ cop of the impregnated paper is also at about 4.
  • the voltage U 0 acting on the oil is approximately twice as great as the voltage U COm p applied to the nanocomposite (paper).
  • the inventively introduced into the paper 19 BNNT 11 are z. B. by a suitable doping with their resistivity (between 0.1 and 1000 ⁇ cm) adjusted so that the specific resistance of the paper p p down- is set.
  • the voltage U 0 applied to the oil is in the region of the voltage Ucomp applied to the composite, so that a balanced voltage profile is established in the insulation. This advantageously improves the dielectric strength of the insulation, since the loading of the oil is noticeably reduced.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Nanokomposit (15) mit halbleitenden Nanopartikeln (11a, 11b), die aus BornitridNanoröhrchen (BNNT) bestehen, und in einem elektrisch isolierenden Isolierstoff wie Zellulosefasern (16a, 16b) verteilt sind. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Verwendung dieses Nanokomposits als Isolationsmaterial für einen Transformator. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Isolierstoff ein Zellulosematerial oder ein Polymer ist. Insbesondere können die BNNT mit Dotierstoffen dotiert werden oder mit einer Beschichtung aus Metallen oder dotierten Halbleitern versehen werden. Hierdurch lässt sich der spezifische Widerstand des Nanokomposits in geeigneter Weise verändern, so dass er z. B. im Bereich von Öl liegt, und ein Verbund aus Öl und dem Nanokomposit als elektrische Isolation eine verbesserte Durchschlagfestigkeit für den Fall einer Beaufschlagung mit einer Gleichspannung aufweist. Gleichzeitig bleibt vorteilhaft das Isolationsvermögen bei einer Beaufschlagung mit einer Wechselspannung unverändert gut.

Description

Beschreibung / Description Nanokomposit mit Bornitrid-Nanorohrchen Die Erfindung betrifft einen Nanokomposit mit halbleitenden Nanopartikeln wie Bornitrid-Nanorohrchen (BNNT) , die in einem elektrisch isolierenden Isolierstoff verteilt sind.
Ein derartiger Nanokomposit ist beispielsweise durch N. P. Bansal et al . , „Boron Nitride Nanotubes-Reinforced Glass Com- posites", NASA/TM-2005-213874, Seiten 1 bis 7, August 2005 beschrieben worden. Demgemäß ist es möglich, Bornitrid- Nanorohrchen in Glas als elektrisch isolierenden Isolierstoff einzubringen. Hierdurch kann eine mechanische Faserverstar- kung des Glases erfolgen.
Weiterhin ist es bekannt, dass Nanokomposite auch als feldgradierendes Material verwendet werden können, wenn es darum geht, Spitzen bei der Ausbildung von elektrischen Feldern, beispielsweise an der Isolation elektrischer Leiter, zu verringern. Gemäß der WO 2004/038735 Al kann hierzu beispielsweise ein Material, bestehend aus einem Polymer, verwendet werden. In diesem wird ein Füllstoff verteilt, dessen Partikel Nanopartikel sind, also einen mittleren Durchmesser von hochtens 100 nm aufweisen. Gemäß der US 2007/0199729 Al sind für derartige Nanopartikel u. a. halbleitende Materialien einsetzbar, deren Bandabschnitt in einem Bereich von 0 eV und 5 eV liegt. Mittels der eingesetzten Nanopartikel, die beispielsweise aus ZnO bestehen können, lasst sich der elektri- sehe Widerstand des Nanokomposits einstellen. Wird bei der Zumischung der Nanopartikel ein bestimmter Anteil des Volumens überschritten, der je nach Große der Nanopartikel bei 10 bis 20 Vol-% liegt, so verringert sich der spezifische Widerstand des Nanokomposits spurbar, wobei sich auf diese Weise die elektrische Leitfähigkeit des Nanokomposits einstellen und an die geforderten Bedingungen anpassen lasst. Insbesondere lasst ich ein spezifischer Widerstand in einer Größenordnung von 101 Ωcm einstellen. Dieser vergleichsweise hohe elektrische Widerstand fuhrt bei einer Beanspruchung eines elektrischen Bauteils, welches mit dem Nanokomposit beschichtet ist, dazu, dass bei Anliegen einer Gleichspannung ein gewisser Verluststrom hingenommen werden muss . Erreicht wird allerdings ein Spannungsabfall über den Nanokomposit, welcher eine gleichmaßigere Verteilung des Potentials zur Folge hat und damit auch das entstehende elektrische Feld in geeigneter Weise gradiert. Hierdurch können die entstehenden Feldspitzen verringert werden, wodurch vorteilhaft die Durchschlagfestigkeit gesteigert wird.
