DE102012223913B4

DE102012223913B4 - Grünkörper, Verfahren zur Herstellung des Grünkörpers und aus dem Grünkörper gebrannter keramischer Formkörper

Info

Publication number: DE102012223913B4
Application number: DE201210223913
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kollenberg
Original assignee: WZR ceramic solutions GmbH
Current assignee: WZR ceramic solutions GmbH
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: DE102012223913A1

Abstract

Grünkörper aufweisend wenigstens zwei ungebrannte keramische Streifen, a. wobei senkrecht zu und in Kontakt mit Längskanten wenigstens zweier Streifen wenigstens eine keramische Platte angeordnet ist, b. wobei die Streifen senkrecht zu den Längskanten wenigstens einen nicht über die gesamte Breite des jeweiligen Streifens verlaufenden Schlitz aufweisen, und c. wobei der nicht geschlitzte Bereich des einen Streifens in den Schlitz des anderen Streifens eingreift.

Description

Die Erfindung betrifft einen Grünkörper, ein Verfahren zur Herstellung des Grünkörpers und einen aus dem Grünkörper gebrannten keramischen Formkörper.
Brennhilfsmittel haben die vorrangige Aufgabe eine effektive Nutzung des Ofenraumes dadurch zu ermöglichen, dass möglichst viele Formkörper während eines Brennprozesses gesintert werden können. Dazu wird in den Ofen ein System aus Platten und Stützen eingebracht, um ähnlich einem Regal die Formteile zu positionieren. Dabei beträgt die Dicke der eingesetzten Platten fertigungsbedingt in aller Regel bis zu 30 mm. Dadurch ist es bislang notwendig, eine relativ große Masse bei jedem Brand mit zu erwärmen. Ebenso wird die Abkühlzeit deutlich verlängert.
Ferner werden in Brennöfen vergleichbare Platten zur Auskleidung oder thermischen Isolierung eingesetzt. Auch in Brennkammern stationärer Gasturbinen kommen sogenannte Hitzeschilde zum Einsatz, die aus einer grobkörnigen Keramik hergestellt werden.
In DE 10 348 798 A1 wird Wellpappe aus Keramik beschrieben.
In DE 10 2011 010 800 A1 sind präkeramische Papp- und Papierstrukturen beschrieben.
DE 196 51 408 C2 offenbart einen Werkstückträger aus hitzebeständigem faserverbundkeramischem Material.
Darüber hinaus gibt es selbstverständlich die Technologie, Gitterfacheinsätze aus Karton zu fertigen (beispielsweise DE 20 2006 004 359 U1 oder DE 10 2006 012 557 A1 ).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Technologie bereitzustellen, mit der wesentlich leichtere aber dennoch sehr feste Keramikstrukturen beispielsweise für Brennhilfsmittel oder Hitzeschilde bei Gasturbinen bereitgestellt werden können.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch einen Grünkörper aufweisend wenigstens zwei ungebrannte keramische Streifen,

a. wobei senkrecht zu und in Kontakt mit Längskanten wenigstens zweier Streifen wenigstens eine keramische Platte angeordnet ist,
b. wobei die Streifen senkrecht zu den Längskanten wenigstens einen nicht über die gesamte Breite des jeweiligen Streifens verlaufenden Schlitz aufweisen, und
c. wobei der nicht geschlitzte Bereich des einen Streifens in den Schlitz des anderen Streifens eingreift.

