DE102015204958A1

DE102015204958A1 - Hausgerätegrundplatte, insbesondere Kochfeldgrundplatte, zumindest weitgehend bestehend aus einem zumindest teilweise durch einen Sol-Gel-Prozess hergestellten Verbundmaterial

Info

Publication number: DE102015204958A1
Application number: DE102015204958.2A
Authority: DE
Inventors: Hippolyte AMAVEDA; Mario Mora Alfonso; Fernando Planas Layunta; Jorge ALAMAN AGUILAR; Luis Alberto ANGUREL LAMBAN; Miguel Angel Bunuel Magdalena; Francisco Javier Ester Sola; Pilar Perez Cabeza; Maria Tomas Gimeno
Original assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2015-10-15
Also published as: ES2548062A1; ES2548062B1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Hausgerätegrundplatte (20), insbesondere einer Kochfeldgrundplatte, zumindest weitgehend bestehend aus einem Verbundmaterial (22), das zumindest teilweise durch einen Sol-Gel-Prozess hergestellt ist und das zumindest ein Matrixmaterial (24) und zumindest ein mit dem zumindest einen Matrixmaterial (24) verbundenes Fasermaterial (26) aufweist. Um eine hohe Biegefestigkeit und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials (22) zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass eine Porosität des Verbundmaterials (22) einen Wert zwischen 20% und 45% aufweist. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer Hausgerätegrundplatte (20), insbesondere einer Kochfeldgrundplatte, welche zumindest weitgehend aus einem Verbundmaterial (22) besteht, das zumindest ein Matrixmaterial (24) und zumindest ein mit dem zumindest einen Matrixmaterial (24) verbundenes Fasermaterial (26) aufweist, vorgeschlagen, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt (44, 50) zur Herstellung des Verbundmaterials (22) ein Sol-Gel-Prozess durchgeführt wird, bei dem ein Wert einer Porosität des Verbundmaterials (22) zwischen 20% und 45% eingestellt wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Hausgerätegrundplatte, insbesondere einer Kochfeldgrundplatte, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine gattungsgemäße Hausgerätegrundplatte mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer Biegefestigkeit bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Die Erfindung geht aus von einer Hausgerätegrundplatte, insbesondere einer Kochfeldgrundplatte, zumindest weitgehend bestehend aus einem Verbundmaterial, das zumindest teilweise durch einen Sol-Gel-Prozess hergestellt ist und das zumindest ein Matrixmaterial und zumindest ein mit dem zumindest einen Matrixmaterial verbundenes Fasermaterial aufweist.
Es wird vorgeschlagen, dass eine Porosität des Verbundmaterials einen Wert zwischen 20% und 45% aufweist.
Unter einer „Hausgerätegrundplatte“ soll insbesondere eine Platte aus zumindest einem Matrixmaterial verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, einen Grundkörper einer Hausgeräteplatte zu bilden. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Unter einer „Hausgeräteplatte“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, eine Oberfläche, insbesondere eine Arbeitsoberfläche, wie beispielsweise ein Kochfeld, zu bilden, und die zumindest eine Hausgerätegrundplatte und weitere Einheiten und Elemente, wie beispielsweise eine Beschichtung zumindest einer Oberfläche der Hausgerätegrundplatte aufweist.
Unter einem „Matrixmaterial“ soll insbesondere ein Material verstanden werden, das dazu vorgesehen ist, einen Grundkörper für einen Körper aus einem Verbundmaterial zu bilden und das Fasermaterial aufzunehmen. Insbesondere ist das Matrixmaterial von einer Keramik gebildet und/oder bildet chemische Bindungen mit dem Fasermaterial aus. Bevorzugt ist das Matrixmaterial von einem keramischen Werkstoff gebildet. Bevorzugt weist das Matrixmaterial eine Grobphase und eine Feinphase auf, wobei die Grobphase eine dreidimensionale Matrix ausbildet und die Feinphase in die dreidimensionale Matrix eingebettet ist. Insbesondere sind Teilchen der Feinphase mittels chemischer Bindungen mit Teilchen der Grobphase verbunden. Unter einer „Grobphase“ soll insbesondere eine körnige Materialphase verstanden werden, deren Partikel eine durchschnittliche Größe aufweisen, welche zumindest zehnmal größer ist als eine durchschnittliche Größe von Partikeln der Feinphase. Die Grobphase und die Feinphase können grundsätzlich aus demselben Material oder aus verschiedenen Materialien bestehen. Grundsätzlich können die Grobphase und/oder die Feinphase jeweils aus einer Mischung verschiedener Materialien bestehen. Bevorzugt sind sowohl die Grobphase als auch die Feinphase von keramischen Werkstoffen gebildet, wobei grundsätzlich auch vorstellbar ist, dass die Grobphase und/oder die Feinphase von nichtkeramischen Werkstoffen gebildet sind. Bevorzugt ist der keramische Werkstoff von einem Material aus der Stoffgruppe der Oxide gebildet, insbesondere von Aluminiumoxid (Al₂O₃), Magnesiumoxid (MgO), Zirkoniumdioxid (ZrO₂), Natriumoxid (Na₂O), Kalziumoxid (CaO), Kaliumoxid (K₂O) und besonders vorzugsweise von Siliziumdioxid (SiO₂). Insbesondere kann amorphes Siliziumdioxid verwendet werden, grundsätzlich sind jedoch auch andere Modifikationen von Siliziumdioxid möglich, beispielsweise Quarz. Auch kann grundsätzlich der keramische Werkstoff von einer Nichtoxidkeramik, beispielsweise von Siliziumcarbid (SiC), gebildet sein.
