DE10009142C2

DE10009142C2 - Formkörper mit Nanofeinpartikeln in gezielter Schichtstruktur und Verfahren zu seiner Herstellung

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Publication number: DE10009142C2
Application number: DE10009142A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Fauner; Hasso Wendker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-02-26
Filing date: 2000-02-26
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2020-02-27
Also published as: DE10009142A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Formkörper, aufgebaut aus Partikeln unterschiedli cher Größe, wobei eine Teilmenge der Partikel Nanofein-Feststoffpartikel mit Durchmessern < 1 µm sind, sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Her stellung dieses Formkörpers.

Derartige Formkörper mit nanofeinen Bestandteilen sind unter anderem im Be reich der Keramikbauteile bekannt und beispielsweise in "Neuere Entwicklun gen auf dem Gebiet der keramischen Werkstoffe" von D. Vollath, anläßlich des 2. Symposiums Keramik, Technische Akademie Esslingen, 1996 beschrieben.

Die verbreitetsten Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus nanoskali gen Keramikpulvern sind Trockenpressen und Schlickergießen. Dabei muß zur Verhinderung von Pressfehlern mit vergleichsweise geringen Drücken gearbei tet werden. Bewährt hat sich ein zweistufiger Pressprozess, der jedoch auch die Verdichtung der nanofeinen Teilchen nicht in ausreichendem Umfang bewirkt. So schreibt Vollath: "Wegen der geringen Teilchengröße und der damit verbun denen großen Oberfläche sintern Presslinge aus nanoskaligen Keramikpulvern besonders gut." und, weiter: "Da sich aber Nanopulver nicht so gut wie konven tionelle Pulver verdichten lassen, müssen wesentlich größere Porenvolumina aus dem Werkstück nach außen transportiert werden."

Neben dem Mikrowellensintern, mit dem zwar das Sintern beschleunigt werden kann, das jedoch nur für elektrisch nicht leitende Festkörper anzuwenden ist, werden noch eine Reihe von Methoden genannt, mit denen der Sinterprozeß gestartet bzw. gesteuert werden kann.

Diese Methoden sind für die technische Breitenanwendung beispielsweise in der Baukeramik und im Betonbau noch zu aufwendig, um der Nanowerkstoff technik Eingang zu verschaffen.

Nachteilig bei den bekannten Formkörpern ist die im wesentlichen homogene Verteilung der Nanofein-Feststoffpartikel über den gesamten Formkörper. Da durch, daß die Nanofein-Feststoffpartikel nicht planmäßig und gezielt, sondern nur zufällig, in der Regel gleichmäßig verteilt sind, kommen ihre vorteilhaften spezifischen Wirkungen nach außen hin kaum zum Tragen.

In der nachveröffentlichten DE 199 01 605 A1 wird ein Verfahren zur Herstel lung von Betonpalisaden beschrieben. Dazu wird Beton in einen Formkasten geschüttet und durch Vibrationen vorverdichtet. Anschließend wird ein Stempel auf die Betonoberfläche gedrückt und gleichzeitig der Beton erneut in Schwin gungen versetzt. Dadurch soll der Beton weiter verdichtet und in eine ge wünschte Endform gepresst werden.

Aus der DE 34 18 722 C2 ist ein Vibrationstisch zur Herstellung von zementge bundenen Formteilen vorbekannt. Auf dem Vibrationstisch sind Formen ange ordnet, die mit Betonmasse befüllt werden. Durch einen Schwingungserreger wird der Vibrationstisch und damit auch die Betonmasse in Eigenschwingung versetzt, was zu einem Entgasen und zu einer Verdichtung der Betonmasse führt. Dadurch können Betonplatten hoher Festigkeit gefertigt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Formkörper der ein gangs beschriebenen Art vorzustellen, bei dem durch möglichst einfache Maß nahmen und mit technisch leicht realisierbaren Mitteln die spezifischen Eigen schaften der Nanofein-Feststoffpartikel gezielt und wesentlich erhöht zur Wir kung kommen, und zwar räumlich genau an den Stellen des Formkörpers, wo sie besonders benötigt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf überraschend einfache, aber wir kungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, daß der Formkörper vor dem endgül tigen Verfestigen des Formkörpers eine durch Anwendung von Vibrationen und/oder Schockwellen gezielt erzeugte Schichtstruktur aufweist, und daß die Schichtstruktur mindestens eine Schicht enthält, in der die Nanofein- Feststoffpartikel gegenüber der übrigen Schichtstruktur in einer höheren Kon zentration angereichert sind.

Durch die Energiezufuhr über genau auf den beabsichtigten Effekt abgestimmte Vibrationen und Schockwellen, z. B. in einem Frequenzbereich von 5 bis 15000 Hz können größere Verdichtungen, aber auch extreme Auflockerung (Beispiel: Auflockerung von Wüstensand gegen Panzerangriffe) der nanofeinen Partikel und anderer fein- und grobpulveriger Bestandteile einer Mischung erreicht wer den. Es ist aber möglich, z. B. nanofeine und andere Partikel durch ihre Schwer kraft oder entgegen ihrer Schwerkraft, in einer bestimmten Schicht an der Ober fläche oder im Inneren eines Formkörpers anzureichern. Dadurch kann die Er findung auch zur Gewinnung nanofeiner Partikel aus heterogenen Stoffmi schungen, z. B. aus traditionell gewonnenem Mahlgut benutzt werden.