Bei einer Beanspruchung des elektrischen Leiters mit einer Wechselspannung entsteht ebenfalls ein feldgradierender Effekt, der allerdings einem anderen Mechanismus folgt. Die feldschwachende Wirkung des Nanokomposits hangt hierbei von der Permittivitat des Nanokomposits ab, wobei die Permittivi- tat ε ein Maß für die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder ist. Die Permittivitat wird auch als Dielektrizitätskonstante bzeichnet, wobei im Folgenden der Begriff „Permittivitat" verwendet werden soll. Als relative Per- mittivitat bezeichnet man das durch die Permittivitatszahl εr = ε/εo bezeichnete Verhältnis der Permittivitat ε eines Stoffes zur elektrischen Feldkonstante εo, welche die Permittivitat des Vakuums angibt. Je hoher die relative Permittivitat ist, desto großer ist auch der felschwachende Effekt des ein- gesetzten Stoffes im Verhältnis zum Vakuum. Im Folgenden werden nur die Permittivitatszahlen der zum Einsatz kommenden Stoffe behandelt. Allgemein bekannt sind weiterhin als Nanopartikel zu bezeichnende Kohlenstoff-Nanorohrchen (im Folgenden als CNT bezeichnet) und Bornitrid-Nanorohrchen (im Folgenden als BNNT bezeichnet) . Diese Strukturen können zwar in einer Lange von mehreren Mikrometern vorliegen, weisen jedoch Durchmesser von unter 100 nm auf und sind deswegen als Nanopartikel zu verstehen. Wie z. B. C.W Chang et al . , „Isotope Effect on the Thermal Conductivity of Boron Nitride Nanotubes", Physical Review Letters 97, (2006) zu entnehmen ist, sind die Eigen- Schäften von Nanorohrchen stark abhangig von deren Durchmesser. Beispielsweise steigt die thermische Leitfähigkeit von CNT und BNNT mit sinkendem Durchmesser derselben. Aus F. Du et al . , „Effect of nanotube alignment on percolation conductivity in carbon nanotube/polymer composites", Physical Re- view B 72, (2005) ist bekannt, dass CNT in Polymerkompositen wesentlich geringere Perkulationsschwellen zur Erzeugung einer elektrischen Leitfähigkeit im Komposit aufweisen, als beispielsweise sphärische Nanopartikel. Die Perkulati- onsschwelle kann durch Maßnahmen einer Ausrichtung der CNT in der Matrix des Polymers auch noch gesteigert werden und kann bei einem Gehalt an CNT in der Matrix von unter 1 Gew-% liegen. Außerdem ist in C. Tang et al . , „Fluorination and
Electrical Conductivity of BN Nanotubes", Journal of American Chemical Society 127, (2005), Seiten 6552 bis 6553 (inklusive Supporting Information) bekannt, dass BNNT hinsichtlich ihrer halbleitenden Eigenschaften ahnlich wie massive Halbleiter durch Dotierung mit verschiedenen Dotierstoffen ihrer elektrischen Leitfähigkeit beeinflusst werden können. Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Nanokomposit der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, dass sich dieses vergleichsweise gut zum Einsatz als feldgradierendes Material eignet. Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Nanokomposit erfindungsgemaß dadurch gelost, dass der Isolierstoff, der die Matrix des Nanokomposits bildet, aus einem Zellulosematerial oder einem Polymer besteht. Die Verwendung der halblei- tenden Nanopartikel hat zunächst den Vorteil, dass wesentlich geringere Fullgrade von höchstens 5 Vol-% bevorzugt sogar höchstens 2 Vol-% in dem Isolierstoff ausreichen, um eine Perkolation der Nanoteilchen zu bewirken und damit die elektrische Leitfähigkeit des Nanokomposits zu erhohen. Dies ist möglich, obwohl der Bandabstand von BNNT gemäß C. Tang bei ungefähr 5,5 eV liegt und gemäß der US 2007/0199729 Al und der WO 2004/038735 Al gefordert wird, dass die in feldgradierenden Nanokompositen zum Einsatz kommenden Nanopartikel der Halbleiter einen Bandabstand zwischen 0 eV und 5 eV haben sollen.