Mit der Erfindung wird erreicht, dass keramische Strukturen bereitgestellt werden können, die bei hohen Temperaturen mechanisch stabil sind und eine geringe Masse aufweisen. Brennhilfsmittel die beispielsweise aus einem solchen Grünkörper hergestellt werden, führen zu erheblichen Energieeinsparungen. Die keramischen Strukturen, die durch brennen des erfindungsgemäßen Grünkörpers erhalten werden können, besitzen eine hohe Biegesteifigkeit in allen Richtungen. Bisherige Technologien konnten solche Strukturen nicht zur Verfügung stellen. Insbesondere die keramische ”Wellpappe” aus dem Stand der Technik hatte in Richtung der ”Wellen” nur eine geringe Biegesteifigkeit.
Der erfindungsgemäße Grünkörper umfasst vorzugsweise wenigstens 10 Streifen, insbesondere bevorzugt wenigstens 20 Streifen. Dadurch kann ein besonders stabiler keramischer Formkörper aus dem Grünkörper entstehen.
Vorzugsweise ist höchstens die Hälfte der Streifen im erfindungsgemäßen Grünkörper parallel zueinander angeordnet. Auch dadurch wird eine besonders hohe Stabilität des aus dem Grünkörper entstehenden keramischen Formkörpers erhalten.
Vorzugsweise beträgt die Tiefe wenigstens der Hälfte aller Schlitze wenigstens 50% und besonders bevorzugt genau 50% der Breite der Streifen. Vorzugsweise befindet sich unabhängig davon der nicht geschlitzte Bereich des einen Streifen in Merkmal a. des ersten Patentanspruchs in Verlängerung des wenigstens einen Schlitzes dieses Streifens. Die beiden Streifen greifen also jeweils in den Schlitz des anderen Streifens ein. Durch beide Maßnahmen können die erfindungsgemäßen Streifen bei gleicher Breite der Streifen so ineinander gesteckt werden, dass die beiden Längskanten der beiden ineinander gesteckten Streifen auf beiden Seiten des Streifens eine Ebene aufspannen, so dass beispielsweise eine Platte auf den Streifen verlegt werden kann.
Die Streifen des erfindungsgemäßen Grünkörpers weisen vorzugsweise dieselbe Breite auf.
Vorzugsweise bestehen die wenigstens zwei Streifen aus mit keramischen Füllstoffen zu wenigstens 70% gefülltem Papier und/oder Pappe. Dadurch kann der erfindungsgemäße Grünkörper besonders einfach hergestellt werden. Alternativ können die erfindungsgemäßen Streifen auch durch Foliengießen, Extrudieren, Spritzguss oder Pressen hergestellt werden.
Die keramischen Füllstoffe beziehungsweise das Material der keramischen Streifen ist vorzugsweise ausgewählt aus Oxid, Silicid, Nitrid und/oder Carbid der Elemente Al, B, Bi, Ca, Ce, Cr, Cu, K, Fe, Ga, Ge, In, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Si, Sn, Sr, Ta, Ti, W, Y und/oder Zr oder Mischungen derselben. Ganz besonders bevorzugt sind die keramischen Füllstoffe bzw. das Material der keramischen Streifen ausgewählt aus Aluminiumoxid, Siliciumoxid oder ein Mischoxid, insbesondere Silikate, dieser Oxide eingesetzt. Gleichermaßen erfindungsgemäß sind auch Mischoxide der zuvor genannten Oxide, sowie Mischnitride, Mischcarbide, Carbonitride, Oxinitride oder Oxicarbide der zuvor genannten Elemente.
Vorzugsweise entspricht die Breite der Schlitze wenigstens der Dicke der Streifen. Unabhängig davon sind die Schlitze vorzugsweise höchstens 0,1 mm breiter als die Dicke der Streifen.
Die Breite der Streifen liegt beispielsweise in einem Bereich von 10 bis 50 mm. Unabhängig davon beträgt die Länge von wenigstens 10% der Streifen beispielsweise wenigstens 100 mm, insbesondere bevorzugt wenigstens 1000 mm.
Vorzugsweise liegt die Dicke der Streifen in einem Bereich von 0,1 bis 2 mm, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,5 bis 1 mm. Dadurch können die aus dem Grünkörper entstehenden keramischen Formkörper besonders leicht ausgestaltet werden. Die Streifen können beispielsweise alle dieselbe Dicke aufweisen.
Vorzugsweise weisen wenigstens zwei Streifen aller Streifen wenigstens zwei Schlitze, besonders bevorzugt wenigstens 5 Schlitze auf. Dadurch können die Streifen besonders stabil ineinander gesteckt werden.
Die Schlitze haben vorzugsweise einen Abstand von wenigstens 1 cm. Unabhängig davon haben die Schlitze vorzugsweise einen Abstand von höchstens 10 cm. Auch hierdurch wird die Stabilität des Grünkörpers und des aus dem Grünkörper entstehenden keramischen Formkörpers erhöht.
Vorzugsweise ist der Abstand der Streifen zueinander an wenigstens einem Rand und/oder an wenigstens einer Ecke und/oder an wenigstens einer Kante des Grünkörpers niedriger als im übrigen Grünkörper. Dadurch kann der entstehende keramische Formkörper ebenfalls stabilisiert werden.
Beispielsweise ist die Dichte der Streifen am Rand und/oder den Ecken und/oder den Kanten des Grünkörpers höher als im übrigen Grünkörper.