In diesem Falle muß dafür gesorgt werden, daß durch die Vibrationen und/oder Schockwellen die nanofeinen Partikel sich an der Oberfläche des Gemisches sammeln oder sogar sich im Schutzgas oder im Vakuum darüber absondern, von wo sie beispielsweise abgesaugt werden können. So kann in günstigen Fällen auf komplizierte chemische Gewinnungsprozesse verzichtet werden.

Der erfindungsgemäße Formkörper kann in den verschiedensten Geometrien hergestellt werden. Insbesondere für die Anwendung zu Hoch- und/oder Tief bauzwecken kann der erfindungsgemäße Formkörper in Form einer Platte aus gebildet sein. Der erfindungsgemäße Formkörper muß aber nicht notwendiger weise eine geschlossene Fläche darstellen, sondern kann bei Bedarf auch als Rahmen ausgebildet sein. Ebenso kann der erfindungsgemäße Formkörper Aussparungen für Fenster, Türen, Solarzellen, Lampen usw. aufweisen. Bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist der Formkörper als Stütz- und/oder Tragekonstruktion für Hochbau-Elemente, insbesondere für Fassa denplatten ausgebildet. Möglich sind aber auch ganz andere Formgebungen, beispielsweise für den Einsatz des erfindungsgemäßen Formkörpers als Teil eines Lagers, etwa einer Lagerschale.

Der Stand der Technik erfüllt die tribologischen Anforderungen an Lagerwerk stoffe für Gleitlager derzeit nicht zufriedenstellend. Die überwiegend angewand ten Sinterwerkstoffe z. B. auf Basis von Kupfer-Legierungen enthalten oft Fest schmierstoffzusätze von MoS₂, Blei, Grafit u. a.. Dies verbessert zwar die Reib- und Verschleißeigenschaften, jedoch wird die mechanische Festigkeit des La gerkörpers beeinträchtigt. Zudem sind die schmierenden wie auch die das tra gende (metallische) Gerüst bildenden Partikel nicht ausreichend homogen ver teilt. Dadurch entstehen immer wieder entweder tribologische Schwachstellen, an denen stärkerer Verschleiß, Fressen, Pittings (grübchenförmige Ausbre chungen durch unerwünschte punktuelle Verschweißung mit dem Antagonisten Material infolge des Betriebsdruckes) und Zungenbildung oder Ermüdungsbrü che an mechanischen Schwachstellen.

Dem versucht man seit längerem dadurch vorzubeugen, daß man auf eine z. B. metallische hochfeste Tragschicht, die den eigentlichen Lagerkörper darstellt, eine dünne tribologisch optimierte Verschleißschicht aus Festschmierstoffen, z. T. mit Öl- oder Schmierfettkavernen angereichert, aufbringt. Die DIN EN 2064 vom Juli 1992 beschreibt hierzu "Gelenklager aus nichtrostendem Stahl mit selbstschmierender Beschichtung". Die Problematik entsteht hier bei der Befestigung dieser Schicht auf dem Lagerkörper. Sie erfolgt, wie aus der DIN zu ent nehmen ist, meistens durch Kleben, unter Inkaufnahme von Nachteilen wie die begrenzte Wärmebeständigkeit der Klebschicht. Dies gilt auch für die Befesti gung etwaiger nanofeiner Gleitschichten auf diesem Wege.

Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Lagerkörper stofflich beanspru chungsadäquat aufzubauen: z. B. ein tragender Stützkörper aus Metall, der in der Verschleißzone in eine tribologische Schicht von nanofeinen, zusammen gesinterten Partikeln aus speziellen Gleitwerkstoffen übergeht. Diese Schicht weist ein Höchstmaß an Homogenität auf, so daß die oben beschriebenen punktuellen Schwachstellen entfallen, und sie muß nicht mehr extra auf dem Stützkörper befestigt werden.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Form körpers, bei der mindestens eine Schicht, in der die Nanofein-Feststoffpartikel in höherer Konzentration angereichert sind (im folgenden "Nanofeinschicht" ge nannt"), an mindestens einer Außenfläche des Formkörpers angeordnet ist. Damit lassen sich die besonderen Eigenschaften der mit Nanofein-Feststoff partikeln angereicherten Schicht, wie z. B. erheblich höhere Härte, Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb an der Oberfläche des Formkörpers ausnutzen, beispielsweise für den Einsatz des Formkörpers als verschleißar mer, reibungsmindernder Antagonist eines bewegten Lagerteiles.

Des weiteren kann eine solche Funktionsschicht an der Außenseite des Form körpers auch als Versiegelung, Oberflächenabdichtung und Schutz gegen Ein dringen von Feuchtigkeit in den Formkörper eingesetzt werden. Daneben ist aber noch eine Vielzahl anderer Funktionen der Außenschicht unter Ausnut zung spezieller Eigenschaften der Nanofein-Feststoffpartikel denkbar, bei spielsweise die Herstellung einer besonders flexiblen oder dehnfähigen oder glatten (eventuell sogar reflektierenden) oder gut wärmeleitenden oder elekt risch leitfähigen oder magnetisierten oder temperaturbeständigen oder che misch inerten oder reaktiven Oberfläche etc..