Unter einem „Fasermaterial“ soll insbesondere ein als Faser vorliegendes Material verstanden werden, welches dazu vorgesehen ist, bei Herstellung eines Verbundmaterials in eine Matrix aus dem Matrixmaterial eingearbeitet zu werden und chemische Verbindungen mit dem Matrixmaterial auszubilden. Insbesondere kann eine Materialzusammensetzung von Matrixmaterial und Fasermaterial miteinander überstimmen, beispielsweise kann das Matrixmaterial von einer porigen Matrix aus Siliziumdioxid gebildet sein und das Fasermaterial von Fasern aus amorphem Siliziumdioxid. Unter einem „Verbundmaterial“ soll insbesondere ein Material aus zumindest zwei miteinander verbundenen Einzelmaterialien verstanden werden, das Werkstoffeigenschaften aufweist, die sich von Werkstoffeigenschaften der Einzelmaterialien unterscheiden, beispielsweise Faserverbundwerkstoffe mit in ein Matrixmaterial eingearbeiteten Fasern oder Schichtverbundwerkstoffe, beispielsweise Sandwichverbundwerkstoffe. Unter „zumindest teilweise durch einen Sol-Gel-Prozess hergestellt“ soll insbesondere verstanden werden, dass zumindest ein Teilschritt der Herstellung zumindest eines der Einzelmaterialien des Verbundmaterials einen Sol-Gel-Prozess umfasst. Bevorzugt ist das Matrixmaterial durch einen Sol-Gel-Prozess hergestellt, wobei besonders bevorzugt das Fasermaterial mit einer Suspension, aus der in dem Sol-Gel-Prozess das Matrixmaterial hergestellt wird, getränkt wird, so dass bei Durchführung des Sol-Gel-Prozesses zur Herstellung des Matrixmaterials chemische Verbindungen des Matrixmaterials zu dem Fasermaterial ausgebildet werden. Unter einem „Sol-Gel-Prozess“ soll insbesondere ein Herstellungsprozess für ein Material verstanden werden, bei dem als Ausgangsmaterial für die Herstellung eine kolloidale Suspension oder Dispersion des Materials, welche als Sol bezeichnet wird, in einem Lösungsmittel dient und das Material in einer Gelbildung in ein Gel, d. h. eine dreidimensionale Matrix eines Feststoffs mit Poren, in denen eine Flüssigkeit und/oder ein Gas enthalten sein kann, umgesetzt wird. Insbesondere erfolgt nach Abschluss der Gelbildung eine Matrixkonsolidierung, bei der in den Poren des Gels verbleibende Flüssigkeit entfernt und das Gel somit in einen Feststoff umgewandelt wird. Insbesondere können in dem Sol Stabilisierungsmittel zur Stabilisierung der Suspension, Mittel zur Anpassung eines pH-Werts der Suspension und/oder weitere Zusatzmittel enthalten sein. Auch kann eine Materialmischung, die aus mehreren Materialien besteht, suspendiert und/oder gelöst sein, wobei eines der Materialien bei der Gelbildung als Grobphase die dreidimensionale Matrix des Gels ausbildet und ein oder mehrere weitere Materialien als Feinphase in den Poren verteilt sind. Unter einer „Porosität von X%“ soll insbesondere verstanden werden, dass ein Volumenanteil von X% des Gesamtmaterials von porigen Hohlräumen gebildet ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann insbesondere erreicht werden, dass die Hausgerätegrundplatte eine hohe Biegefestigkeit und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Insbesondere ermöglichen die Poren des Verbundmaterials eine niedrige Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials und einen Spannungsabbau bei mechanischer Belastung bei einer gleichzeitig hohen Festigkeit und Härte des Verbundmaterials.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Matrixmaterial eine zumindest weitgehend aus Siliziumdioxid-Partikeln bestehende Grobphase und eine zumindest weitgehend aus Siliziumdioxid-Partikeln bestehende Feinphase aufweist. Bevorzugt weist das Verbundmaterial einen Gesamtgehalt von Siliziumdioxid-Partikeln zwischen zwanzig Volumenprozent und fünfundfünfzig Volumenprozent auf. Es kann insbesondere eine Hausgerätegrundplatte mit einer vorteilhaften Wärmeleitung erreicht werden, deren Matrixmaterial aus einem häufig vorkommenden und kostengünstigen Rohstoff hergestellt wird.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Verbundmaterial ein pseudoplastisches Bruchverhalten aufweist. Unter einem „pseudoplastischen Bruchverhalten“ soll insbesondere ein Bruchverhalten verstanden werden, bei dem bei angelegter mechanischer Belastung eine Verformung einhergeht, die anfangs linear bis zu einem Maximalwert ansteigt und bei fortgesetzter Erhöhung der mechanischen Belastung nach Erreichen des Maximalwerts sich mit abnehmender Stärke weiter fortsetzt, bis es zu einem Bruch kommt. Insbesondere ist das pseudoplastische Bruchverhalten verschieden von einem spröden Bruchverhalten, bei dem eine Verformung nur in einem geringen Belastungsbereich auftritt und rapide innerhalb des Belastungsbereichs ansteigt, bis es zum Bruch kommt. Insbesondere wird das pseudoplastische Bruchverhalten dadurch erreicht, dass Poren des Verbundmaterials einen Faserauszug und eine Rissablenkung durch die Poren des Verbundmaterials ermöglichen. Es kann insbesondere eine Hausgerätegrundplatte mit einer hohen Bruchzähigkeit erreicht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass eine Biegefestigkeit des Verbundmaterials einen Wert zwischen 10 MPa und 40 MPa aufweist. Es kann insbesondere eine Hausgerätegrundplatte mit einer hohen Biegefestigkeit erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Fasermaterial zumindest im Wesentlichen aus Fasern amorphen Siliziumdioxids besteht. Es kann insbesondere ein Fasermaterial erreicht werden, welches aufgrund einer chemischen Ähnlichkeit zu dem Matrixmaterial einfach mit diesem verbunden werden kann.