DE102004054014A1 - Keramikbauteil - Google Patents

Keramikbauteil Download PDF

Info

Publication number
DE102004054014A1
DE102004054014A1 DE200410054014 DE102004054014A DE102004054014A1 DE 102004054014 A1 DE102004054014 A1 DE 102004054014A1 DE 200410054014 DE200410054014 DE 200410054014 DE 102004054014 A DE102004054014 A DE 102004054014A DE 102004054014 A1 DE102004054014 A1 DE 102004054014A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
ceramic
layers
ceramic body
layer
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE200410054014
Other languages
English (en)
Inventor
Thomas Wahl
Petra Kuschel
Annika Kristoffersson
Stephan Nufer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE200410054014 priority Critical patent/DE102004054014A1/de
Priority to PCT/EP2005/054193 priority patent/WO2006051007A1/de
Publication of DE102004054014A1 publication Critical patent/DE102004054014A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4077—Means for protecting the electrolyte or the electrodes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K2205/00—Application of thermometers in motors, e.g. of a vehicle
    • G01K2205/04—Application of thermometers in motors, e.g. of a vehicle for measuring exhaust gas temperature

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

Es wird ein Keramikbauteil, insbesondere ein Sensorelement für einen Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente im Abgas von Verbrennungsmotoren, angegeben, das einen insbesondere laminierten Keramikkörper (11) aufweist. Zur deutlichen Verbesserung des Thermoschockverhaltens des Keramikkörpers (11), d. h. zur Erzielung einer deutlich gesenkten Empfindlichkeit gegen das Auftreten stark lokalisierter Temperaturgradienten, die Rissbildungen im Keramikkörper (11) auslösen, sind zumindest die Oberflächenbereiche des Keramikkörpers (11), die großen Temperaturgradienten ausgesetzt sind, mit einer Schutzhaut (22) überzogen, die mindestens zwei keramische Schichten (23, 24; 25, 26) aufweist, die zwischen sich eine Grenzfläche mit einer solch niedrigen Bruchenergie R¶g¶ erzeugen, dass das Bruchenergieverhältnis R¶g¶/R¶s¶ kleiner als 0,57 ist (Fig. 2).