Vorteilhaft kann eine Weiterbildung dieser Ausführungsform sein, bei der die Außenschicht mit Nanofein-Feststoffpartikeln eine besonders geringe Rauhtie fe, vorzugsweise < 1 µm, insbesondere Spiegelglätte aufweist.

Durch Spiegelglätte kann wegen der optischen Qualität der Anwendungsbe reich von Sichtbeton erheblich ausgeweitet werden und in Zukunft auch Teilbe reiche erfassen, die bisher dem Einsatz besonders glatter Ziermaterialien wie Glas, Marmor, Mosaikplatten usw. vorbehalten waren.

Spiegelglätte bringt u. a. auch den Vorteil mit sich, daß Strahlung jeder Art bes ser reflektiert wird. So kann z. B. spiegelglatter Beton im Gebäudeinneren durch verbesserte Wärmerückstrahlung (IR-Spektrum) eine Reduzierung des Wärme verlustes, sowie bei Außenwänden in heißen Klimazonen eine bessere Kühlung im Gebäudeinneren verursachen.

Darüber hinaus bedeutet Spiegelglätte bei Beton eine verbesserte Abdichtung gegen Feuchte sowie ein verbessertes Abfließen von Wasser.

Nanofeine Partikel, die kleiner sind als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, ergeben eingebettet in eine transparente Matrix, durchsichtige Bauteile, (siehe z. B. "Inovationsschub aus dem Nanokosmos", VDI-Technologiezentrum, Abt. Zukünftige Technologien, 1998, S. 45).

Vorteilhaft kann auch eine Weiterbildung dieser Ausführungsform sein, bei der die Außenschicht mit Nanofein-Feststoffpartikeln Muster und/oder Profilierun gen, wie beispielsweise Erhebungen, Vertiefungen, Schuppen, Spitzen oder Krater aufweist.

Sie können je nach Bedarf, als Abtropfkanten für Feuchtetropfen und damit auch zur Steigerung der elektrischen Isoliereigenschaften wegen der damit ver bundenen Unterbrechung von Kriechströmen ausgebildet sein. Es wäre denkbar, damit Betonisolationskörper als Alternative zu den bekannten baumku chenartigen Isolatoren von Umspannwerken herzustellen.

Vorteilhaft kann auch eine Weiterbildung sein, bei der die Außenschicht mit Na nofein-Feststoffpartikeln reibungs- und/oder verschleißmindernde Zusätze, ins besondere Schmier- und Gleitstoffe enthält.

Die Zusätze können auch selbst Nanofeinpartikel, insbesondere nanofeine Festschmierstoffe wie MoS₂, Graphit, Blei, Weißmetall enthalten.

Dabei können die nanofeinen Zusätze in der Schicht an der Außenfläche des Formkörpers homogen verteilt sein.

Vorteilhaft kann auch eine Weiterbildung sein, bei der die Nanofein- Feststoffpartikel in der Außenschicht eine so hohe Verdichtung aufweisen, daß ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Formkörper vermindert, vorzugsweise verhindert wird.

Vorteilhaft kann schließlich auch eine Weiterbildung sein, bei der die Nanofein- Feststoffpartikel für Partikel außerhalb des Formkörpers als chemische Reakti onspartner und/oder als Reaktionsbeschleuniger und/oder als Katalysator wir ken.

Alternativ oder zusätzlich kann bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Nanofeinschicht im Inneren des Formkörpers angeordnet sein. Hierdurch lassen sich die speziellen Eigenschaften der Nanofein-Feststoffpartikel, wie z. B. besonders hohe mechanische Festigkeit und/oder Flexibilität und/oder Leitfä higkeit in gezielten Bereichen innerhalb des Formkörpers einbringen.

Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Formkörpers weist die Nanofeinschicht eine im wesentlichen homogene Verteilung der Nano fein-Feststoffpartikel innerhalb der Schicht auf.

Bei Ausführungsformen kann die Nanofeinschicht auch in einer Richtung senk recht zur Schicht eine Verteilung der Nanofein-Feststoffpartikel mit einem an steigenden und/oder abfallenden Konzentrationsgradienten aufweisen.

Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Formkör pers, bei der die Nanofeinschicht eine schuppen- oder wellenförmige Struktur aufweist.

Andererseits kann auch die Nanofeinschicht klumpenartige oder clusterartige Ballungen von Nanofein-Feststoffpartikeln aufweisen.

Des weiteren kann die Nanofeinschicht auch Hohlräume, insbesondere Kam mern und/oder Kanäle aufweisen.

Des weiteren kann die Nanofeinschicht eine von den Nanofein- Feststoffpartikeln gebildete Skelettstruktur aufweisen.

Des weiteren kann die Nanofeinschicht eine höhere Festigkeit aufweisen als die übrigen Bereiche der Schichtstruktur.

Des weiteren kann die Nanofeinschicht eine höhere Steifigkeit, insbesondere einen größeren Elastizitäts-Modul aufweisen als die übrigen Bereiche der Schichtstruktur.

Des weiteren kann die Nanofeinschicht eine höhere Flexibilität, insbesondere eine geringere Sprödigkeit aufweisen als die übrigen Bereiche der Schichtstruk tur.

Des weiteren kann die Nanofeinschicht einen Rißstoppzusatz, insbesondere aus Nanofein-Feststoffpartikeln enthalten.