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Matrixmaterial zumindest teilweise mit einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 800 °C und 1.000 °C hergestellt wurde. Unter „zumindest teilweise mit einer Wärmebehandlung hergestellt“ soll insbesondere verstanden werden, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zur Herstellung der Hausgerätegrundplatte die Wärmebehandlung bei der Temperatur zwischen 800 °C und 1.000 °C zumindest an dem Matrixmaterial durchgeführt wird, wodurch ein Gefüge des Matrixmaterials verändert wird. Insbesondere bewirkt die Wärmebehandlung eine teilweise Sinterung von Partikeln der Feinphase des Matrixmaterials, wodurch sich eine Gefügeveränderung der Feinphase mit einer Verdichtung der Feinphase ergibt. Insbesondere ist die Wärmebehandlung von einem Sintervorgang gebildet. Es kann insbesondere eine Hausgerätegrundplatte mit einer hohen Bruchfestigkeit erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Matrixmaterial zumindest weitgehend frei von kristallinen Phasen ist. Unter „kristallinen Phasen“ sollen insbesondere Bereiche des Matrixmaterials verstanden werden, in denen das Matrixmaterial im kristallinen Zustand vorliegt. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Hausgerätegrundplatte, insbesondere einer Kochfeldgrundplatte, welche zumindest weitgehend aus einem Verbundmaterial besteht, das zumindest ein Matrixmaterial und zumindest ein mit dem zumindest einen Matrixmaterial verbundenes Fasermaterial aufweist, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt zur Herstellung des Verbundmaterials ein Sol-Gel-Prozess durchgeführt wird. Es wird vorgeschlagen, dass ein Wert einer Porosität des Verbundmaterials zwischen 20% und 45% eingestellt wird. Es kann insbesondere ein Verbundmaterial mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit erreicht werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zur Herstellung des Verbundmaterials eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 800 °C und 1.000 °C durchgeführt wird. Es kann insbesondere eine Verdichtung eines Gefüges der Feinphase, bei der eine Erzeugung kristalliner Phasen vermieden wird, erreicht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Wärmebehandlung mit einer Heizrate und/oder Kühlrate mit Werten zwischen 1 °C/min und 10 °C/min durchgeführt wird. Bevorzugt wird die Wärmebehandlung mit einer Heizrate und/oder Kühlrate mit einem Wert von 5 °C/min durchgeführt. Es kann insbesondere eine schonende Wärmebehandlung erreicht werden, bei der eine Erzeugung kristalliner Phasen vermieden wird.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Wärmebehandlung über eine Zeitdauer von vier bis acht Stunden durchgeführt wird. Bevorzugt wird die Wärmebehandlung über eine Zeitdauer von sechs Stunden durchgeführt. Es kann insbesondere eine Wärmebehandlung erreicht werden, bei der eine Erzeugung kristalliner Phasen vermieden wird.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass als Ausgangsmaterial für das Matrixmaterial eine Suspension von Siliziumdioxid-Pulver in einer kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion verwendet wird. Insbesondere weist die Suspension einen pH-Wert im basischen Bereich von pH 9–10 auf, so dass das Siliziumdioxid-Pulver in der kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion stabilisiert ist und ein Ausfällen des Siliziumdioxids vermieden wird. Es kann insbesondere eine durch Einstellung des pH-Werts prozesstechnisch einfach stabilisierbare Suspension für den Sol-Gel-Prozess aus einem häufig vorkommenden und kostengünstigen Rohstoff bereitgestellt werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zur Einleitung einer Gelbildung eine Zugabe von Ammoniumchlorid zu der Suspension von Siliziumdioxid-Pulver in der kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion erfolgt, wobei die Menge des Ammoniumchlorids so bemessen ist, dass eine Gelbildung innerhalb einer Zeitraums von 15 Minuten bis 45 Minuten abgeschlossen ist. Bevorzugt ist die Menge des Ammoniumchlorids so bemessen, dass eine Gelbildung innerhalb eines Zeitraums von 30 Minuten abgeschlossen ist. Es kann insbesondere eine prozesstechnisch einfache Einleitung einer Gelbildung erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem weiteren Verfahrensschritt ein Pressprozess eines Hausgerätegrundplatten-Halbzeugs zur Einstellung einer Dicke der Hausgerätegrundplatte bei einem Druck zwischen 50 kPa und 200 kPa durchgeführt wird. Unter einem „Hausgerätegrundplatten-Halbzeug“ soll insbesondere eine Vorform einer Hausgerätegrundplatte verstanden werden, die zumindest ein mit einem Ausgangsmaterial des Matrixmaterials verbundenes, insbesondere getränktes, Fasermaterial aufweist, wobei die Vorform noch zumindest einen weiteren Verfahrensschritt durchlaufen muss, damit eine fertige Hausgerätegrundplatte vorliegt. Insbesondere kann der zumindest eine weitere Verfahrensschritt zumindest teilweise eine Gelbildung und/oder eine Matrixkonsolidierung umfassen. Bevorzugt wird der Pressprozess bei einem Druck von 100 kPa durchgeführt. Insbesondere wird der Pressprozess des Hausgerätegrundplatten-Halbzeugs in einer Pressform aus zwei Stahlplatten durchgeführt. Es kann insbesondere eine prozesstechnisch einfach durchzuführende Veränderung von Eigenschaften des Hausgerätegrundplatten-Halbzeugs erreicht werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in dem Pressprozess die Einstellung der Dicke des Hausgerätegrundplatten-Halbzeugs über eine Abstandsfixierung zwischen Stahlplatten durch Distanzelemente durchgeführt wird. Unter einem „Distanzelement“ soll insbesondere ein Element mit einer festen oder variablen Längenausdehnung verstanden werden, das dazu vorgesehen ist, zwei weitere Elemente zu beabstanden. Insbesondere ist das Distanzelement als Distanzstab ausgebildet. Unter einem „Distanzstab“ soll insbesondere ein Stab mit einer definierten Länge verstanden werden, der dazu vorgesehen ist, die Stahlplatten auf einem definierten Abstand zu halten. Es kann insbesondere ein Verfahren erreicht werden, bei dem eine Einstellung einer Dicke des Hausgerätegrundplatten-Halbzeugs technisch einfach durchzuführen ist und bei dem insbesondere auf einen aufwendigen Umbau einer Pressvorrichtung verzichtet werden kann.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Hausgeräts mit einer als Kochfeld ausgebildeten Hausgeräteplatte, die eine erfindungsgemäße Hausgerätegrundplatte umfasst,
2 einen Schnitt durch die Hausgeräteplatte mit der erfindungsgemäßen Hausgerätegrundplatte,
3 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Hausgerätegrundplatte
4 eine schematische Darstellung eines Bruchverhaltens eines Verbundmaterials und
5 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung für einen Pressprozess zur Einstellung einer Dicke der Hausgerätegrundplatte.
1 zeigt eine als Kochfeldplatte ausgebildete Hausgeräteplatte 10 eines als Herd ausgebildeten Hausgeräts 28 mit einer Hausgerätegrundplatte 20 und einer Oberflächenschichteinheit 14. Die Hausgeräteplatte 10 dient als Aufstellfläche für Kochgeschirr, wie beispielsweise Töpfe und/oder Pfannen, für einen Induktionsherd und stellt hierfür vier Kochzonen 12 bereit. Grundsätzlich kann die Hausgeräteplatte 10 auch für ein konventionelles Kochfeld verwendet werden.
Die Hausgeräteplatte 10 umfasst eine Hausgerätegrundplatte 20 und eine Oberflächenschichteinheit 14, die eine Versiegelungsschicht 16 und eine Wasserabweisschicht 18 aufweist (2). Die Versiegelungsschicht 16 ist zu einer Oberflächenversiegelung eines porigen Materials der Hausgerätegrundplatte 20 vorgesehen, und die Wasserabweisschicht 18 ist zu einer Verhinderung eines Eindringens von Wasser in ein Material der Hausgerätegrundplatte 20 und der Versiegelungsschicht 16 vorgesehen. Die Wasserabweisschicht 18 ist auf die Versiegelungsschicht 16 aufgetragen und bildet eine Oberfläche der Hausgeräteplatte 10. Die Oberflächenschichteinheit 14 kann grundsätzlich weitere Schichten aufweisen, beispielsweise zusätzliche Versiegelungsschichten 16 und/oder zusätzliche Wasserabweisschichten 18 und/oder zusätzliche Schichten mit weiteren Funktionen. Die Versiegelungsschicht 16 kann beispielsweise als Alkalisilikatschicht 30 ausgebildet sein, und die Wasserabweisschicht 18 kann als eine Schicht aus einem organisch-anorganischen Hybridmaterial 32 ausgebildet sein.
Die Hausgerätegrundplatte 20 besteht aus einem Verbundmaterial 22, das teilweise durch einen Sol-Gel-Prozess hergestellt ist und das ein Matrixmaterial 24 und ein mit dem Matrixmaterial 24 verbundenes Fasermaterial 26 aufweist. Das Fasermaterial 26 ist von Fasern gebildet, die zu mindestens fünfundneunzig Prozent aus amorphem Siliziumdioxid bestehen und die Durchmesser zwischen sechs Mikrometern und neun Mikrometern aufweisen. Das Fasermaterial 26 ist mit dem Matrixmaterial 24 verbunden. In 2 ist das Fasermaterial 26 durch Wellenlinien angedeutet. Das Fasermaterial 26 ist in das Matrixmaterial 24 eingebettet, wobei grundsätzlich äußere Bereiche der Hausgerätegrundplatte 20 rein aus Matrixmaterial 24 bestehen können.