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Keramikbauteil, insbesondere einem Sensorelement für einen Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente im Abgas von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Keramikbauteile finden im Kraftfahrzeugbau in monolithischer Bauweise Anwendung bei Katalysatoren im Abgas von Verbrennungsmotoren oder in Mehrlagenstruktur-Bauweise Anwendung als Sensorelement in Abgassensoren für Verbrennungsmotoren zur Messung einer physikalischen Eigenschaft des Abgases, wie z.B. der Temperatur des Abgases oder der Sauerstoff- oder Stickoxidkonzentration im Abgas.
  • Ein solches Sensorelement ist beispielsweise aus der DE 101 57 733 A1 bekannt. Der Keramikkörper ist ein Verbund aus aufeinanderliegenden Festelektrolytfolien, z.B. aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid. In den verschiedenen Schichten ist einerseits ein Messgasraum und andererseits ein Referenzgasraum ausgebildet und ein in einer Isolierschicht, z.B. aus Aluminiumoxid, eingebettetes elektrisches Heizelement angeordnet, sowie Elektroden einer Pumpzelle und einer Nernstzelle aufgebracht. Das Sensorelement ist in einem Fühlergehäuse aufgenommen und ragt nach Einbau des Messfühlers mit seinem aus dem Fühlergehäuse vorstehenden, von einem Schutzrohr umgebenden, gassensitiven Bereich in den Abgasstrom hinein. Dieser gassensitive Bereich des Sensorelements ist hohen Temperaturgradienten ausgesetzt, die zudem noch an der Oberfläche des Sensorelements stark lokalisiert sind. So führen Wassertropfen als Kondensat der sich am Schutzrohr niederschlagenden Feuchte im Abgas, die auf die heiße Oberfläche des im gassensitiven Bereich auf eine Betriebstemperatur von 600–900°C aufgeheizten Sensorelements fallen, zu einem sog. thermischen Schock, bei dem es durch sehr stark lokalisierte Temperaturgradienten zur Ausbildung von hohem mechanischen Stress und zu einer Rissinitiierung an der Oberfläche des Keramikköpers kommt. Die Folge ist ein makroskopischer Defekt, z.B. ein Riss im Keramikkörper, und das Versagen des gesamten Sensorelements.
  • Es ist bekannt, dass in keramischen Mehrschichtstrukturen durch geschickte Anordnung von Schichten mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften, wie z.B. der Porosität und/oder dem Elastizitätsmodul, ein verbessertes thermisches Schockverhalten zu erreichen ist (Luc. J. Vandeperre et al. „Thermal Shock of Layered Ceramic Structures with Crack-Deflecting Interfaces" Journal of the American Ceramic Society, Vol. 84, No. 1, pages 104–110). Durch geschickte Einstellung der Bruchenergie Rg der Grenzflächen zwischen den einzelnen Schichten und der Bruchenergie Rs der einzelnen Schichten kann ein Riss abgelenkt und somit das katastrophale Versagen der Keramik verhindert werden. Theoretische Studien (He and Hutchinson, „Kinking of a crack out of an interface", Journal of Applied Mechanics, Vol. 56, pages 270–278) sagen für ein Verhältnis der Bruchenergien Rg/Rs < 0,57 eine Ablenkung eines Risses durch das Schichtsystem voraus. Gefordert sind also sogenannten „schwache" Grenzflächen. Diese „schwachen" Grenzflächen können durch Kombination von unterschiedlichen Materialien (Luc. J. Vandeperre et al. „Thermal Shock of Layered Ceramic Structures with Crack-Deflecting Interfaces" Journal of the American Ceramic Society, Vol. 84, No. 1, pages 104–110) oder durch Schichten aus dem gleichen Material, jedoch mit unterschiedlicher Porosität (Janet B. Davis et al. „Fabrication and Crack Deflection in Ceramic Laminates with Porous Interlayers" Journal of the American Ceramic Society, Vol. 83, No. 10, pages 2369–2374), erzeugt werden.
    •
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Keramikbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch das Aufbringen der mehrlagigen, Schutzhaut auf den monolithischen oder laminierten, z.B. aus Zirkoniumoxid (ZrO2) hergestellten Keramikkörper, ein thermoschockrobuster Schutz des Keramikkörpers erreicht wird, ohne dass in dessen Aufbau oder Funktionalität eingegriffen wird. Bei Thermoschock führt der stark lokalisierte Temperaturgradient zu einer Rissinitiierung in der Schutzhaut, die für eine Rissablenkung und einen Abbau der Spannungen sorgt und den darunterliegenden Keramikkörper vor Eindringen des Risses und Beschädigung schützt. Die Schutzhaut wird vorzugsweise im Vergleich zum Keramikkörper dünn ausgeführt. So liegt ihre Dicke bei einer Ausbildung des Keramikbauteils als Sensorelement für Gassensoren, wie z.B. Lambdasonden bei etwa 20% der Dicke des Sensorelements.