Des weiteren kann die Nanofeinschicht einen Zusatz, insbesondere aus Nano fein-Feststoffpartikeln enthalten, der die elektrische und/oder thermische Leitfä higkeit der Schicht gegenüber den übrigen Bereichen der Schichtstruktur erhöht oder erniedrigt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wirken die Nanofein- Feststoffpartikel untereinander als chemische Reaktionspartner.

Bei weiteren Ausführungsformen können die Nanofein-Feststoffpartikel für wei tere Partikel innerhalb des Formkörpers als chemische Reaktionspartner und/oder als Reaktionsbeschleuniger und/oder als Katalysator wirken.

Vorteilhaft kann auch eine Ausführungsform der Erfindung sein, bei der der Formkörper ein Betonkörper, insbesondere eine Betonplatte für den Hoch-, Tief-, Gehäuse- oder Fahrzeugbau ist.

Vorteilhaft kann des weiteren eine Ausführungsform der Erfindung sein, bei der der Formkörper ein Keramikkörper, insbesondere eine Keramikplatte für das Bauwesen, den Maschinenbau, den Fahrzeugbau, die Luft- und Raumfahrt technik oder die Elektrotechnik ist.

Vorteilhaft kann des weiteren eine Ausführungsform der Erfindung sein, bei der der Formkörper eine Lagerschale, eine Lagerplatte oder einen Lagerkäfig, ins besondere für Gleitlager oder Stützlager im Maschinenbau, Wasserbau, Brü ckenbau oder Hochbauwesen bildet.

Vorteilhaft kann des weiteren eine Ausführungsform der Erfindung sein, bei der der Formkörper Partikel mit Durchmessern < 1 µm enthält, die aus Zement, Sili katen oder Keramikkomponenten bestehen.

Vorteilhaft kann des weiteren eine Ausführungsform der Erfindung sein, bei der der Formkörper Partikel mit Durchmessern < 1 µm enthält, die aus Metallen und/oder Metalloiden und/oder deren Verbindungen bestehen.

Vorteilhaft kann des weiteren eine Ausführungsform der Erfindung sein, bei der der Formkörper Partikel mit Durchmessern < 1 µm enthält, die aus organischen oder anorganischen Kunststoffen bestehen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Na nofein-Feststoffpartikel aus Zement, Silikaten, Keramikkomponenten, Metallen, Metalloiden, Verbindungen derselben, organischen und/oder anorganischen Kunststoffe bestehen.

Als nützlich erwiesen hat sich eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formkör pers der oben beschriebenen Art, die sich dadurch auszeichnet, daß ein Behäl ter zur Aufnahme der den Formkörper bildenden Partikel vorgesehen ist, an den eine Einrichtung zur Erzeugung von Vibrationen und/oder Schockwellen inner halb der im Behälter aufgenommenen Partikel angeschlossen ist, wobei die Ein richtung so ausgebildet ist, daß die Vibrationen und/oder Schockwellen eine gezielt vorherbestimmbare Schichtstruktur der aufgenommenen Partikel erzeu gen kann, und mindestens eine Schicht mit erhöhter Konzentration an Nano fein-Feststoffpartikeln innerhalb der Schichtstruktur entsteht, und daß Mittel zum Verfestigen der entstandenen Schichtstruktur durch Verbindung der Parti kel vorgesehen sind.

Bei einer bevorzugten solchen Vorrichtung enthält die Einrichtung zur Erzeu gung von Vibrationen und/oder Schockwellen mindestens einen Impulsgenera tor, der vorzugsweise hydraulisch und/oder elektrisch und/oder mechanisch, beispielsweise mit Hilfe von Unwuchten angetriebenen ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß der Impulsgene rator Vibrationen und/oder Schockwellen von einstellbarer Frequenz und/oder Amplitude und/oder einstellbare zeitliche Beschleunigungsverläufe der Partikel erzeugen kann.

Vorteilhaft kann auch eine Vorrichtung sein, bei der die Einrichtung zur Erzeu gung von Vibrationen und/oder Schockwellen mindestens eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektromagnetischen Wechselfeldern innerhalb des Behälters umfaßt.

Des weiteren kann die Einrichtung zur Erzeugung von Vibrationen und/oder Schockwellen mindestens eine Vorrichtung zum Hervorrufen von Ultraschall- Wellen innerhalb des Behälters umfassen.

Weiter kann es von Vorteil sein, wenn der Behälter evakuierbar und/oder mit Schutzgas befüllbar ist.

Auch kann der Behälter eine Absaugvorrichtung für Feststoffe aufweisen.

Vorteilhaft kann der Behälter an seiner Innenseite so ausgebildet sein, daß er als Form für den zu erzeugenden Formkörper dient.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der nützlichen Vorrichtung kann eine Zufüh rung, insbesondere eine Injektionsvorrichtung und/oder Sprühdüsen zur Einlei tung von Fluiden und/oder Pulvern in den Behälter vorgesehen sein.

Des weiteren kann der Behälter eine Vorrichtung zum Kühlen der Partikel auf weisen.

Auch können vorteilhaft die Mittel zum Verfestigen der entstandenen Schicht struktur eine Vorrichtung zum Aufheizen der Partikel im Behälter aufweisen, insbesondere eine elektrische Heizung, beispielsweise eine Heizwendel oder eine Induktionsheizung, und/oder eine Strahlungs- und/oder HF-Heizung.