Das Matrixmaterial 24 weist eine aus Siliziumdioxid-Partikeln bestehende Grobphase und eine aus Siliziumdioxid-Partikeln bestehende Feinphase auf, wobei die Grobphase eine dreidimensionale, porige Matrix aus Siliziumdioxid-Partikeln mit Durchmessern im Mikrometerbereich bildet, zwischen denen die Feinphase angeordnet ist. Die Feinphase besteht aus Siliziumdioxid-Partikeln mit Durchmessern im Nanometerbereich, welche miteinander und mit Partikeln der Grobphase gesintert sind. Eine teilweise Sinterung der Partikel der Feinphase miteinander und mit Partikeln der Grobphase wird bei der Herstellung des Matrixmaterials 24 durch eine von einem Sintervorgang gebildete Wärmebehandlung bewirkt. Das Matrixmaterial 24 ist von einem keramischen Werkstoff gebildet. Die Siliziumdioxid-Partikel der Grobphase und der Feinphase sind jeweils von amorphem Siliziumdioxid gebildet.
Das Verbundmaterial 22 weist in einer ersten exemplarischen Ausführung, die im Folgenden als V₁ bezeichnet wird, eine Porosität von 22%, d. h. 22% eines Volumens des Verbundmaterials 22 sind von Poren eingenommen, einen Volumenanteil des Fasermaterials 26 von 32%, einen Volumenanteil von Siliziumdioxid, welcher aus den Siliziumdioxid-Partikeln der Grobphase und der Feinphase besteht, von 46% und eine Biegefestigkeit mit einem Wert von 35 MPa auf. In dem Verbundmaterial 22 treten aufgrund der Porosität von 22% bei einer angelegten mechanischen Belastung in dem Verbundmaterial 22 Prozesse, wie ein Faserauszug und eine Rissablenkung, auf, durch die Spannungen im Verbundmaterial 22 abgebaut werden. Das Verbundmaterial 22 weist somit ein pseudoplastisches Bruchverhalten auf, bei dem bei angelegter mechanischer Belastung eine Verformung einhergeht, die anfangs linear bis zu einem Maximalwert ansteigt und bei fortgesetzter Erhöhung der mechanischen Belastung nach Erreichen des Maximalwerts sich mit abnehmender Stärke weiter fortsetzt, bis es zu einem Bruch kommt. Das pseudoplastische Bruchverhalten ist verschieden von einem spröden Bruchverhalten, bei dem eine Verformung nur in einem geringen Belastungsbereich auftritt und rapide innerhalb des Belastungsbereichs ansteigt, bis es zum Bruch kommt. In 4 ist exemplarisch ein Zusammenhang zwischen einer mechanischen Belastung 66 und einer Verformung 68 bei einer pseudoplastischen Lastkurve 58 und bei einer spröden Lastkurve 56 dargestellt. Das Matrixmaterial 24 ist frei von kristallinen Phasen und wurde teilweise mit einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 900 °C hergestellt. Eine Freiheit von kristallinen Phasen kann beispielsweise bei Betrachtung durch Röntgenbeugung nachgewiesen werden. Das Verbundmaterial 22 weist eine Dicke von sechs Millimetern auf.
In alternativen Ausführungen kann eine Porosität des Verbundmaterials 22 einen Wert zwischen 20% und 45% aufweisen, wobei die Verbundmaterialien 22 mit Werten für die Porosität zwischen 20% und 45% ebenfalls ein pseudoplastisches Bruchverhalten aufweisen. Die Biegefestigkeiten der Verbundmaterialien 22 mit Werten für die Porosität zwischen 20% und 45% weisen einen Wert zwischen 10 MPa und 40 MPa auf. Die Matrixmaterialien 24 der alternativen Ausführungen sind ebenfalls zumindest teilweise mit einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 800 °C und 1.000 °C hergestellt und weitgehend frei von kristallinen Phasen. Beispielsweise weist eine zweite exemplarische Ausführung, die im Folgenden als V₂ bezeichnet wird, eine Porosität von 20%, einen Volumenanteil des Fasermaterials 26 von 32% und einen Volumenanteil von Siliziumdioxid von 48% auf. Eine dritte exemplarische Ausführung, die im Folgenden als V₃ bezeichnet wird, weist eine Porosität von 30%, einen Volumenanteil des Fasermaterials 26 von 32% und einen Volumenanteil von Siliziumdioxid von 38% auf. Eine vierte exemplarische Ausführung, die im Folgenden als V₄ bezeichnet wird, weist eine Porosität von 40%, einen Volumenanteil des Fasermaterials 26 von 32% und einen Volumenanteil von Siliziumdioxid von 28% auf. Eine fünfte exemplarische Ausführung, die im Folgenden als V₅ bezeichnet wird, weist eine Porosität von 42%, einen Volumenanteil des Fasermaterials 26 von 32% und einen Volumenanteil von Siliziumdioxid von 26% auf. Eine sechste exemplarische Ausführung, die im Folgenden als V₆ bezeichnet wird, weist eine Porosität von 37%, einen Volumenanteil des Fasermaterials 26 von 32% und einen Volumenanteil von Siliziumdioxid von 31% auf. Eine siebte exemplarische Ausführung, die im Folgenden als V₇ bezeichnet wird, weist eine Porosität von 31%, einen Volumenanteil des Fasermaterials 26 von 32% und einen Volumenanteil von Siliziumdioxid von 37% auf.