  • Insbesondere beim Einsatz des Keramikbauteils als Sensorelement in einem Abgassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft des Abgases, wie Temperatur oder Sauerstoff- oder Stickoxidkonzentration, ergeben sich wesentliche zusätzliche Vorteile. Bei Kaltstart eines Kraftfahrzeugs befindet sich eine große Menge an Wasser, z.B. Kondenswasser, im Abgassystem. Dieses Wasser trifft innerhalb der ersten 15–30 s auf das bereits auf ca. 600–900°C aufgeheizte Sensorelement. Um Stresssituationen im Sensorelement zu vermeiden, wird die Einbauposition des Sensorelements angepasst und der Aufheizvorgang verlangsamt, wodurch allerdings in Kauf genommen werden muss, dass die durch die Abgasregelung angestrebten Emissionswerte sich in gleicher Weise verzögert einstellen. Durch das mittels der dünnen Schutzhaut erreichte, verbesserte Thermoschockverhalten des Sensorelements entfällt diese Beschränkung, und das Sensorelement kann schnellstmöglich auf Betriebstemperatur aufgeheizt werden. Darüber hinaus wirkt die Schutzhaut als thermischer Puffer gegenüber der Abgasumgebung, so dass am Sensorelement durch Wärmestrahlung entstehende Wärmeverluste reduziert werden. Die Schutzhaut sorgt weiterhin für eine stabilere Temperaturregelung, wodurch die Messgenauigkeit wesentlich weniger stark abhängig ist von der Abgaspulsation und den damit verbundenen Veränderungen der Abgastemperatur in der Umgebung des Sensorelements. Diese starke Oszillation der Umgebungstemperatur wird durch die Pufferwirkung der Schutzschicht gedämpft.
  • Durch die in den weiteren Ansprüchen 2 bis 9 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen keramischen Bauteils möglich.
  • Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung des Keramikbauteils ist in dem unabhängigen Anspruch 10 angegeben.
  • Durch die in den Ansprüchen 11 bis 13 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens möglich.
    •
  • Zeichnung
  • Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematisierter Darstellung:
  • 1 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Sensorelements für eine Lambdasonde,
  • 2 eine vergrößere Darstellung des Ausschnitts II in 1.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Das in 1 im Längsschnitt ausschnittweise, schematisch skizzierte Sensorelement für eine Lambda-Sonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs zeigt den dem Abgasstrom ausgesetzten, gassensitiven Endabschnitt des Sensorelements. Das Sensorelement weist einen Keramikköper 11 auf, der aus mehreren Festelektrolytschichten 111 bis 114 zusammenlaminiert ist, die als Folien z.B. aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid (ZrO2) ausgeführt sind. In dem Keramikkörper 11 ist eine Pumpzelle mit äußerer und innerer Pumpelektrode 12, 13 und eine Nernstzelle mit Mess- oder Nernstelektrode 14 und Referenzelektrode 15 ausgebildet. In bekannter Weise sind äußere und innere Pumpelektrode 12, 13 auf voneinander abgekehrten Flächen der oberen Festelektrolytschicht 111 angeordnet, wobei die äußere Pumpelektrode 12 dem Abgas ausgesetzt und die innere Pumpelektrode 13 zusammen mit der Nernstelektrode 14 in einem Messraum 16 angeordnet ist, der in der zweiten Festelektrolytschicht 112 ausgebildet ist. In der zweiten Festelektrolytschicht 112 ist noch ein Referenzgaskanal 17 ausgebildet, der mit Referenzgas, beispielsweise Luft, beaufschlagt ist und die Referenzelektrode 15 aufnimmt. Referenzelektrode 15 und Nernstelektrode 14 sind dabei auf der dritten Festelektrolytschicht 113 angeordnet. Zwischen der dritten Festelektrolytschicht 113 und der vierten Festelektrolytschicht 114 ist ein in einer z.B. aus Aluminiumoxid (AL2O3) bestehenden Isolation eingebetteter Heizer 19 angeordnet, der das Sensorelement 11 auf dessen Betriebstemperatur von 600–900°C erwärmt. In der oberen ersten Festelektrolytschicht 111 ist ein Gaszutrittsloch 20 zum Messraum 16 eingebracht. Der Messraum 16 ist gegenüber dem Gaszutrittsloch 20 durch eine Diffusionsbarriere 21 abgesperrt.