Schließlich umfassen bei einer weiteren Ausgestaltung der nützlichen Vorrich tung die Mittel zum Verfestigen der entstandenen Schichtstruktur eine mechani sche Presse zum Verdichten und Verbinden der Partikel im Behälter.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zur Herstel lung des oben beschriebenen Formkörpers, das sich dadurch auszeichnet, daß Partikel unterschiedlicher Größe in einen Behälter gefüllt werden, wobei eine Teilmenge der Partikel Nanofein-Feststoffpartikel mit Durchmessern < 1 µm sind, daß vor dem endgültigen Verfestigen des Formkörpers durch Anwendung von Vibrationen und/oder Schockwellen eine vorgegebene Schichtstruktur innerhalb der Partikel im Behälter erzeugt wird, wobei die Schichtstruktur mindestens eine Schicht enthält, in der die Nanofein-Feststoffpartikel gegenüber der übrigen Schichtstruktur in einer höheren Konzentration angereichert sind, und daß die erzeugte Schichtstruktur anschließend verfestigt wird.

Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante erfolgt die Behandlung der Partikel bis zum endgültigen Verfestigen des Formkörpers unter Vakuum oder unter Schutzgas.

Vorteilhaft kann auch eine Verfahrensvariante sein, bei die Verfestigung des Formkörpers mittels Zugabe von Fluiden, insbesondere Durchfeuchtung und/oder Pressen und/oder Erhitzen und/oder Sintern und/oder Fritten und/oder chemischer Reaktion(en) und/oder Ultraschall und/oder UV-Strahlung erfolgt.

Vorteilhaft kann schließlich auch eine Verfahrensvariante sein bei der die Er zeugung der gewünschten Schichtstruktur durch Anwendung computergesteu erter Vibrations- und/oder Schockwellenimpulse auf die Partikel des Formkör pers erfolgt.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter auf geführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschrie benen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verste hen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausfüh rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a einen schematisierten Querschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Formkörpers, bei der die Schichtstruktur 3 mit Na nofein-Feststoffpartikeln angereicherte Schichten ("Nanofeinschichten") aufweist, nämlich zwei Außenschichten und eine innenliegende Schicht;

Fig. 1b eine Ausführungsform mit schuppenförmiger Nanofeinschicht an einer Außenfläche des Formkörpers;

Fig. 1c Ausführungsform mit wellenförmiger Nanofeinschicht im Inneren des Formkörpers;

Fig. 1d Ausführungsform mit clusterartigen Ballungen von Nanofein- Feststoffpartikeln in der Nanofeinschicht;

Fig. 1e Ausführungsform mit Hohlräumen in der Nanofeinschicht;

Fig. 2a Konzentrationsverteilung der Nanofein-Partikel in der Schichtstruktur über der Schichttiefe z von der Oberfläche des Formkörpers ins Innere mit einer Nanofeinschicht an der Oberfläche, die eine homogene Vertei lung von Nanofein-Feststoffpartikeln aufweist;

Fig. 2b Ausführungsform mit zwei Nanofeinschichten mit homogener Partikel verteilung im Inneren des Formkörpers;

Fig. 3a Ausführungsform mit Nanofeinschicht an der Außenfläche des Form körpers und Gauss-förmiger Partikelverteilung in der Nanofeinschicht;

Fig. 3b Ausführungsform mit zwei Nanofeinschichten mit Gauss-förmiger Kon zentrationsverteilung im Inneren der Schichtstruktur;

Fig. 4a Ausführungsform mit Nanofeinschicht an der Oberfläche mit linear ab nehmender Partikelkonzentration;

Fig. 4b Ausführungsform mit zwei Nanofeinschichten im Inneren der Schicht struktur mit jeweils zu einem Maximum linear ansteigender und wieder linear abfallender Partikelkonzentration;

Fig. 5a einen schematischen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung zur Herstel lung des erfindungsgemäßen Formkörpers mit elektrischer Heizeinrich tung;

Fig. 5b eine alternative Vorrichtung mit Sinterpresse; und

Fig. 5c eine weitere alternative Vorrichtung mit evakuierbarem Behälter und Sprühdüsen zur Einleitung von Fluiden und/oder Pulvern in den Behäl ter.

Der erfindungsgemäße Formkörper ist aus Partikeln unterschiedlicher Größe aufgebaut und erhält durch gezielte Anwendung von Vibrationen und/oder Schockwellen vor dem endgültigen Verfestigen eine Schichtstruktur, bei der mindestens eine Schicht vorhanden ist, in welcher Nanofein-Feststoffpartikel gegenüber der übrigen Schichtstruktur in einer höheren Konzentration angerei chert sind. Die vielfältigen Vorteile und Einsatzmöglichkeiten einer solchen Schichtstruktur unter gezielter Ausnutzung der Eigenschaften von Nanofein- Feststoffpartikeln sind oben diskutiert. Im Folgenden sollen einige Möglichkeiten der geometrischen Strukturierung im erfindungsgemäßen Formkörper vorge stellt werden:
In den Fig. 1a bis 1e sind jeweils Schnitte durch beispielsweise plattenför mige Körper dargestellt, die in einer z-Richtung mit z = 0 an der Außenfläche A die Schichtstruktur im Inneren des Formkörpers veranschaulichen.

Fig. 1a zeigt eine Schichtstruktur des erfindungsgemäßen Formkörpers, bei der zwei Nanofeinschichten 1a, 1a' an den beiden Außenflächen A, A' und eine Nanofeinschicht 2a im Inneren des Formkörpers angeordnet sind.

