DE102011111787A1

DE102011111787A1 - Gesintertes flächiges Zirkonprodukt

Info

Publication number: DE102011111787A1
Application number: DE201110111787
Authority: DE
Inventors: Franz Koppe; Thomas Betz; Michael Müller
Original assignee: RAUSCHERT HEINERSDORF PRESSIG GmbH; RAUSCHERT HEINERSDORF-PRESSIG GmbH; KERAFOL Keramische Folien GmbH
Current assignee: RAUSCHERT HEINERSDORF PRESSIG GmbH; RAUSCHERT HEINERSDORF-PRESSIG GmbH; KERAFOL Keramische Folien GmbH
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2013-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein gesintertes Zirkonprodukt, das mehr als 90 Masse% Zirkonsilikat umfasst, wobei das Zirkonprodukt eine Rohdichte von weniger als 3,8 g/cm3 und die Form eines flächigen Substrates aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein gesintertes Zirkonprodukt, das mehr als 90 Masse% Zirkonsilikat umfasst.
Ein derartiges Zirkonprodukt ist aus DE 10 2005 032 254 B4 bekannt und wird zur Auskleidung von Glasschmelzöfen verwendet. Die bekannten Zirkonprodukte werden nach Art von Steinen oder Blöcken hergestellt werden und eignen sich deswegen besonders gut, um die angestrebte Auskleidung von Glasschmelzöfen vorzunehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein gesintertes Zirkonprodukt mit mehr als 90 Masse% Zirkonsilikat völlig neue Einsatzgebiete zu eröffnen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Zirkonprodukt eine Rohdichte von weniger als 3,8 g/cm³ und die Form eines flächigen Substrates aufweist, das z. B. als Träger für funktionale Schichten dienen kann, als Membran für Sensoren oder dergleichen. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2–10. Die Ansprüche 11–15 beziehen sich auf besonders vorteilhafte Verwendungsbereiche.
Es hat sich in überraschender Weise herausgestellt, dass gesinterte Zirkonprodukte, die in einem Foliengießverfahren oder in einem Pressvorgang hergestellt werden können, trotz ihrer flächigen Substratform und einer relativ geringen Rohdichte eine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen, um nach dem Sintervorgang z. B. in einem Beschichtungsverfahren weiterbearbeitet werden können, um entsprechende neue Einsatzgebiete zu erschließen bspw. in der Elektroindustrie oder der Solartechnik.
Als besonders vorteilhaftes Herstellungsverfahren für die flächigen Substrate aus gesintertem Zirkonprodukt hat sich ein Foliengießvorgang erwiesen, der es ermöglicht, mit Gießbreiten von bis zu 1 m und mehr dünne Grünfolien zu gießen, die dann im Grünzustand in die entsprechende Form geschnitten, gestanzt und sodann gesintert werden können, um die flächigen Substrate mit den gewünschten Masse- und Dichtespezifikationen zu erhalten.