Im Folgenden wird ein Verfahren 34 zur Herstellung einer Hausgerätegrundplatte 20, welche zumindest weitgehend aus einem Verbundmaterial 22 besteht, das zumindest ein Matrixmaterial 24 und zumindest ein mit dem zumindest einen Matrixmaterial 24 verbundenes Fasermaterial 26 aufweist, beschrieben, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt 44, 50 zur Herstellung des Verbundmaterials 22 ein Sol-Gel-Prozess durchgeführt und ein Wert einer Porosität des Verbundmaterials 22 zwischen 20% und 45% eingestellt wird.
In einem ersten Verfahrensschritt 36 wird ein Ausgangsmaterial für das Matrixmaterial 24 hergestellt. Als Ausgangsmaterial für das Matrixmaterial 24 wird eine Suspension von Siliziumdioxid-Pulver in einer kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion verwendet. Der Suspension von Siliziumdioxid-Pulver in der kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion wird zudem ein kommerziell von der Firma Röhmer und Hass unter dem Handelsnamen DURAMAX D3005 vertriebener Dispergator zugegeben, welcher ein Ammoniumsalz eines polyelektrolytischen Polyacrylats als Wirkstoff zur Stabilisierung der Suspension und zur Reduktion einer Viskosität der Suspension aufweist. Das Siliziumdioxid-Pulver weist eine Partikelgrößenverteilung auf, die durch die Werte d₁₀ = 0,2 Mikrometer, d₅₀ = 3,7 Mikrometer und d₉₀ = 8,8 Mikrometer und eine spezifische Oberfläche von 8,3 m²/g charakterisiert ist. Die kolloidale Siliziumdioxid-Dispersion weist Siliziumdioxid-Nanopartikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von zwanzig Nanometern und einer spezifischen Oberfläche von 200 m²/g auf. Bestandteile des Ausgangsmaterials werden mittels magnetischer Rührung miteinander vermischt.
Ein Anteil von Siliziumdioxid in dem Siliziumdioxid-Pulver und der kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion hängt ab von einem gewünschten Anteil in dem Verbundmaterial 22. Für das Verbundmaterial 22 nach der exemplarischen Ausführung V₂ wird ein Ausgangsmaterial mit einem Volumenanteil von Siliziumdioxid von fünfundfünfzig Volumenprozent verwendet, wobei ein Gewichtsanteil von Siliziumdioxid-Pulver in dem Ausgangsmaterial siebenundsechzig Prozent und ein Gewichtsanteil der Siliziumdioxid-Nanopartikel der kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion zehn Prozent beträgt. Für das Verbundmaterial 22 nach der exemplarischen Ausführung V₃ wird ein Ausgangsmaterial mit einem Volumenanteil von Siliziumdioxid von vierzig Volumenprozent verwendet, wobei ein Gewichtsanteil von Siliziumdioxid-Pulver in dem Ausgangsmaterial fünfzig Prozent und ein Gewichtsanteil der Siliziumdioxid-Nanopartikel der kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion fünfzehn Prozent beträgt. Für das Verbundmaterial 22 nach der exemplarischen Ausführung V₄ wird ein Ausgangsmaterial mit einem Volumenanteil von Siliziumdioxid von dreißig Volumenprozent verwendet, wobei ein Gewichtsanteil von Siliziumdioxid-Pulver in dem Ausgangsmaterial zweiunddreißig Prozent und ein Gewichtsanteil der Siliziumdioxid-Nanopartikel der kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion zwanzig Prozent beträgt. Für das Verbundmaterial 22 nach der exemplarischen Ausführung V₅ wird ein Ausgangsmaterial mit einem Gesamtgewichtsanteil von Siliziumdioxid von 52,6 Gewichtsprozent verwendet, wobei ein Gewichtsanteil von Siliziumdioxid-Pulver in dem Ausgangsmaterial 32,3 Gewichtsprozent und ein Gewichtsanteil der Siliziumdioxid-Nanopartikel der Siliziumdioxid-Lösung 20,3 Gewichtsprozent beträgt. Für das Verbundmaterial 22 nach der exemplarischen Ausführung V₆ wird ein Ausgangsmaterial mit einem Gesamtgewichtsanteil von Siliziumdioxid von 61,5 Gewichtsprozent verwendet, wobei ein Gewichtsanteil von Siliziumdioxid-Pulver in dem Ausgangsmaterial 45,0 Gewichtsprozent und ein Gewichtsanteil der Siliziumdioxid-Nanopartikel der Siliziumdioxid-Lösung 16,5 Gewichtsprozent beträgt. Für das Verbundmaterial 22 nach der exemplarischen Ausführung V₇ wird ein Ausgangsmaterial mit einem Gesamtgewichtsanteil von Siliziumdioxid von 65,4 Gewichtsprozent verwendet, wobei ein Gewichtsanteil von Siliziumdioxid-Pulver in dem Ausgangsmaterial 50,6 Gewichtsprozent und ein Gewichtsanteil der Siliziumdioxid-Nanopartikel der kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion 14,8 Gewichtsprozent beträgt.