  • Die Oberfläche des Keramikkörpers 11 ist in dem dem Abgas ausgesetzten Oberflächenbereich mit einer Schutzhaut 22 überzogen, die lediglich im Bereich der äußeren Pumpelektrode 12 und des zu dieser koaxial angeordneten Gaszutrittslochs 20 ausgespart ist. Die Schutzhaut 22 besteht aus mindestens zwei Schichten mit in aufeinanderfolgenden Schichten alternierenden mechanischen Eigenschaften (z.B. E-Modul, messbar durch Vickers-Indentation oder bei Einzelschichten aus unterschiedlichen Materialien durch Literaturwerte). In dem in 1 und vergrößert in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Schutzhaut 22 insgesamt vier keramische Schichten mit alternierendem Material und/oder alternierender Porosität auf, und zwar zwei gleich ausgebildete Schichtpaare 27, 28 mit den Schichten 23, 24 bzw. 25, 26. Jedes Schichtpaar 27, 28 erzeugt eine „schwache" Grenzfläche, d.h. eine Grenzfläche mit niedriger Bruchenergie Rg damit die eingangs genannte Relation R1/R2 < 0,57 erfüllt ist. Im Fall von alternierender Porosität kann die Relation erweitert werden: Rg/Rs < 0,57·(1 – Vp), wobei Vp der Volumenanteil der Porosität mit dem größeren Porositätswert ist (Janet B. Davis et al. „Fabrication and Crack Deflection in Ceramic Laminates with Porous Interlayers" Journal of the American Ceramic Society, Vol. 83, No. 10, pages 2369–2374). Die einzelnen Schichten 23–26 haben eine Schichtdicke oder Schichtstärke von 1μm bis 5μm, vorzugsweise 10μm, und die Gesamtstärke oder Dicke der Schutzhaut 22 beträgt 50μm bis 250μm, vorzugsweise 100μm. Entsprechend der gewählten Schichtdicke und Gesamtstärke der Schutzhaut 22 ist die Anzahl der vorhandenen Schichten zu wählen.
  • Ohne Einschränkung der Allgemeinheit werden als keramische Materialien für die Schichten 23–26 der Schutzhaut 22 yttriumstabilisiertes Zirkoniumoxid (ZrO2), Aluminiumoxid (Al2O3) oder Lanthanphosphat (LaPO4), Zinnoxid (SnO2), Bornitrat (BN), Silizium-Carbonat (SiC), Barium-Zirkomiumoxid (BaZrO3), Ba-Hexaluminat, Ba-Monoaluminat vorgeschlagen. Dabei kann jede Schicht 23–26 aus dem gleichen keramischen Material bestehen, wobei die „schwache" Grenzfläche (mit niedriger Bruchenergie) dadurch erzeugt wird, dass die Schichten 23 und 25 eine dichte Materialstruktur und die in jedem Schichtpaar 27, 28 untere und damit dem Keramikkörper 11 zugekehrte Schichten 24 und 26 eine poröse Materialstruktur aufweisen. Beispielsweise erfüllt eine Abfolge von dichten (Porosität kleiner 10Vol%, vorzugsweise kleiner 5Vol%) und porösen (Porosität größer 30Vol%, vorzugsweise größer 38Vol%) Al2O3-Schichten die oben genannte Bedingung. Beispielhaft ergibt eine Abfolge einer dichten Schicht Al2O3 (Schicht 23 und 25 in 1) mit einer Porosität von 0% und einer porösen Schicht Al2O3 (Schicht 24 und 25 in 1) mit einer Porosität von 48,7% ein Verhältnis der Bruchenergien Rg/Rs von etwa 0,18 und erfüllt somit die oben beschriebene Anforderung an die Rißablenkung, die sich aus Rg/Rs < 0,57(1 – Vp) mit Vp = 0,487 zu Rg/Rs < 0,29 ergibt. (siehe hierzu Ma et al. "Effect of porous interlayers on crack deflection in ceramic laminates" Journal of the European Ceramic Society, Vol. 24, 2004, page 825–831). Weiterhin kann eine alternierende Schichtfolge von unterschiedlichen Materialien (z.B. Al2O3-ZrO2, Al2O3-LaPO4 oder ZrO2-LaPO4 deren E-Module als intrinsische Eigenschaften sich stark voneinander unterscheiden) gewählt werden. Diese Materialkombinationen erzeugen bekannterweise „schwache" Grenzflächen. Beispielhaft besitzen Doppelschichten aus LaPO4 und ZrO2 (Rs = 6 J/m3, Rs = 110 J/m3) ein Verhältnis der Bruchenergien Rg/Rs von etwa 0,05 und erfüllen somit die oben beschrieben Anforderung für Rissablenkung. In diesem Fall wären im dargestellten Schnittbild der 1 die Schichten 23 und 25 aus ZrO2 und die Schichten 24, 26 aus LaPO4, so dass die Schichten 24 bzw. 26 mit der kleineren Bruchenergie in jedem Schichtpaar 27, 28 dem Keramikkörper 11 zugekehrt ist.
  • In 2 ist beispielhaft eine Rissablenkung in der Schutzhaut 22 bei Auftreten eines Thermoschocks am Sensorelement schematisch skizziert. Durch einen sehr stark lokalisierten Temperaturgradienten (z.B. durch das Auftreffen eines Wassertropfens) kommt es in der äußeren oberen Schicht 23 der Schutzhaut 22 zu der Initiierung eines Risses 29. Dieser Riss 29 wird in der darunterliegenden Schicht 24 (mit z.B. kleinerem E-Modul) aufgenommen. Aufgrund der „schwachen" Grenzfläche zwischen Schicht 24 und der Schicht 25 und der daraus erfüllten Bedingung Rg/Rs < 0,57, läuft der Riss 29 entlang der Schicht 24 und verliert aufgrund des verlängerten Rissweges an Energie. Sollte (eventuell durch Material- oder Schichtinhomogenität) der Riss 29 in die Schicht 25 (z.B. mit größerem E-Modul) gelangen, so durchläuft der Riss 29 die Schicht 25 sehr schnell und wird in der Schicht 26 aufgenommen. Aufgrund der „schwachen" Grenzfläche zwischen der Schicht 24 und dem Keramikkörper 11 und der