Die zur Erhöhung der Leitfähigkeit notwendigen, vergleichsweise geringen Fullgrade mit BNNT haben den großen Vorteil, dass der Nanokomposit seine mechanischen Eigenschaften weit- gehend beibehalt, da die BNNT den Matrixwerkstoff wegen ihres geringen Gehaltes nur wenig stören. Im Vergleich zu der Verwendung von sphärischen Nanopartikeln wie ZnO oder SiC, wie sie gemäß der WO 2004/038735 Al und US 2007/0199729 Al vorgeschlagen werden, lasst sich daher ein wesentlich stabilerer Nanokomposit erzeugen. Dies ist beispielsweise dann von besonderem Vorteil, wenn der Nanokomposit im betreffenden Anwendungsfall einer mechanischen Beanspruchung unterworfen ist. Dies können beispielsweise die Schwingungen einer Maschine oder eines Transformators sein. Auch kann bei einer Verwendung in elektrischen Maschinen der Nanokomposit einer
Zentrifugalkraft ausgesetzt sein. In diesen Anwendungen fuhrt der erfindungsgemaße Nanokomposit vorteilhaft dazu, dass die aus dem Nanokomposit erzeugten Bauteile, wie z. B. Isolierun- gen, über eine längere Betriebsdauer hinweg ihre Aufgabe zuverlässig erfüllen können.
Durch die Verwendung von BNNT lassen sich bei der Verwendung des erhaltenen Nanokomposits als feldgradierendes Material überdies folgende Vorteile erzielen.
BNNT sind durch den Bandabstand von 5,5 eV auch bei hohen Temperaturen isolierend, so dass ein temperaturbedingtes Durchschlagen vermieden werden kann.
Weiterhin weisen BNNT eine hohe thermische Leitfähigkeit von mehr als 300 W/mK auf. Wie C.W. Chang et al . zu entnehmen ist, ist überdies zu erwarten, dass bei dünnen BNNT mit einem Durchmesser von weniger als 20 Nanometern die thermische
Leitfähigkeit bei über 1000 W/mK liegen kann. Damit kann der Nanokomposit neben seiner Eigenschaft als feldgradierendes Material gleichzeitig eine zuverlässige Warmeabfuhr von elektrischen Leistungsbauteilen wie beispielsweise Transfor- matoren gewahrleisten.