In einem folgenden Verfahrensschritt 38 wird eine Homogenisierung des Ausgangsmaterials durch eine Ultraschallbehandlung mittels einer Ultraschallsonde UP200S der Firma Hielscher Ultrasonics GmbH durchgeführt. Die Ultraschallbehandlung wird bevorzugt über einen Zeitraum von drei Minuten durchgeführt. In einem weiteren folgenden Verfahrensschritt 40 wird das Ausgangsmaterial in einer Planetenkugelmühle gemahlen, beispielsweise über einen Zeitraum von zweieinhalb Stunden bei dreihundert Umdrehungen pro Minute. In einem folgenden Verfahrensschritt 42 wird der Suspension von Siliziumdioxid-Pulver in der kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion eine kommerzielle wässrige Ammoniaklösung zugegeben, um einen pH-Wert im basischen Bereich zu stabilisieren, so dass Siliziumdioxid-Partikel gelöst bleiben und eine Destabilisierung der Suspension vermieden wird.
In einem weiteren Verfahrensschritt 44 erfolgt zur Einleitung einer Gelbildung eine Zugabe von Ammoniumchlorid zu der Suspension von Siliziumdioxid-Pulver in der kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion, wobei die Menge des Ammoniumchlorids so bemessen ist, dass eine Gelbildung innerhalb eines Zeitraums von 30 Minuten abgeschlossen ist. Je nach gewünschter Struktur des Verbundmaterials 22 kann die Menge des Ammoniumchlorids so bemessen sei, dass die Gelbildung innerhalb eines Zeitraums von 15 Minuten bis 45 Minuten abgeschlossen ist. Eine jeweilige Menge von Ammoniumchlorid, um gewünschte Zeiträume für die Gelbildung einzustellen, hängt dabei von einem Siliziumdioxid-Gehalt in der Suspension von Siliziumdioxid-Pulver in der kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion ab.
In einem folgenden Verfahrensschritt 46 wird die Suspension von Siliziumdioxid-Pulver in der kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion mit zugegebenem Ammoniumchlorid auf das Fasermaterial 26 aufgetragen und durchtränkt das Fasermaterial 26. Eine Auftragung der Suspension von Siliziumdioxid-Pulver in der kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion mit zugegebenem Ammoniumchlorid wird mittels einer Bürstenwalze unterstützt. Das Fasermaterial 26 besteht aus zwei Fasermatten, die vor einem Beginn einer Herstellung des Verbundmaterials 22 jeweils eine Dicke von sechs Millimetern aufweisen. Alternativ kann eine einzelne oder mehrere Fasermatten mit einer Dicke von jeweils drei bis sechs Millimetern verwendet werden. Die Fasermatten und somit das Fasermaterial 26 bestehen aus kontinuierlichen, zu zumindest fünfundneunzig Prozent amorphen Siliziumdioxid-Fasern, die Faserdurchmesser zwischen sechs Mikrometern und neun Mikrometern aufweisen. Über eine Variation einer Anzahl und Dicke von Fasermatten bei gleicher Zusammensetzung der Suspension von Siliziumdioxid-Pulver in der kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion kann ein Volumenanteil des Fasermaterials 26 in dem Verbundmaterial 22 eingestellt werden. Die mit der Suspension von Siliziumdioxid-Pulver in der kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion getränkten Fasermatten werden als Hausgerätegrundplatten-Halbzeug 60 bezeichnet.
In einem weiteren Verfahrensschritt 48 wird ein Pressprozess des Hausgerätegrundplatten-Halbzeugs 60 zur Einstellung einer Dicke der Hausgerätegrundplatte 20 bei einem Druck zwischen 50 kPa und 200 kPa durchgeführt. Bevorzugt wird der Pressprozess bei 100 kPa durchgeführt. Der Pressprozess wird mittels zweier Stahlplatten 62 aus rostfreiem Stahl durchgeführt (5), zwischen denen das Hausgerätegrundplatten-Halbzeug 60 eingelegt wird. Die Stahlplatten 62 werden von einer uniaxialen Pressvorrichtung oder einer Rollpressvorrichtung mit Druck beaufschlagt. Oberflächen der Stahlplatten 62 sind mit Folien aus dem Kunststoff Mylar^® abgedeckt, so dass ein Anhaften gelierender Suspension an die Stahlplatten 62 vermieden wird. Nach Pressung werden Halteklammern an die Stahlplatten 62 angebracht, um den Druck zu halten. In dem Pressprozess wird die Einstellung der Dicke des Hausgerätegrundplatten-Halbzeugs 60 über eine Abstandsfixierung zwischen den Stahlplatten 62 durch Distanzelemente 64 durchgeführt. Die Distanzelemente 64 sind für eine Einstellung einer Dicke von sechs Millimetern ausgebildet. Durch Verwendung anderer Distanzelemente 64 können andere Dicken, beispielsweise eine Dicke der Hausgerätegrundplatte 20 zwischen zwei Millimetern und sechs Millimetern, eingestellt werden. Eine Variation einer eingestellten Dicke kann somit durch Verwendung unterschiedlicher Distanzelemente 64 ohne weitere Änderungen an einer Form durchgeführt werden. Die Distanzelemente 64 sind als Distanzstäbe aus Stahl ausgeführt.
