DE102004063172A1 - Keramischer Körper - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Körper, insbesondere einen Gassensor, dessen Thermoschockrobustheit verbessert werden soll. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass er kugelförmige Poren enthält und dass die mittlere Korngröße des Gefüges < 2 mum beträgt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Körper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Die mechanischen Eigenschaften keramischer Körper hängen neben ihrer Formgebung unter anderem von den verwendeten keramischen Grundstoffen, der Dichte ihrer Anordnung und ihrer Porosität ab. Die DE 102 41 265 A1 beschreibt einen gesinterten Siliziumcarbidkörper mit optimierten tribologischen Eigenschaften ihrer Gleit- bzw. Dichtfläche. Unter Verweis auf die Notwendigkeit einer gleichmäßigen Porenverteilung im Körper wird ein Nenndurchmesser von 10 μm bis 48 μm für kugelförmige Poren bei einem Volumenanteil zwischen 2 % und 12 % als besonders vorteilhaft beschrieben.
• Ein bewusst eingewählter Bereich des Porendurchmessers bewirkt dabei durch eine gleichmäßige Aufnahme von Schmiermitteln auf der Oberfläche des betreffenden Körpers gute Gleiteigenschaften.
• Aus der DE 196 12 495 C1 ist ebenfalls ein Hinweis darauf zu entnehmen, dass zur Erzielung guter mechanischer Eigenschaften auf möglichst gerundete bis kugelähnliche Formen bei der Ausbildung von Poren zu achten ist. Der Durchmesser der geschlossenen Poren ist darin als vorzugsweise zwischen 10 μm und 30 μm liegend angegebenen. Auch hierin wird die Funktion der Poren als Reservoir für Schmiermittel (z.B. Fette) beschrieben.
• Die Kornverteilung liegt zwischen 10 μm < d₅₀ < 100 μm und 60 μm < d₁₀₀ < 400 μm. Mit derartig hergestellten keramischen Körpern mit runden, vorzugsweise kugelformähnlichen, geschlossenen Poren kann die Verschleißfestigkeit der daraus hergestellten Körper deutlich verbessert werden.
• Keramische Körper werden aber auch oft über große Temperaturbereiche hinweg eingesetzt, wobei es insbesondere auf eine gute Thermoschockrobustheit ankommt. Diese hängt einerseits vom Elastizitätsmodul ab und andererseits von der Festigkeit des keramischen Körpers. Die nach den beiden technischen Lehren der oben angeführten Druckschriften erzielbare Thermoschockrobustheit von keramischen Körpern, die sehr großen Temperaturschwankungen unterliegen, wie z.B. Keramiksensoren für die Abgasbestimmung, ist bisher noch nicht zufriedenstellend.
• Aufgabe und Vorteile der Erfindung
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Thermoschockrobustheit keramischer Körper zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
• In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
• Die Erfindung geht von einem Keramikkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus. Der Kern der Erfindung liegt darin, dass die mittlere Korngröße des keramischen Gefüges ≤ 2 μm beträgt.
• Der Wahl einer solch geringen Korngröße liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Porenform neben der Form der verwendeten Porenbildner auch stark von der Korngröße der diese umgebenden keramischen Rohstoffe abhängig ist.
• Je größer die Korngröße der verwendeten keramischen Rohstoffe ist, desto zerklüfteter sind die Oberflächen der nach dem Ausbrennen der Porenbildner entstehenden Poren, und weichen damit in nachteiliger Weise von der idealen Kugelform ab. Dieser Nachteil kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Wahl der Korngröße für das keramische Gefüge, insbesondere ≤ 2 μm deutlich verbessert werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist es dabei vorgesehen, dass der Porendurchmesser etwa im Bereich zwischen 2 μm und 10 μm liegt. Dies hat sich insbesondere für Anwendungen im Bereich von Keramiksensoren als vorteilhaft herausgestellt.
• Weiterhin wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Porenanteil im Keramikkörper im Bereich zwischen etwa 0 %Vol und 10 %Vol liegt. In diesem Bereich fällt zwar die Festigkeit des keramischen Körpers von 100 % auf circa 80 % ab. Die Thermoschockrobustheit steigt in diesem Bereich jedoch zuerst von etwa 100 % bis auf 150 % an, die bei einer Porosität von etwa 5 %Vol erreicht wird, und fällt anschließend wieder etwa im gleichen Maße mit ihrer Wertekurve ab. Hintergrund ist, dass durch die damit einhergehende Senkung des E-Moduls (was durch jegliche Art Poren erzielt würde) die Thermoschockrobustheit gesteigert wird, jedoch die kugelige Form der Poren den Verlust ans Festigkeit begrenzt.