BNNT weisen eine Permittivitatszahl von 8BNNT, die ungefähr bei 4 liegt. Damit ist die Permittivitat gangigen Isolatormaterialien wie Polymeren oder Zellulosematerial sehr ahnlich. Das Einbringen von BNNT in diese Isolatormaterialien zur Erzeugung des erfindungsgemaßen Nanokomposits ändert damit die Permittivitat des Nanokomposits im Vergleich zum massiven Isolatormaterial nicht oder nur wenig, wodurch eine Fluktuation der Feldstarke im Inneren des Nanokomposits klein gehal- ten werden kann. Diese tritt, wie bereits erwähnt, bei einer Uberbeanspruchung der zu isolierenden Baugruppe mit einer Wechselspannung auf und kann zu unerwünschten Teilentladungen fuhren, die letztendlich die Isolation zerstören. BNNT haben aufgrund ihrer Abmessungen im Nanometer-Bereich ein hohes Aspektverhaltnis, welches mit denen von CNT vergleichbar ist. Die von F. Du et al . für CNT angegebenen Per- kolationsschwellen bei Werten von 1 Gew-% und weniger gelten daher auch für BNNT. Daher ist die Wirkung als feldgradierendes Material mit den bereits genannten geringen Konzentrationen an BNNT in der Matrix des Isolierstoffes erreichbar, wobei die im Zusammenhang mit dieser Erfindung angegebenen Konzentrationswerte in Vol-% angegeben werden. Durch den Aufbau des Nanokomposits aus einem Isolierstoff wie Zellulosematerial oder einem Polymer und BNNT weichen im vorliegenden Fall die Angaben in Gew-% und Vol-% jedoch nicht stark voneinander ab. Als Materialien für den elektrisch isolierenden Isolierstoff kommen als Polymer beispielsweise Thermoplaste in Betracht, wie z. B. Polyethylen, Polystyrol oder PVC. Als Polymere können auch Elastomere, Silikone und Harze (Naturharze und Kunstharze) ausgewählt werden. Wird als Isolierstoff ein ZeI- lulosematerial ausgewählt, so ist es besonders vorteilhaft, wenn dieses als Papier verwendet wird. Dieses Papier kann mit den BNNT imprägniert sein. Als Imprägnierung ist im weitesten Sinne eine Verbindung zwischen den Fasern des Zellulosematerials und den BNNT zu verstehen. Beispielsweise können die BNNT an die Fasern des Zellulosematerials angelagert werden, was wahrend der Papierherstellung erfolgen kann. Eine Imprägnierung kann aber auch derart erfolgen, dass die BNNT bei der Papierherstellung zugegeben werden und nach dem Trockenpro- zess des Papiers in den durch die Fasern des Zellulosemateri- als gebildeten Zwischenräumen eingeschlossen werden.
Das Zellulosematerial bildet den Rohstoff für das Papier. Als Papier soll im Zusammenhang mit dieser Erfindung im weitesten Sinne jedes Produkt aus dem Zellulosematerial verstanden wer- den. Insbesondere sind hiermit dünnere Papierbogen oder auch dickere Pappe oder Karton zu verstehen. Es können auch dreidimensionale Strukturen aus Pappmache hergestellt werden, die dann als Papierprodukt zu verstehen sind.
Das Zellulosematerial kann allerdings auch als Holzprodukt verwendet werden. Unter einem Holzprodukt im Sinne der Erfindung ist eine Weiterverarbeitung des Rohstoffes Holz von miteinander verklebten Holzkomponenten zu verstehen. Insbesonde- re kann es sich dabei um Pressspan handeln, wobei dieser insbesondere als Blockspan ausgeführt ist. Außerdem können Laminate hergestellt werden, indem dünne Holzschichten miteinander verklebt werden (Sperrholz) . Erfindungsgemaß können in den Kleber zum Fugen des Pressspans bzw. der Holzlage die BNNT eingebracht werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Erhöhung der effektiven Leitfähigkeit zumindest eines Teils der in dem Isolierstoff verteilten BNNT eine Dotierung dieser BNNT mit Dotierstoffen oder eine Beschichtung mit Me- tallen oder dotierten Halbleitern auf diesen halbleitenden BNNT vorgesehen ist. Diese Maßnahme dient vorteilhaft dazu, dass der spezifische Widerstand des erfindungsgemaßen Nano- komposits durch Auswahl geeigneter Dotierstoffe beeinflusst werden kann. Wünschenswert ist beispielsweise die