Vorzugsweise ist senkrecht zu und in Kontakt mit den wenigstens zwei Streifen wenigstens eine keramische Platte angeordnet. Es können auch auf beiden Seiten der Streifen insgesamt 2 Platten angeordnet sein. Die Platten können beispielsweise eine Fläche in einem Bereich von 0,05 bis 1 m² haben. Die Dicke der Platten liegt beispielsweise in einem Bereich von 0,1 bis 2 mm. Wenigstens eine Platte besteht vorzugsweise aus demselben Material wie die Streifen.
Vorzugsweise beträgt der Winkel zwischen den beiden wenigstens zwei Streifen 90°. Dies erhöht die Stabilität des Grünkörpers.
Bei einem gebogenen Grünkörper beispielsweise für einen Hitzeschutzschild können die Winkel alternativ auch von diesen bevorzugten Winkeln abweichen.
Zusätzlich können auch beispielsweise Streifen mit einem Winkel von 45° im Grünkörper angeordnet werden, um die Stabilität zusätzlich zu erhöhen.
Der erfindungsgemäße Grünkörper kann beispielsweise plan oder gewölbt sein.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird in einer weiteren Ausführungsform gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Grünkörpers mit aufgebrachter keramischer Platte, dadurch gekennzeichnet, dass man auf die Längskanten der Streifen eines erfindungsgemäßen Grünkörpers ohne keramische Platte eine Suspension aufträgt und anschließend auf die Längskanten wenigstens eine keramische Platte auflegt.
Vorzugsweise wird die Suspension mit Siebdruck, einem Pinsel, mit einer Rolle oder durch Tauchen aufgetragen.
Die Suspension enthält vorzugsweise 10 bis 50 Gew.% Keramikpulver, 1 bis 90 Gew.% Bindemittel oder Klebstoff und im Übrigen gegebenenfalls ein Lösungsmittel. Der Bindemittel- beziehungsweise Klebstoffgehalt liegt vorzugsweise bei wenigstens 10 Gew.%.
Das Lösungsmittel kann vorzugsweise Wasser sein.
Der Klebstoff ist vorzugsweise organisch und/oder wasserlöslich.
In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch einen gebrannten keramischen Formkörper bestehend aus dem erfindungsgemäßen gebrannten Grünkörper gelöst.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Formkörper um ein Brennhilfsmittel oder ein Hitzeschutzschild für eine Turbine.
Der erfindungsgemäße Grünkörper wird vorzugsweise bei wenigstens 1000°C, besonders bevorzugt bei wenigstens 1350°C gebrannt, um den erfindungsgemäßen keramischen Formkörper zu erhalten.
Figurenbeschreibung
1 zeigt insgesamt 4 Streifen, von denen jeweils 2 Streifen parallel zueinander angeordnet sind. Die beiden Gruppen von parallel angeordneten Streifen sind zueinander senkrecht angeordnet. Die Schlitze beider Gruppen sind auf der Seite der Streifen, die der anderen Gruppe der Streifen zugewandt ist. Die Streifen haben eine Tiefe von 50% der Breite der Streifen. So können die Streifen besonders einfach ineinander gesteckt werden.
2 zeigt die so ineinander gesteckten Streifen.
Auf den beiden Flächen, die von den Längsseiten der Streifen erzeugt werden können, wie im 3 auch Platten angeordnet sein.
Das Zusammenstecken der Streifen kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. Beispiele sind in 4 und 5 zu sehen. Auch eine gezielte Verstärkung von Kanten wie in 6 oder Ecken wie in 7 sind möglich.
Ausführungsbeispiel
Ein Papier mit einer Dicke von 0,5 mm, das zu 80% mit keramischen Füllstoffen (Aluminiumoxid) gefüllt ist, wurde in 500 Streifen geschnitten, die 30 mm breit und 500 mm lang waren. Alle Streifen wurden alle 2 cm mit einem Schlitz versehen, der senkrecht zur Längskante der Streifen verlief und sich über 50% der Breite der Streifen erstreckte. Die Schlitze wurden alle auf derselben Seite der Streifen erzeugt. Anschließend wurden 250 Streifen parallel zueinander im Abstand von 2 cm aufgestellt und festgehalten. Die anderen 250 Streifen wurden senkrecht dazu mit ihren Schlitzen in die Schlitze der ersten 250 Streifen gesteckt. Es entstand ein Grünkörper wie in 2. Die Längskanten der ineinander gesteckten Streifen wurden per Siebdruck mit einem Schlicker versehen, der aus 30 Gew.% Aluminiumoxidpulver (CT 3000, Alcoa) und 60 Gew.% Bindemittel (AC 95, Zschimmer & Schwarz) bestand. Anschließend wurde ein 0,5 × 0,5 m großes Papier mit derselben Dicke und demselben Anteil an Füllstoffen auf die beiden Flächen gelegt, die durch die Längskanten der Streifen erzeugt wurden. Es entstand ein Grünkörper wie in 3. Dieser Grünkörper wurde bei 1600°C gebrannt, so dass erfindungsgemäße keramische Formkörper entstand.
Der erhaltene keramische Formkörper hatte eine hervorragende Biegesteifigkeit in alle Richtungen.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