Substratdicken von < 2 mm sind ohne Weiteres herstellbar. Durch den Gießvorgang können unterschiedliche, auch graduierte Porositäten, erzielt werden. Beispielsweise durch einen zweistufigen Gießvorgang ist es möglich, wenigstens eine Oberfläche des Zirkonproduktes feinporiger zu gestalten als den Innenbereich. Die Feinporigkeit der Oberflächen verbessert die Beschichtbarkeit und lässt sich auch für weitere chemische Einsatzbereiche heranziehen, wenn beispielsweise das flächige gesinterte Zirkonprodukt als Separationselement für die Trennung von Gas und Filtration von Flüssigkeiten eingesetzt werden soll.
Weiterhin hat sich zur Herstellung des gesinterten Zirkonprodukts ein Pressverfahren als besonders vorteilhaft erwiesen. Als Verfahren kommen hier an sich bekannte Vorgänge wie insbesondere isostatisches Pressen, Halbtrockenpressen sowie Nasspressen in Frage. Wie auch in Beispiel 2 ausgeführt wird, lassen sich hierdurch alle nur denkbaren Geometrien erzielen, beispielsweise flache (plattenförmige), dachziegelförmige, wellenförmige oder trapezförmige Geometrien. Hierbei können Bauteile mit Abmessungen von üblicherweise 100 × 100 mm bis 500 × 500 mm oder kleiner und einer variablen Dicke von 0,7 mm bis 10 mm erzeugt werden.
Folglich sind somit auch durch dieses Verfahren gesinterte Substrate mit einer Dicke < 2 mm herstellbar.
Vorteilhafterweise wird bei dem Zirkonprodukt eine Porosität > 25 Volumen% eingestellt, was sich vorteilhaft auf das Gewicht der letztlich hergestellten Substrate auswirkt.
Als besonders vorteilhaft wird die Eignung des gesinterten Zirkonproduktes als Trägermaterial für Siliziumprodukte angesehen, wobei das Zirkonprodukt mit einer Barriereschicht zwischen der Oberfläche des Trägermaterials und der Siliziumschicht versehen werden kann.
Die Erfindung wird nunmehr anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert, die die Prozessierung bis zu einem Keramiksubstrat zeigen.
Beispiel 1: Herstellung durch Foliengießverfahren
Zunächst werden Lösemittel, Pulver und Dispergierer einem Mischprozess unterzogen, sodann kommen Binder und Hilfsmittel für die Einstellung der elastischen Eigenschaften hinzu.
Siehe Fig. 1
Die so entstehende Masse wird homogenisiert und nachfolgend durch Vakuumtechnologie von Gasblasen befreit (=entlüftet). Dieses entlüftete Material wird dem üblichen Foliengießprozess mit dem „Doctor Blade Verfahren” zugeführt. Die dann entstehende Grünfolie wird danach auf das gewünschte Format geschnitten und dadurch vereinzelt.
Als Rohstoffe kommen für die Anorganik Zirkonsilikate mit einem mittleren Korndurchmesser d₅₀ von 0,5 bis 5 μm zum Einsatz.
Die aus dem Foliengießen erzeugten Bahnen werden nach der Trocknung in Einzelteile sog. Formate vereinzelt. Dies kann durch Schneiden oder Stanzen geschehen. Danach können diese Formate entweder in dieser Form gesintert werden oder zuvor auch noch mit Bedruckungsschritten beschichtet, durch Lamination in Mehrlagenschaltungen zusammengefügt und danach erst gesintert werden.
Die Einzelteile werden während der Herstellung und der Weiterverarbeitung auch Qualitätskontrollen unterzogen und nachfolgend als Substrate oder Träger für weitere Beschichtungen eingesetzt.
1: Prozessierung bis zur Grünfolie
Bezugszeichenliste