Einstellung eines spezifischen Widerstandes in der Größenordnung von 1012 Ωcm, wobei dieser mit einem Befullungsgrad an BNNT von weniger als 5 Vol-% bevorzugt weniger als 2 Vol-% erreicht werden soll. Die Dotierung der BNNT bzw. die Beschichtung kann wie durch C. Tang et al . beschrieben erfolgen. Eine Dotierung kann erreicht werden, indem die BNNT durch Beigabe von geeigneten Dotierstoffen dahingehend modifiziert werden, dass die Dotierstoff-Atome elektronische Zustande ausbilden, die das BNNT zu einem p-Leiter (d.h., dass elektronische Zustande ausgebildet werden, die Elektronen von der Valenzbandkante einfangen) oder zu einem n-Leiter (d. h., dass elektronische Zustande erreicht werden, die Elektronen durch thermische Anregung über die Leitungsbandkante emittieren) ausbilden. Als Dotierstoff für eine p-Dotierung kommt beispielsweise Be in Frage, als Dotierstoff für eine n-Dotierung kommt Si in Frage. Eine solche Dotierung der BNNT kann in situ erfolgen, wobei wahrend des Wachstums der BNNT z. B. aus der Gas- oder Flussigphase die Dotierstoff-Atome eingebaut werden. Auch ist es möglich, die Dotierung in einem weiteren Schritt nach dem Wachstum der BNNT durchzufuhren, wobei die Dotierstoffe typischerweise unter dem Einfluss einer Wärmebehandlung von den BNNT aufgenommen werden. Durch Einbringung der Dotierstoffe in die BNNT kann der spezifische Widerstand auf für dotierter Halbleiter typische Werte zwischen 0,1 und 1000 Ωcm abgesenkt werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die BNNT nach ihrer Herstellung mit einer dünnen Schicht eines Metalls oder eines hochdotierten Halbleiters zu versehen. Hierdurch liegt in dieser entstandenen Schicht des Nanoteilchens eine höhere elektrische Leitfähigkeit vor, als in dem BNNT selbst. Diese höhere Leitfähigkeit beeinflusst das elektrische Verhalten des Nanokomposits , wenn die präparierten BNNT in die isolierende Matrix des Isolierstoffs eingebracht werden. Allerdings liegt der spezifische Widerstand des Nanokomposits durch den geringen Fullgrad an BNNT wieder hoher, da der elektrische Isolierstoff einen sehr viel höheren spezifischen Widerstand aufweist als die eingebrachten dotierten BNNT. Durch die Dotierung der BNNT mit geeigneten Dotierstoffen bzw. deren Beschichtung mit Metallen oder hochdotierten Halbleitern, wobei auch gleichzeitig eine Dotierung und Beschichtung vorgenommen werden kann, entstehen vorteilhaft sozusagen zwei Freiheitsgrade zur Beeinflussung der Leitfähigkeit des erfindungsgemaßen Nanokomposits . Die eine Möglichkeit besteht darin, den Fullgrad an die BNNT in dem Nanokomposit zu verandern. Dabei sinkt der spezifische Widerstand mit steigender Konzentration an BNNT in der Matrix des elektrisch isolieren- den Isolierstoffes. Die zweite Möglichkeit liegt in der er- findungsgemaßen Behandlung der BNNT, wobei die Dotierung und/oder die Beschichtung den spezifischen Widerstand der BNNT vermindert, so dass diese bei gleicher Konzentration im Nanokomposit zu einer stärkeren Verringerung des spezifischen Widerstandes des Nanokomposits fuhrt. Hierdurch können vorteilhaft beispielsweise geforderte maximale Fullgrade an BNNT im Nanokomposit eingehalten werden, damit dieses den mechanischen Anforderungen des Anwendungsfalls genügt. Außerdem kann die Dotierung der BNNT gezielt dazu genutzt werden, dass sich der spezifische Widerstand des Nanokomposits bei einer steigenden Konzentration an BNNT in der Matrix des Isolierstoffes nicht sprunghaft, sondern über einen gewissen Konzentrationsbereich kontinuierlich verändert. Hierdurch ist vorteilhaft eine genauere Einstellung des spezifischen Widerstandes des Nanokomposits möglich, da vermieden wird, dass fertigungsbedingte, vergleichsweise geringe Schwankungen bei der Konzentration der BNNT in der Matrix des Isolierstoffes zu großen Abweichungen von dem gewünschten spezifischen Widerstand des Nanokomposits fuhren.