Grünkörper aufweisend wenigstens zwei ungebrannte keramische Streifen, a. wobei senkrecht zu und in Kontakt mit Längskanten wenigstens zweier Streifen wenigstens eine keramische Platte angeordnet ist, b. wobei die Streifen senkrecht zu den Längskanten wenigstens einen nicht über die gesamte Breite des jeweiligen Streifens verlaufenden Schlitz aufweisen, und c. wobei der nicht geschlitzte Bereich des einen Streifens in den Schlitz des anderen Streifens eingreift.
Grünkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe wenigstens der Hälfte aller Schlitze wenigstens 50% und besonders bevorzugt 50% der Breite der Streifen beträgt.
Grünkörper gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Streifen aus mit keramischen Füllstoffen zu wenigstens 70% gefülltem Papier und/oder Pappe bestehen.
Grünkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Schlitze wenigstens der Dicke der Streifen entspricht.
Grünkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Streifen in einem Bereich von 0,1 bis 2 mm liegt.
Grünkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Streifen aller Streifen wenigstens zwei Schlitze, besonders bevorzugt wenigstens 5 Schlitze aufweisen.
Grünkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Streifen zueinander an wenigstens einem Rand und/oder an wenigstens einer Ecke und/oder an wenigstens einer Kante des Grünkörpers niedriger als im übrigen Grünkörper ist.
Grünkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den beiden wenigstens zwei Streifen 90° beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Grünkörpers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man auf die Längskanten der Streifen eines Grünkörpers einen Schlicker aufträgt und anschließend auf die Längskanten wenigstens eine keramische Platte auflegt.
Gebrannter keramischer Formkörper bestehend aus dem gebrannten Grünkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 oder hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 9.
Formkörper gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Brennhilfsmittel oder ein Hitzeschutzschild für eine Turbine handelt.