daraus erfüllten Bedingung Rg/Rs < 0,57 läuft der Riss 29 entlang der Schicht 26 und verliert aufgrund des verlängerten Rissweges weiter an Energie. In jedem Fall wird ein Ausbilden eines Risses in dem darunterliegenden Keramikkörper 11 zuverlässig verhindert, wenn die Anzahl der Schichten angepasst an die herrschenden Umgebungsbedingungen gewählt wird. Die durch den Thermoschock in das Sensorelement eingebrachte Energie wird somit durch die Rissablenkung und der damit verbundenen Verlängerung des Rissweges bereits in der Schutzhaut 22 abgebaut. Der Riss erreicht nicht den Keramikkörper 11, und es kommt nicht zu einer katastrophalen Rissausbreitung in der Keramik 11. Das Sensorelement erhält durch die Schutzhaut 22 eine erhöhte Thermoschockrobustheit bei gleichzeitig unverändertem Sensorelementaufbau.
  • Die Schutzhaut 22 auf dem Keramikkörper 11 wird durch Beschichten des Keramikkörpers 11 mit den einzelnen Schichten 23–26 hergestellt, wobei der Keramikkörper 11 entweder noch im Grünzustand oder bereits gesintert ist. Der mit der Schutzhaut 22 versehene Keramikkörper 11 wird anschließend im ersten Fall gesintert und im zweiten Fall einer Wärmebehandlung unterzogen. Die äußere Pumpelektrode 12 und das Gaszutrittsloch 20 werden vor Beschichten mit einem Pfropfen z. B. aus Wachs oder Glaskohle geschützt und durch das Sintern bzw. durch die Wärmebehandlung wieder freigelegt. Bei der Beschichtung werden die einzelnen Schichten 26–23 als Schlicker oder Paste nacheinander mit einer dazwischen vorgenommenen Trocknungsprozess auf den Keramikkörper 11 aufgetragen. Dabei wird zunächst die erste Einzelschicht 26 auf die Oberfläche des Keramikkörpers 11 aufgetragen. Danach wird ein Trocknungsprozess durchgeführt. Danach wird die nächste Schicht 25 aufgetragen und wieder der gleiche Trocknungsprozess angeschlossen. Entsprechend wird die Schicht 24 auf die Schicht 25 und die Schicht 23 auf die Schicht 24 aufgetragen, wobei jeweils zuvor wieder der Trocknungsprozess durchgeführt wird. Der so beschichtete Keramikkörper 11 wird – wie bereits erwähnt – entweder gesintert oder einer Wärmebehandlung unterzogen, wodurch auch die äußere Pumpelektrode 12 und das Gaszutrittsloch 20 wieder freigebrannt werden. Das Auftragen der einzelnen Schichten 26–23 erfolgt im Tauch-, Druck- Sputter- oder Sprühprozess oder wird mittels Sieb- oder Tampondruck vorgenommen.
  • Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel eines Sensorelements für eine Lambdasonde beschränkt. In gleicher Weise kann auch ein Sensorelement für einen Gassensor zur Bestimmung der Stickoxidkonzentration im Abgas oder für einen Temperaturmessfühler zum Messen der Temperatur im Abgas oder in anderen Messgasen mit der erfindungsgemäßen Schutzhaut 22 versehen werden. Es versteht sich von selbst, dass der Keramikkörper 11 kein Laminat sein muss, sondern auch ein monolithischer Block sein kann, wie er beispielsweise bei Abgaskatalysatoren zu finden ist. Auch hier wird eine Rissbildung im monolithischen Keramikblock durch die erfindungsgemäße mehrschichtige oder mehrlagige Schutzhaut 22 verhindert.
  • Die Schutzhaut 22 kann auch mit einer ungeraden Anzahl von Schichten, z.B. drei Schichten, ausgeführt werden. In diesem Fall müssen mindestens zwei aufeinanderliegende Schichten, also mindestens ein Schichtpaar, bezüglich Material- und Porositätsauswahl so aufeinander abgestimmt werden, dass sie zwischen sich eine Grenzfläche mit niedriger Bruchenergie Rg ausbilden, die der vorstehend angegebenen Bedingung genügt.
  • Das vorstehend beschriebene, erfindungsgemäße keramische Bauteil mit den angegebenen gravierenden Vorteilen wird durch die Verwendung einer an sich bekannten Mehrschichtstruktur zur Rissablenkung als eine den Keramikkörper in Bereichen mit großen Temperaturgradienten überziehende Schutzhaut gewonnen. Während bei der bekannten Mehrschichtstruktur der Keramikkörper selbst die Zwischenschichten mit z.B. niedrigem Elastizitätsmodul und/oder großer Porosität enthalten muss, bleibt bei der erfindungsgemäßen Verwendung der Mehrschichtstruktur als Schutzhaut der Keramikkörper selbst unangetastet, so dass weder in dessen Aufbau noch in dessen Funktion eingegriffen wird. Der Schutz gegen Rissbildung ist unabhängig davon, ob der Keramikkörper ein Monolith ist oder ein Laminat aus Schichten mit gleichen oder unterschiedlichen Materialien, die zur Erzielung einer bestimmten Funktionalität ausgewählt sind, wie dies bei Sensorelementen für Abgassensoren der Fall ist.