1: Dispergierung
2: Homogenisierung
3: Entlüftung mittels Vakuum
4: Gießen der Folie mit Doctor-Blade-Verfahren

Beispiel 2: Herstellung durch Pressen
Wasser, Dispergierhilfsmittel und Pulver werden einem konventionellen Mischprozess unterzogen. Danach werden gängige Binde- und Hilfsmittel zugegeben und die Suspension homogenisiert.
Die homogene Suspension wird mittels Sprühtrockner granuliert. Das Granulat wird konditioniert (abgesiebt, Presshilfsmittel zugegeben, Pressfeuchte eingestellt) und Qualitätskontrollen unterzogen.
Das fertige Granulat wird mittels Pressautomaten verpresst. Die Füllung der Pressform erfolgt mittels Füllvorrichtung. Der Pressprozess läuft automatisch ab.
Hierbei können folgende Pressgeometrien erreicht werden:

– flach (plattenförmig)
– dachziegelförmig
– wellenförmig
– trapezförmig.

Abmessungen:

– üblicherweise 100 × 100 mm bis 500 × 500 mm oder kleiner
– Dicke variabel von 0,7 mm bis 10 mm

Die gepressten Bauteile werden mittels Automaten aus der Presse entnommen und auf Brennplatten abgelegt. Die Bauteile werden anschließend entbindert und gesintert. Es sind gesinterte Substrate mit einer Dicke < 2 mm herstellbar.
Die Bauteile werden Qualitätskontrollen unterzogen und als Substrate für verschiedene Beschichtungen und Anwendungen eingesetzt. Die Ergebnisse einer Überprüfung der Substrate auf ihre Festigkeit sind in Tabelle 1, unten, wiedergegeben.
Die Prozessierung bis zum Substrat mittels der oben vorgestellten Presstechnik ist in 2 dargestellt.
2: Prozessierung bis zum Substrat

Eine Überprüfung der erzielten Produkte hinsichtlich der Festigkeiten ist in Tabelle 1 dargestellt. D beschreibt die Dicke der Substrate in mm, F ist die Festigkeit in N. Die Festigkeit von 4 erfindungsgemäßen Substraten wurde mit drei im Handel erhältlichen Produkten verglichen. Für das Substrat PZS TP007/1 ist der Einfluss der Brenntemperatur auf die Festigkeit wiedergegeben.

	Brenntemp. [°C]	D [mm]	F [N]	F[N]-Standardabweichung
Solarzelle (Martifer^®)		0,22	8,2	2,24
Si-Wafer as cut (ISE^®)		0,2122	5,7	0,90
Si-Wafer geätzt (ISE^®)		0,2397	13,0	3,16
FZS (nicht ummantelt)		0,83	91,7	5,33
FZS (ummantelt)		0,86	127,6	11,34
PZS TP007/1		0,95	34,0	2,83
PZS TP004/2		1	66,9	1,98

PZS TP007/1	1410°C/2h		29,9	1,41
PZS TP007/1	1460°C/2h		34,1	3,86
PZS TP007/1	1500°C/2h		36,7	0,85
PZS TP007/1	1550°C/2h		32,8	3,11

FZS = gegossene Substrate
PZS = gepresste Substrate

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005032254 B4 [0002]

Claims

Gesintertes Zirkonprodukt, das mehr als 90 Masse% Zirkonsilikat umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkonprodukt eine Rohdichte von weniger als 3,8 g/cm³ und die Form eines flächigen Substrates aufweist.
Zirkonprodukt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Dicke von < als 10 mm, vorzugsweise < als 2 mm aufweist.
Zirkonprodukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche eine zumindest teilweise geschlossene Porosität aufweist.
Zirkonprodukt nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Zirkonprodukt mehr als 94 Masse% Zirkonsilikat umfasst.
Zirkonprodukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin ZrO₂ und SiO₂ umfasst.
Zirkonprodukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität > 25 Volumen% ist.
Zirkonprodukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Foliengießverfahren hergestellt ist.
Zirkonprodukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es durch einen Pressvorgang hergestellt ist.
Zirkonprodukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Extrudieren, durch einen CIM (Hoch- und Niederdruckspritzgussvorgang) oder durch Formengießen hergestellt ist.
Zirkonprodukt nach einem dem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt in einem zweistufigen keramischen Fertigungsprozess hergestellt wird und eine derart graduierte Porosität aufweist, dass wenigstens eine Oberfläche des Produktes feinporiger ist als der Innenbereich.
Verwendung eines gesinterten Zirkonproduktes nach einem der Ansprüche 1–10, als Trägermaterial für Siliziumprodukte.
Verwendung nach Anspruch 11, wobei die Siliziumprodukte aus elementarem Silizium und/oder Siliziumverbindungen gebildet sind.
Verwendung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkonprodukt eine Barriereschicht zwischen der Oberfläche des Trägermaterials und dem Siliziumprodukt trägt.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12–13, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial für Solarmodule eingesetzt wird.
Verwendung eines gesinterten Zirkönproduktes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – als Träger für funktionelle Schichten, beispielsweise elektrisch leitende Schichten, – als Membran in Sensoren, – als Separationselement für die Trennung von Gas und Filtration von Flüssigkeiten, – als Träger darauf angebrachter Separationsschichten, – als Fügefolie für Werkstoffverbunde oder als – Reservoir für Flüssigkeiten in Sensorsystemen.