Eine besonders vorteilhafte Verwendung des Nanokomposits besteht darin, dass dieses als Isolationsmaterial für einen Transformator verwendet wird. In Transformatoren müssen die stromführenden Teile, wie beispielsweise die Spulen, vonein- ander elektrisch isoliert werden. Dabei kommen beispielsweise bei Hochspannungstransformatoren Olfullungen zum Einsatz, in die zusatzlich Wände aus mit dem Ol getränktem Papier oder auch Pressspanplatten eingebracht werden. Die so entstehende Isolation muss sowohl beim Betrieb des Transformators durch Beaufschlagen mit einer Wechselspannung als auch beispielsweise bei Störungen des Betriebs mit einer Gleichspannung die elektrische Isolation gewahrleisten. Wird als Isolationsmaterial der erfindungsgemaße Komposit eingesetzt, so können so- wohl bei Beaufschlagung des Transformators mit einer Wechselspannung als auch mit einer Gleichspannung ausreichende elektrische Isolationseigenschaften sichergestellt werden. Dies liegt daran, dass die BNNT im Isolierstoff wegen ihrer mit dem Isolierstoff, insbesondere Papier, ahnlichen Permit- tivitatszahl 8BNNT von 4 die Permittivitatszahl εComP im Vergleich zur Permittivitatszahl εp des unbehandelten Papiers kaum oder nicht verandern. Daher kann die Isolation des Transformators unter Anwendung des Nanokomposits in ahnlicher Weise ausgelegt werden, wie dies mit den unbehandelten Papie- ren möglich ist. Gleichzeitig lassen sich aber die Isolationseigenschaften der Kombination aus Ol und Papier im Falle der Beaufschlagung mit einer Gleichspannung verbessern. Hierbei sind die spezifischen Widerstände von Bedeutung, die bei Ol (po) bei 1012 Ωcm und bei unbehandeltem Papier (pp) das Tausendfache betragen. Durch Einbringen der BNNT mit einer spezifischen Leitfähigkeit von PBNNT zwischen 0,1 und 1000 Ωcm (beeinflusst eventuell durch eine geeignete Dotierung der BNNT) lasst sich die spezifische Leitfähigkeit des erfin- dungsgemaßen Nanokomposits beispielsweise in Form eines im- pragnierten Papiers (pComP) ebenfalls bei 1012 Ωcm einstellen. Hierdurch wird die Spannungsbelastung bei einer Beaufschlagung mit einer Gleichspannung gleichmaßig auf das Ol und das Papier verteilt, wodurch Spannungsspitzen und daraus resultierende Durchschlage vermieden werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen
Figur 1 und 2 schematisch Beispiele für funktionalisierte
BNNT, wie sie in einem Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemaßen Nanokomposits Verwendung finden können, als dreidimensionale Ansicht,
Figur 3 schematisch ein Ausfuhrungsbeispiel des erfin- dungsgemaßen Nanokomposits, bestehend aus Zellulosefasern und BNNT, in dreidimensionaler Ansicht und
Figur 4 schematisch ein Ausfuhrungsbeispiel für die erfindungsgemaße Verwendung des Nanokomposits als Transformator-Isolation im Schnitt.
In Figur 1 ist ein BNNT 11 schematisch als Rohre dargestellt. Dieses BNNT ist außerdem mit einem Dotierstoff 12 behandelt worden, wobei in Figur 1 angedeutet ist, dass der Dotierstoff 12 in das durch das Bornitrid gebildete Gitter 13 des BNNT eingebaut ist.