Claims (18)

  1. Keramikbauteil, insbesondere Sensorelement für einen Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente im Abgas von Verbrennungsmotoren, mit einem insbesondere laminierten Keramikkörper (11), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Oberflächenbereiche des Keramikkörpers (11), die großen Temperaturgradienten ausgesetzt sind, mit einer Schutzhaut (22) überzogen sind, die mindestens zwei keramische Schichten (23, 24; 25, 26) aufweist, die zwischen sich eine Grenzfläche mit einer solch niedrigen Bruchenergie Rg erzeugen, dass das Bruchenergieverhältnis Rg/Rs kleiner als 0,57 ist.
  2. Keramikbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei keramischen Schichten aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichem Elektrizitäts-Modul bestehen.
  3. Keramikbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei keramischen Schichten aus gleichem Material mit unterschiedlicher Porosität bestehen.
  4. Keramikbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schichten (23, 24; 25, 26) zwischen sich eine Grenzfläche mit niedriger Bruchenergie Rg so erzeugen, dass das Bruchenergieverhältnis Rg/Rs kleiner als 0,57 (1 – Vp) ist, wobei Vp der Volumenanteil der Porosität der Schicht (23, 24) mit dem größeren Porositätswert ist.
  5. Keramikbauteil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Schicht (23; 25) eine Porosität, die kleiner als 10 Vol%, vorzugsweise kleiner als 5% ist, und die andere Schicht (24; 26) eine Porosität aufweist, die größer als 30 Vol%, vorzugsweise größer 38 Vol%, ist.
  6. Keramikbauteil nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass von den mindestens zwei Schichten (23, 24; 25, 26) die Schicht (24; 26) mit der niedrigeren Bruchenergie, dem kleineren E-Modul oder der größeren Porosität dem Keramikkörper (11) zugekehrt ist.
  7. Keramikbauteil nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zwischen sich eine Grenzfläche mit niedriger Bruchenergie Rg bildende Schichten (23, 24 bzw. 25, 26) ein Schichtpaar (27 bzw. 28) bilden und die Schutzhaut (22) mehrere, gleich ausgebildete Schichtpaare (27, 28) aufweist
  8. Keramikbauteil nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhaut (22) im Bereich einer auf der Oberfläche des Keramikkörpers (11) angeordneten Elektrode (12) und eines im Keramikkörper (11) angeordneten Gaszutrittslochs (20) ausgespart ist.
  9. Keramikbauteil nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schutzhaut (22) 50μm bis 250μm, vorzugsweise 100μm, und die Schichtdicke der einzelnen Schichten (23–26) 1μm bis 50μm, vorzugsweise 10μm, beträgt.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Keramikbauteils, insbesondere eines Sensorelements für einen Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente im Abgas von Brennkraftmaschinen, nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass der im Grünzustand sich befindliche Keramikkörper (11) oder der bereits gesinterte Keramikkörper (11) mit den einzelnen Schichten (26–23) der Schutzhaut (22) beschichtet und anschließend der mit der Schutzhaut (22) versehene, im Grünzustand sich befindliche Keramikkörper (11) gesintert oder der mit der Schutzhaut (22) versehene, gesinterte Keramikkörper (11) einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichten (26–23) der Schutzhaut (22) als Schlicker oder Paste nacheinander mit dazwischen vorgenommenen Trocknungsprozess aufgetragen werden, wobei die erste Schicht (26) auf den Keramikkörper (11) aufgetragen wird und die weiteren Schichten (25–23) auf die jeweils zuvor aufgetragene Einzelschicht nach vorausgegangenem Trocknungsprozess dieser Einzelschicht aufgetragen werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine außenliegende Elektrode (12) des Keramikkörpers (11) und ein Gaszutrittsloch (20) im Keramikkörper (11) vor dem Beschichten mit einem Werkstoff überdeckt werden, der durch den Sinter- oder Wärmebehandlungsprozess abbrenn- oder abschmelzbar ist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10–12, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten des Keramikkörpers (11) durch einen Tauch-, Druck-, Sputter- oder Sprühprozess oder mittels Sieb- oder Tampondruck vorgenommen wird.
  14. Mehrschichtstruktur mit mindestens zwei aufeinanderliegenden, keramischen Schichten (23, 25; 24, 26), die zwischen sich eine Grenzfläche mit niedriger Bruchenergie Rg so erzeugen, dass das Bruchernergieverhältnis Rg/Rs kleiner als 0,57 oder im Fall von Schichten aus gleichem Material und unterschiedlicher Porosität insbesondere kleiner als 0,57 (1 – VP) ist, gekennzeichnet durch ihre Verwendung als Schutzhaut (22) für einen vorzugsweise laminierten Keramikkörper (11), indem sie mindestens auf Oberflächenbereiche des Keramikkörpers (11) aufgebracht wird, die großen Temperaturgradienten ausgesetzt sind.
  15. Mehrschichtstruktur nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schutzhaut (22) 50μm bis 250μm, vorzugsweise 100μm, und die Schichtdicke der einzelnen Schichten (23–26) 1μm bis 50μm, vorzugsweise 10μm, beträgt.
  16. Mehrschichtstruktur nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass von den aufeinanderliegenden Schichten (23, 24; 25, 26) die eine Schicht (24; 26) eine Porosität aufweist, die kleiner als 10 Vol% ist, und die andere Schicht (23; 25) eine Porosität aufweist, die größer als 30 Vol%, vorzugsweise größer als 38 Vol%, ist.
  17. Mehrschichtstruktur nach einem der Ansprüche 14–16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (24; 26) mit der kleineren Bruchenergie Rs bzw. der größeren Porosität dem Keramikkörper (11) zugekehrt ist.
  18. Mehrschichtstruktur nach einem der Ansprüche 14–17, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zwischen sich eine Grenzfläche mit niedriger Bruchenergie Rg bildende Schichten (23, 24 bzw. 25, 26) ein Schichtpaar (27 bzw. 28) bilden und dass mehrere, gleich ausgebildete Schichtpaare (27, 28) vorhanden sind.
DE200410054014 2004-11-09 2004-11-09 Keramikbauteil Withdrawn DE102004054014A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200410054014 DE102004054014A1 (de) 2004-11-09 2004-11-09 Keramikbauteil
PCT/EP2005/054193 WO2006051007A1 (de) 2004-11-09 2005-08-25 Keramikbauteil