• Somit wird ein Porenanteil um 5 %Vol herum als besonders vorteilhaft angesehen.
• Als ein besonders bevorzugter keramischer Grundstoff hat sich Zirkondioxid ZrO₂ herausgestellt. Ein weiterer bevorzugter keramischer Grundstoff ist Aluminiumoxid Al₂O₃.
• Die Herstellung des keramischen Körpers erfolgt durch Mischen und Dispergieren der keramischen Rohstoffe, der Porenbildner und der Hilfsstoffe, sowie anschließender Formgebung. Die Porosierungsmittel sind so gewählt, dass sie inert und formstabil sind, hinsichtlich der Temperatur, chemischer und mechanischer Belastung bei der Herstellung der keramischen Formkörper und quasi rückstandsfrei entfernbar sind. Als Porenbildner eignen sich insbesondere temperatur-, lösungsmittel-, und weichmacherbeständige, kugelförmige Polymer- oder Kohlenstoffpulver. Beispielsweise können genannt werden Glaskohlenstoff, Duroplaste, hochschmelzende Thermoplaste und Elastomere.
• Nach der Entbinderung bildet sich die Form der Porosierungsmittel in kugeligen Hohlräumen ab. Insbesondere durch die besonders feine Korngröße der keramischen Rohstoffe weisen diese verhältnismäßig glatte und durchgehende Oberfläche auf, so dass sich dadurch ein recht stabiles Gefüge im Keramikkörper und damit eine deutlich erhöhte Thermoschockrobustheit ergibt. Somit dominiert die Senkung des E-Moduls durch die generierte Porosität und es resultiert eine gesteigerte Thermoschockrobustheit.
• Zeichnungen
• Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und unter Angabe weiterer Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:
• 1 ein Schnittbild durch einen keramischen Körper und
• 2 zwei Diagramme, die den Zusammenhang zwischen Porosität, Festigkeit und Thermoschockrobustheit zeigen.
• 1 zeigt einen Querschnitt durch einen keramischen Körper 1 mit darin ausgebildeten, unterschiedlich großen, geschlossenen, kugelförmigen Poren 2. Diese sind von der feinkörnigen Keramik 3 derart umschlossen, dass sich nach der Entbinderung der Porenbildner eine kaum zerklüftete Oberfläche der kugelförmigen Poren ergibt, die die Thermoschockrobustheit des keramischen Körpers deutlich steigert.
• Zum Größenvergleich ist in der rechten unteren Ecke der Darstellung der Maßstab 25 μm mit Positionsnummer 4 angezeigt. Somit lässt sich über dieses Größenverhältnis auch der Nachweis der deutlich optimierten Kugelform der Poren nachweisen.
• Aus der grafischen Darstellung in der 2 ist in der X-Achse 5 der %Vol-Anteil der Poren im keramischen Körper zu entnehmen, wobei die Unterteilung zwischen 0 % und 10 % liegt. Auf der Y-Achse sind diesen %Vol zwei Abbildungen 6, 7 zugeordnet. In der unteren Darstellung wird die relative Festigkeit 6 des keramischen Körpers gezeigt, die zwischen 100 % relativer Festigkeit bei 0 %Vol Porosität und etwa 80 % relativer Festigkeit circa 9 %Vol Porosität liegt.
• Die darüber liegende Kurve 7 zeigt die relative Thermoschockfestigkeit auf der gleichen Bezugsbasis wie die erste Darstellung, mit einer nach oben gekrümmten, bauchigen Kurve, deren Scheitelpunkt in etwa bei 5 %Vol liegt und etwa 150 % relative Thermoschockfestigkeit aufweist.
• Daraus geht hervor, dass der Bereich zwischen 0 %Vol Porosität und 10 %Vol Porosität zwar eine Reduzierung der Köperfestigkeit ergibt, dass sich die Thermoschockrobustheit in diesem Bereich jedoch am günstigsten verhält. Das Optimum liegt demnach etwa im Bereich von etwa 5 %Vol, wobei dieser Bereich durchaus auf den Bereich zwischen 3 %Vol und 8 %Vol Porosität ausgedehnt werden kann.

1

Keramikkörper

2

Pore

3

Keramik

4

Maßstab

5

Porosität

6

relative Festigkeit

7

relative Thermoschockfestigkeit

Claims (6)

1. Keramischer Körper, insbesondere Gassensor, mit zwischen den Körnern des keramischen Gefüges ausgebildeten, annähernd kugelförmigen, geschlossenen Poren, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Korngröße des keramischen Gefüges ≤ 2 μm beträgt.
2. Keramischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Porendurchmesser etwa im Bereich zwischen 2 μm und 10 μm liegt.
3. Keramischer Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Porenanteil im Bereich zwischen etwa 1 Vol % und 10 Vol % liegt.
4. Keramischer Körper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Porenanteil bei 5,0 Vol % liegt.
5. Keramischer Körper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein keramischer Grundstoff ZrO₂ ist.
6. Keramischer Körper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein keramischer Grundstoff Al₂O₃ ist.