Eine alternative Ausgestaltung des BNNT 11 ist in Figur 2 dargestellt. Das BNNT 11 gemäß Figur 2 ist mit einer Ummante- lung 14 versehen, welche selbst aus einem mit einem Dotierstoff 12 versehenen Halbleiter besteht.
Die BNNT 11 gemäß Figur 1 und 2 können wie in Figur 3 darge- stellt zu einem Nanokomposit 15 verarbeitet werden. Dieser besteht aus Zellulosefasern 16a, 16b die als Papier hergestellt wurden. Das Papier ist mit den BNNT IIa und/oder IIb imprägniert. Eine Imprägnierung mit den BNNT IIa lauft so ab, dass die BNNT IIa auf der Zellulosefaser 16a angelagert wer- den. Die Perkulationsschwelle wird dadurch erreicht, dass auf der Oberflache der Zellulosefaser 16a genügend BNNT vorliegen, dass diese ein zweidimensionales Netz auf der Oberflache der Zellulosefaser 16a bilden.
Alternativ können BNNT IIb auch in den Zwischenräumen 17 zwischen verschiedenen Zellulosefasern 16a, 16b eingeschlossen werden. Hierbei entsteht in den Zwischenräumen 16 ein dreidimensionales Netzwerk von BNNT IIb, wobei die Konzentration der BNNT IIb genügend hoch sein muss, um die Perkulationsschwelle, also die Ausbildung eines geschlossenen Netzwerkes zu erreichen.
Die beiden Mechanismen einer Imprägnierung des Papiers mit BNNT IIa, IIb ist gemeinsam in Figur 3 dargestellt. Diese Mechanismen können einzeln oder auch gemeinsam zur Anwendung kommen. Dabei können die BNNT IIa und IIb in ihrem Aufbau identisch sein oder Unterschiede aufweisen. Eine elektrische Isolierung 18 gemäß Figur 4 besteht aus mehreren Lagen aus Papier 19, zwischen denen Olschichten 20 liegen. Auch die Papiere 19 sind mit Ol getrankt, was in Figur 4 nicht naher dargestellt ist. Dafür ist in Figur 4 innerhalb der Papiere die Imprägnierung mit BNNT 11 zu erkennen. Die gemäß Figur 4 dargestellte Isolierung umgibt beispielsweise in einem Transformator die dort zum Einsatz kommenden Wicklungen, die nach außen und zueinander elektrisch isoliert werden müssen. Die elektrische Isolation eines Transformators muss im Betriebsfall bei Anliegen einer Wechselspannung elektrische Durchbruche verhindern. In diesem Fall ist das Isolationsverhalten der Isolierung von der Permittivitat der Komponenten der Isolierung abhangig. Für Ol liegt die Permittivitatszahl εo ungefähr bei 2, für das Papier εp bei 4. Bei einer Beanspruchung der Isolation mit einer Wechselspannung ergibt sich daher für die Belastung der einzelnen Isolationskomponenten, dass die am Ol anliegende Spannung U0 ungefähr doppelt so hoch ist, wie die am Papier anliegende Spannung Up . Wird der erfindungsgemaße Nanokomposit verwendet, bei dem das Papier 19 in der in Figur 4 dargestellten Weise mit BNNT imprägniert ist, so beeinflussen die BNNT die Spannungsverteilung in der erfindungsgemaßen Isolation nicht, da die Permittivitatszahl εBNNτ ebenfalls ungefähr bei 4 liegt und daher die Permittivi- tat εcop des imprägnierten Papiers auch bei ungefähr 4 liegt. Damit ist auch bei der erfindungsgemaßen Isolation die am Ol angreifende Spannung U0 ungefähr doppelt so groß wie die am Nanokomposit (Papier) anliegende Spannung UCOmp-
Treten Storfalle am Transformator auf, so kann auch die Durchschlagfestigkeit der Isolation bei Anliegen von Gleichspannungen von Bedeutung sein. Die Verteilung der anliegenden Spannung auf die einzelnen Isolationsbestandteile ist dann allerdings nicht mehr von der Permittivitat abhangig, sondern vom spezifischen Widerstand der einzelnen Komponenten. Der spezifische Widerstand po von Ol liegt bei 1012 Ωcm. Demgegenüber ist Pp von Papier um drei Größenordnungen hoher und liegt bei 1015 Ωcm. Dies bewirkt, dass bei Anliegen einer Gleichspannung die Spannung am Ol U0 das Tausendfache der Spannung am Papier Up betragt. Diese Ungleichgewicht birgt die Gefahr, dass es bei einer Beaufschlagung der Isolation mit einer Gleichspannung zu Durchschlagen im Ol kommt und die elektrische Isolation versagt.