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200410054014 DE102004054014A1 (de) 2004-11-09 2004-11-09 Keramikbauteil

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102004054014A1 true DE102004054014A1 (de) 2006-05-11

Family

ID=35385710

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE200410054014 Withdrawn DE102004054014A1 (de) 2004-11-09 2004-11-09 Keramikbauteil

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102004054014A1 (de)
WO (1) WO2006051007A1 (de)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009098833A1 (en) * 2008-02-04 2009-08-13 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Exhaust gas sensor
DE102008013515A1 (de) 2008-03-07 2009-09-10 Volkswagen Ag Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde während der Aufwärmphase
DE102010022683A1 (de) * 2010-06-04 2011-04-21 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben einer an eine Brennkraftmaschine angeschlossenen Abgasreinigungsanlage
DE102009055421A1 (de) 2009-12-30 2011-07-07 Robert Bosch GmbH, 70469 Sensorelement mit verbessertem Gaszutritt
DE102013204911A1 (de) * 2013-03-20 2014-09-25 Continental Automotive Gmbh Sensorvorrichtung
WO2014147113A1 (de) * 2013-03-20 2014-09-25 Continental Automotive Gmbh Sensor zur erfassung eines gasgehalts
DE102013204914A1 (de) * 2013-03-20 2014-09-25 Continental Automotive Gmbh Sensor zur Erfassung eines Gasgehalts
CN110785657A (zh) * 2017-06-23 2020-02-11 罗伯特·博世有限公司 用于废气传感器的传感器元件
DE102014209404B4 (de) 2013-05-20 2021-12-30 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Gassensor