Bei der Ausführungsform in Fig. 1b ist eine Nanofeinschicht 1b an der Außen fläche A des Formkörpers angeordnet.

Fig. 1c zeigt eine Situation, bei der im Inneren des Formkörpers eine Nanofein schicht mit wellenförmiger Struktur vorhanden ist.

Der Formkörper in Fig. 1d weist eine Nanofeinschicht 2d in seinem Inneren auf, bei der klumpenartiger bzw. clusterartige Ballungen von Nanofein- Feststoffpartikeln vorhanden sind.

In Fig. 1e schließlich ist ein Formkörper mit einer in seinem Inneren befindlichen Nanofeinschicht 2e dargestellt, welche Hohlräume bzw. Kammern in ihrem In neren aufweist.

Es versteht sich, daß die gezeigten und auch andere Geometrien in beliebiger Weise auch gezielt miteinander gemischt werden können, so daß eine Anord nung der Schichtstruktur des Formkörper entsteht, die ganz bestimmte ge wünschte Eigenschaften aufweist.

In den Fig. 2a bis 4b sind mögliche Verteilungen der Nanofein-Feststoffpartikel innerhalb der angereichten Nanofeinschichten gezeigt, wobei in den Diagram men jeweils die Konzentration an Nanofein-Feststoffpartikeln über der von der Oberfläche des Formkörpers in Innere gerichteten z-Achse dargestellt ist.

In Fig. 2a ist eine Situation dargestellt, bei der die Schichtstruktur eine Nano feinschicht mit einer homogenen Partikelkonzentration an einer Außenfläche des Formkörpers aufweist.

Fig. 2b zeigt zwei Nanofeinschichten mit jeweils homogener Partikelkonzentra tion im Inneren des Formkörpers.

In Fig. 3a ist wiederum eine an einer Außenfläche des Formkörpers angeordne te Nanofeinschicht dargestellt, bei der die Konzentration Gauss-förmig verläuft.

In Fig. 3b sind zwei Nanofeinschichten im Inneren des Körpers gezeigt, deren Konzentrationsverläufe jeweils einer Gauss-Kurve folgen.

Fig. 4a steht für eine Schichtstruktur mit Nanofeinschicht an der Außenfläche des Formkörpers, bei der die Partikelkonzentration linear in Richtung auf das Körperinnere abnimmt.

Fig. 4b stellt eine Situation mit zwei Nanofeinschichten im Inneren des Form körpers dar, bei denen die Konzentration an Nanofein-Feststoffpartikeln bis zu einem Maximum linear zu und dann wieder abnimmt.

Auch hier sind wiederum alle möglichen Mischformen der Konzentration in den Schichten denkbar, die geeignet sind, die gewünschten Eigenschaften des Formkörpers in seinem Endzustand zu erreichen.

Die Fig. 5a bis 5c schließlich stellen schematisch im Vertikalschnitt Vorrich tungen zur Herstellung des erfindungsgemäßen Formkörpers vor, die jeweils einen Behälter 3a, 3b, 3c zur Aufnahme der den Formkörper bildenden Partikel, eine Einrichtung 5 zur Erzeugung von Vibrationen und/oder Schockwellen in nerhalb der im Behälter aufgenommenen Partikel zur gezielten Herstellung ei ner Schichtstruktur 4a, 4b, 4c sowie Mittel 6a, 6b, 6c zum Verfestigen der er zeugten Schichtstruktur aufweisen.

Die Ausgestaltung in Fig. 5a weist einen Behälter 3a auf, der als formgebender Schwingboden zur Aufnahme der Schichtstruktur 4a ausgebildet ist. Zur Erzeu gung der Schichtstrukur ist eine Einrichtung 5 vorgesehen, die aus mehreren Untereinheiten aufgebaut sein kann, welche die entsprechenden benötigten Vibrationen und/oder Schockwellen erzeugen können.

Insbesondere kann die Einrichtung 5 Impulsgeneratoren enthalten, welche hyd raulisch und/oder elektrisch und/oder mechanisch, beispielsweise mit Hilfe von Unwuchten angetrieben sind. Vorzugsweise können die Frequenzen und Ampli tuden der erzeugten Vibrationen bzw. Wellen sowie die zeitlichen Beschleuni gungsverläufe der Partikel im Behälter 3a eingestellt werden.

Die Einrichtung 5 zur Erzeugung von Vibrationen und/oder Schockwellen kann auch Vorrichtungen zum Erzeugen von elektromagnetischen Wechselfeldern innerhalb des Behälters 3a oder eine Vorrichtung zum Hervorrufen von Ultra schallwellen innerhalb des Behälters 3a umfassen.

Die mit Hilfe der Einrichtung 5 erzeugte Schichtstruktur wird bei der Vorrichtung nach Fig. 5a durch Erhitzen mittels einer elektrischen Heizung 6a verfestigt. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch eine Strahlungs- oder Induktions- oder Hochfrequenzheizung vorgesehen sein. Denkbar ist aber auch die Anwen dung einer Vorrichtung zum Kühlen der Partikel innerhalb des Behälters 3a.