Die erfindungsgemaß in das Papier 19 eingebrachten BNNT 11 werden z. B. durch eine geeignete Dotierung mit ihrem spezifischen Widerstand (zwischen 0,1 und 1000 Ωcm) so eingestellt, dass der spezifische Widerstand des Papiers pp herab- gesetzt wird. Hierdurch lasst sich für den erfindungsgemaßen Komposit eine spezifische Leitfähigkeit pComP einstellen, der an den spezifischen Widerstand po angenähert ist und im Idealfall diesem ungefähr entspricht. Bei einem spezifischen Wi- derstand pComP von ungefähr 1012 Ωcm liegt die am Ol anliegende Spannung U0 im Bereich der am Komposit anliegenden Spannung Ucomp, so dass sich ein ausgeglichenes Spannungsprofil in der Isolation einstellt. Hierdurch wird vorteilhaft die Durchschlagfestigkeit der Isolation verbessert, da sich die Belas- tung des Ols spurbar verringert.

Claims

Patentansprüche / Patent Claims
1. Nanokomposit mit halbleitenden Nanopartikeln, die zumindest teilweise aus Bornitπd-Nanorohrchen (IIa, IIb) bestehen und in einem elektrisch isolierenden Isolierstoff (16a, 16b) verteilt sind,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der Isolierstoff aus einem Zellulosematerial oder einem Polymer besteht.
2. Nanokomposit 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 zur Erhöhung der effektiven Leitfähigkeit zumindest eines Teils der in dem Isolierstoff (16a, 16b) verteilten Bor- nitπd-Nanorohrchen (IIa, IIb) eine Dotierung dieser Bor- nitπd-Nanorohrchen mit Dotierstoffen (12) oder eine Be- schichtung (14) mit Metallen oder dotierten Halbleitern auf diesen halbleitenden Bornitπd-Nanorohrchen vorgesehen ist.
3. Nanokoposit nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die dotierten Bornitπd-Nanorohrchen (IIa, IIb) oder die Beschichtung (14) aus dotierten Halbleitern auf den Nanopartikeln einen spezifischen elektrischen Widerstand p von min- destens 0,1 Ωcm bis höchstens 1000 Ωcm aufweisen.
4. Nanokomposit nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Bornitπd-Nanorohrchen (IIa, IIb) mit einer Konzent- ration von höchstens 5 Vol-%, bevorzugt höchstens 2 Vol-% in dem Isolierstoff (16a, 16b) verteilt sind.
5. Nanokomposit 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 der Isolierstoff ein Thermoplast, insbesondere Polyethy- len, Polystyrol oder PVC, ein Elastomer, ein Silicon oder ein Harz ist.
6. Nanokomposit nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Isolierstoff (16a, 16b) ein Zellulosematerial enthaltendes Papier (19) oder Holzprodukt ist, wobei das dieses mit den Bornitrid-Nanorohrchen (11) imprägniert ist.
7. Verwendung eines Nanokomposits (15) mit halbleitenden, zumindest teilweise aus Bornitrid-Nanorohrchen (IIa, IIb) bestehenden Nanopartikeln, die in einem elektrisch isolierenden Isolierstoff (16a, 16b) aus einem Zellulosematerial oder ei- nem Polymer verteilt sind, als Isolationsmaterial für einen Transformator .
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