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009000213A1 (de) * 2009-01-14 2010-07-15 Robert Bosch Gmbh Isolationssystem für Abgassensoren

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5271821A (en) * 1988-03-03 1993-12-21 Ngk Insulators, Ltd. Oxygen sensor and method of producing the same
JP3629786B2 (ja) * 1995-01-19 2005-03-16 株式会社デンソー 酸素濃度検出器
JP4539802B2 (ja) * 2001-03-14 2010-09-08 日本特殊陶業株式会社 ガスセンサ素子及びガスセンサ
DE10260849B4 (de) * 2002-12-23 2017-05-24 Robert Bosch Gmbh Meßfühler

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009098833A1 (en) * 2008-02-04 2009-08-13 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Exhaust gas sensor
US8236155B2 (en) 2008-02-04 2012-08-07 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Exhaust gas sensor
DE102008013515A1 (de) 2008-03-07 2009-09-10 Volkswagen Ag Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde während der Aufwärmphase
DE102009055421A1 (de) 2009-12-30 2011-07-07 Robert Bosch GmbH, 70469 Sensorelement mit verbessertem Gaszutritt
DE102010022683A1 (de) * 2010-06-04 2011-04-21 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben einer an eine Brennkraftmaschine angeschlossenen Abgasreinigungsanlage
DE102013204911A1 (de) * 2013-03-20 2014-09-25 Continental Automotive Gmbh Sensorvorrichtung
WO2014147113A1 (de) * 2013-03-20 2014-09-25 Continental Automotive Gmbh Sensor zur erfassung eines gasgehalts
DE102013204914A1 (de) * 2013-03-20 2014-09-25 Continental Automotive Gmbh Sensor zur Erfassung eines Gasgehalts
DE102013204911B4 (de) * 2013-03-20 2015-02-26 Continental Automotive Gmbh Sensorvorrichtung
US9976980B2 (en) 2013-03-20 2018-05-22 Continental Automotive Gmbh Sensor device
DE102014209404B4 (de) 2013-05-20 2021-12-30 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Gassensor
CN110785657A (zh) * 2017-06-23 2020-02-11 罗伯特·博世有限公司 用于废气传感器的传感器元件

Also Published As

Publication number Publication date
WO2006051007A1 (de) 2006-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2006051007A1 (de) Keramikbauteil
DE102019005990A1 (de) Sensorelement
DE102019005986A1 (de) Sensorelement
EP0604468A1 (de) Abgassensor
WO2005090958A1 (de) Sensorelement zur bestimmung der physikalischen eigenschaft eines messgases
DE3000993A1 (de) Elektrochemischer messfuehler mit schutzeinrichtung fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in abgasen, insbesondere von verbrennungsmotoren
DE102012210725A1 (de) Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum
DE102021001577A1 (de) Gassensor
DE4342005A1 (de) Planare elektrochemische Sonde und Verfahren zu deren Herstellung
DE102019005350A1 (de) Sensorelement
DE102019005348A1 (de) Sensorelement
DE102014200481A1 (de) Breitbandlambdasonde und Herstellungsverfahren für eine Breitbandlambdasonde
DE19827253B4 (de) Mehrschichtiger Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor
DE102015212086A1 (de) Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum
DE102014206247A1 (de) Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum und Verfahren zum Herstellen
DE102004060291A1 (de) Sensorelement zur Bestimmung von Gaskomponenten in Gasgemischen und Verfahren zur Herstellung desselben
DE102007055900A1 (de) Geschichteter Gassensor mit verbessertem Aufbau zum zuverlässigen Verhindern von Brüchen
DE112020001640T5 (de) Sensorelement eines Gassensors
DE19746516A1 (de) Planares Sensorelement
EP0741865B1 (de) Sensorelement
DE102018204064A1 (de) Sensorelement
DE112020001614T5 (de) Sensorelement für Gassensor
DE10260849A1 (de) Meßfühler
DE112016003882T5 (de) A/F-Sensor und Verfahren zu dessen Herstellung
DE112020001680T5 (de) Sensorelement eines Gassensors

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed

Effective date: 20110915

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20130601