Im Unterschied zur Vorrichtung nach Fig. 5a weist die Vorrichtung nach Fig. 5b einen Behälter 3b mit darin aufgenommener Schichtstruktur 4b auf, die mittels einer Presse, insbesondere einer Sinterpresse 6b verfestigt werden kann. Die übrigen bei der Vorrichtung nach Fig. 5 diskutierten Merkmale, insbesondere die Möglichkeiten der Modifikation der Einrichtung 5 können auch hier verwirk licht sein.

Fig. 5c schließlich stellt eine weitere alternative Ausgestaltung der Vorrichtung dar, bei der innerhalb eines geschlossenen und über eine Absaugvorrichtung 7 evakuierbaren Behälters 3c die darin aufgenommene Schichtstruktur 4c über Sprühdüsen 6c gleichmäßig befeuchtet und dadurch zur Verfestigung gebracht werden kann. Alternativ oder zusätzlich können auch Heiz- oder Kühlmöglich keiten vorgesehen sein. Außerdem können über die Sprühdüsen 6c außer Flui den auch pulverförmige Stoffe in den Behälter 3c eingeleitet werden.

Aufgrund der Evakuierbarkeit des Behälters 3c über die Absaugvorrichtung 7 und die Möglichkeit der Zuleitung von Fluiden über die Sprühdüsen 6c ist auch eine Behandlung der Schichtstruktur 4c unter Schutzgas möglich.

Im übrigen gilt auch hier wiederum, daß die Merkmale der oben beschriebenen Vorrichtungen, soweit technisch sinnvoll, miteinander sowie mit hier nicht aus drücklich genannten Merkmalen gemischt werden können, um den Zweck der Vorrichtung im Einzelfall optimal zu erfüllen.

Claims

1. Formkörper, aufgebaut aus Partikeln unterschiedlicher Größe, wobei eine Teilmenge der Partikel Nanofein-Feststoffpartikel mit Durch messern < 1 µm sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper vor dem endgültigen Verfestigen des Formkör pers eine durch Anwendung von Vibrationen und/oder Schockwellen gezielt erzeugte Schichtstruktur (4a; 4b; 4c) aufweist, und daß die Schichtstruktur mindestens eine Schicht (1a, 1a', 2a; 1b; 2c; 2d; 2e) enthält, in der die Nanofein-Feststoffpartikel gegenüber der übrigen Schichtstruktur in einer höheren Konzentration angereichert sind.

2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß min destens eine Schicht (1a, 1a'; 1b), in der die Nanofein- Feststoffpartikel in höherer Konzentration angereichert sind, an min destens einer Außenfläche (A, A') des Formkörpers angeordnet ist.

3. Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht (2a; 2c; 2d; 2e), in der die Nanofein- Feststoffpartikel in höherer Konzentration angereichert sind, im In neren des Formkörpers angeordnet ist.

4. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht (1a, 1a'; 2a; 2c), in der die Nanofein-Feststoffpartikel in höherer Konzentration angerei chert sind, eine im wesentlichen homogene Verteilung der Nanofein- Feststoffpartikel innerhalb der Schicht aufweist.

5. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht (1a, 1a', 2a; 2c), in der die Nanofein-Feststoffpartikel in höherer Konzentration angerei chert sind, in einer Richtung senkrecht zur Schicht eine Verteilung der Nanofein-Feststoffpartikel mit einem ansteigenden und/oder ab fallenden Konzentrationsgradienten aufweist.

6. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht (1b; 2c), in der die Nanofein-Feststoffpartikel in höherer Konzentration angereichert sind, eine schuppen- oder wellenförmige Struktur aufweist.

7. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht (2d), in der die Nano fein-Feststoffpartikel in höherer Konzentration angereichert sind, klumpenartige oder clusterartige Ballungen von Nanofein- Feststoffpartikeln aufweist.

8. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht (2e), in der die Nano fein-Feststoffpartikel in höherer Konzentration angereichert sind, Hohlräume, insbesondere Kammern und/oder Kanäle aufweist.

9. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht (1a, 1a', 2a; 2c; 2e), in der die Nanofein-Feststoffpartikel in höherer Konzentration ange reichert sind, eine von den Nanofein-Feststoffpartikeln gebildete Skelettstruktur aufweist.

10. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht (1a, 1a', 2a; 1b; 2c; 2d; 2e), in der die Nanofein-Feststoffpartikel in höherer Konzentrati on angereichert sind, eine höhere Festigkeit aufweist als die übrigen Bereiche der Schichtstruktur.

11. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht (1a, 1a', 2a; 1b; 2c; 2d; 2e), in der die Nanofein-Feststoffpartikel in höherer Konzentrati on angereichert sind, eine höhere Steifigkeit, insbesondere einen größeren Elastizitäts-Modul aufweist als die übrigen Bereiche der Schichtstruktur.

12. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht (1a, 1a', 2a; 1b; 2c; 2d; 2e), in der die Nanofein-Feststoffpartikel in höherer Konzentrati on angereichert sind, eine höhere Flexibilität, insbesondere eine ge ringere Sprödigkeit aufweist als die übrigen Bereiche der Schicht struktur.

13. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht (1a, 1a', 2a; 1b; 2c; 2d; 2e), in der die Nanofein-Feststoffpartikel in höherer Konzentrati on angereichert sind, einen Rißstoppzusatz, insbesondere aus Na nofein-Feststoffpartikeln enthält.

14. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht (1a, 1a', 2a; 1b; 2c; 2d; 2e), in der die Nanofein-Feststoffpartikel in höherer Konzentrati on angereichert sind, einen Zusatz, insbesondere aus Nanofein- Feststoffpartikeln enthält, der die elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit der Schicht gegenüber den übrigen Bereichen der Schichtstruktur erhöht oder erniedrigt.

15. Formkörper nach Anspruch 2 und gegebenenfalls einem weiteren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (1a, 1a') mit Nanofein-Feststoffpartikeln eine beson ders geringe Rauhtiefe, vorzugsweise < 1 µm, insbesondere Spiegel glätte aufweist.

16. Formkörper nach nach Anspruch 2 und gegebenenfalls einem weite ren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (1b) mit Nanofein-Feststoffpartikeln Muster und/oder Profilierungen, wie beispielsweise Erhebungen, Vertiefun gen, Schuppen, Spitzen oder Krater aufweist.

17. Formkörper nach nach Anspruch 2 und gegebenenfalls einem wei teren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (1a, 1a'; 1b) mit Nanofein-Feststoffpartikeln rei bungs- und/oder verschleißmindernde Zusätze, insbesondere Schmier- und Gleitstoffe enthält.

18. Formkörper nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusätze Nanofeinpartikel, insbesondere nanofeine Festschmierstof fe wie MoS₂, Graphit, Blei, Weißmetall enthalten.

19. Formkörper nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die nanofeinen Zusätze in der Schicht (1a, 1a'; 1b) an der Außenfläche des Formkörpers homogen verteilt sind.

20. Formkörper nach Anspruch 2 und gegebenenfalls einem weiteren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofein-Feststoffpartikel in der Außenschicht (1a, 1a'; 1b) eine so hohe Verdichtung aufweisen, daß ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Formkörper vermindert, vorzugsweise verhindert wird.

21. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofein-Feststoffpartikel untereinander als chemische Reaktionspartner wirken.

22. Formkörper nach nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Nanofein-Feststoffpartikel für weitere Partikel innerhalb des Formkörpers als chemische Reaktionspartner und/oder als Reaktionsbeschleuniger und/oder als Katalysator wir ken.

23. Formkörper nach Anspruch 2 und gegebenenfalls einem weiteren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofein-Feststoffpartikel für Partikel außerhalb des Formkörpers als chemische Reaktionspartner und/oder als Reaktionsbeschleuni ger und/oder als Katalysator wirken.

24. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekenn zeichnet, daß der Formkörper ein Betonkörper, insbesondere eine Betonplatte für den Hoch-, Tief-, Gehäuse- oder Fahrzeugbau ist.

25. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekenn zeichnet, daß der Formkörper ein Keramikkörper, insbesondere eine Keramikplatte für das Bauwesen, den Maschinenbau, den Fahr zeugbau, die Luft- und Raumfahrttechnik oder die Elektrotechnik ist.

26. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekenn zeichnet, daß der Formkörper eine Lagerschale, eine Lagerplatte oder einen Lagerkäfig, insbesondere für Gleitlager oder Stützlager im Maschinenbau, Wasserbau, Brückenbau oder Hochbauwesen bildet.

27. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper Partikel mit Durchmessern < 1 µm enthält, die aus Zement, Silikaten oder Keramikkomponenten bestehen.

28. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper Partikel mit Durchmessern < 1 µm enthält, die aus Metallen und/oder Metalloiden und/oder deren Verbindungen bestehen.

29. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper Partikel mit Durchmessern < 1 µm enthält, die aus organischen oder anorganischen Kunststoffen bestehen.

30. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofein-Feststoffpartikel aus Zement, Si likaten, Keramikkomponenten, Metallen, Metalloiden, Verbindungen derselben, organischen und/oder anorganischen Kunststoffe beste hen.

31. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Partikel un terschiedlicher Größe in einen Behälter (3a; 3b; 3c) gefüllt werden, wobei eine Teilmenge der Partikel Nanofein-Feststoffpartikel mit Durchmessern < 1 µm sind, daß vor dem endgültigen Verfestigen des Formkörpers durch Anwendung von Vibrationen und/oder Schock wellen eine vorgegebene Schichtstruktur (4a; 4b; 4c) innerhalb der Partikel im Behälter (3a; 3b; 3c) erzeugt wird, wobei die Schicht struktur (4a; 4b; 4c) mindestens eine Schicht (1a, 1a'; 2a; 1b; 2c; 2d; 2e) enthält, in der die Nanofein-Feststoffpartikel gegenüber der übrigen Schichtstruktur in einer höheren Konzentration angereichert sind, und daß die erzeugte Schichtstruktur (4a; 4b; 4c) anschließend verfestigt wird.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Be handlung der Partikel bis zum endgültigen Verfestigen des Form körpers unter Vakuum oder unter Schutzgas erfolgt.

33. Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigung des Formkörpers mittels Zugabe von Fluiden, ins besondere Durchfeuchtung und/oder Pressen und/oder Erhitzen und/oder Sintern und/oder Fritten und/oder chemischer Reaktion(en) und/oder Ultraschall und/oder UV-Strahlung erfolgt.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekenn zeichnet, daß die Erzeugung der gewünschten Schichtstruktur (4a; 4b; 4c) durch Anwendung computergesteuerter Vibrations- und/oder Schockwellenimpulse auf die Partikel des Formkörpers erfolgt.