In einem weiteren Verfahrensschritt 50 wird eine Matrixkonsolidierung durchgeführt, bei dem das über die Stahlplatten 62 mit Druck beaufschlagte Hausgerätegrundplatten-Halbzeug 60 für einige Stunden bei einer Temperatur zwischen 25 °C und 40 °C gehalten wird. Nach Abschluss der Matrixkonsoliderung hat sich ein stabiles Gel gebildet, so dass eine Dicke der Hausgerätegrundplatte 20 fixiert ist.
In einem weiteren Verfahrensschritt 52 wird eine Trocknung durchgeführt, bei dem das Hausgerätegrundplatten-Halbzeug 60 über einen Zeitraum von etwa zwanzig bis vierundzwanzig Stunden bei einer Temperatur von 70 °C getrocknet wird, um in Poren des Gels enthaltenes Wasser zu entfernen. Die Prozessparameter Temperatur und Trocknungsdauer können angepasst werden, um Eigenschaften des Verbundmaterials 22 zu beeinflussen.
In einem weiteren Verfahrensschritt 54 zur Herstellung des Verbundmaterials 22 wird eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 900 °C über eine Zeitdauer von sechs Stunden durchgeführt. Die Wärmebehandlung bewirkt eine teilweise Sinterung von Partikeln der Feinphase des Matrixmaterials 24, wodurch sich eine Gefügeveränderung der Feinphase mit einer Verdichtung der Feinphase ergibt. Durch die Verdichtung wird eine Härte des Verbundmaterials 22 erhöht. Die Wärmebehandlung ist von einem sogenannten Sintervorgang gebildet. Die Wärmebehandlung wird mit einer Heizrate und einer Kühlrate mit einem Wert von 5 °C/min durchgeführt, mit der auf 900 °C aufgeheizt wird, wobei diese Temperatur dann für die Zeitdauer von sechs Stunden gehalten und anschließend abgekühlt wird. Nach Durchführung der Wärmebehandlung ist das Matrixmaterial 24 frei von kristallinen Phasen. Zur Herstellung einer Hausgeräteplatte 10 wird nach Durchführung der Wärmebehandlung mit einer Aufbringung der Oberflächenschichteinheit 14 begonnen.
Prozessparameter der Wärmebehandlung können zur Beeinflussung von Eigenschaften des Verbundmaterials 22 variiert werden. Die Wärmebehandlung kann bei einer Temperatur zwischen 800 °C und 1.000 °C und mit einer Heizrate und/oder Kühlrate mit Werten zwischen 1 °C/min und 10°C/min durchgeführt werden, wobei entstehendes Matrixmaterial 24 weitgehend frei von kristallinen Phasen ist. Eine Zeitdauer der Wärmebehandlung wird bevorzugt zwischen vier und acht Stunden variiert.
Bezugszeichenliste

10: Hausgeräteplatte
12: Kochzone
14: Oberflächenschichteinheit
16: Versiegelungsschicht
18: Wasserabweisschicht
20: Hausgerätegrundplatte
22: Verbundmaterial
24: Matrixmaterial
26: Fasermaterial
28: Hausgerät
30: Alkalisilikatschicht
32: organisch-anorganisches Hybridmaterial
34: Verfahren
36: Verfahrensschritt
38: Verfahrensschritt
40: Verfahrensschritt
42: Verfahrensschritt
44: Verfahrensschritt
46: Verfahrensschritt
48: Verfahrensschritt
50: Verfahrensschritt
52: Verfahrensschritt
54: Verfahrensschritt
56: spröde Lastkurve
58: pseudoplastische Lastkurve
60: Hausgerätegrundplatten-Halbzeug
62: Stahlplatte
64: Distanzelement
66: mechanische Belastung
68: Verformung

Claims

Hausgerätegrundplatte, insbesondere Kochfeldgrundplatte, zumindest weitgehend bestehend aus einem Verbundmaterial (22), das zumindest teilweise durch einen Sol-Gel-Prozess hergestellt ist und das zumindest ein Matrixmaterial (24) und zumindest ein mit dem zumindest einen Matrixmaterial (24) verbundenes Fasermaterial (26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Porosität des Verbundmaterials (22) einen Wert zwischen 20% und 45% aufweist.
Hausgerätegrundplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Matrixmaterial (24) eine zumindest weitgehend aus Siliziumdioxid-Partikeln bestehende Grobphase und eine zumindest weitgehend aus Siliziumdioxid-Partikeln bestehende Feinphase aufweist.
Hausgerätegrundplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial (22) ein pseudoplastisches Bruchverhalten aufweist.
Hausgerätegrundplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Biegefestigkeit des Verbundmaterials (22) einen Wert zwischen 10 MPa und 40 MPa aufweist.
Hausgerätegrundplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (26) zumindest im Wesentlichen aus Fasern amorphen Siliziumdioxids besteht.
Hausgerätegrundplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial (24) zumindest teilweise mit einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 800 °C und 1.000 °C hergestellt wurde.
Hausgerätegrundplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial (24) zumindest weitgehend frei von kristallinen Phasen ist.
Verfahren zur Herstellung einer Hausgerätegrundplatte (20), insbesondere einer Kochfeldgrundplatte, welche zumindest weitgehend aus einem Verbundmaterial (22) besteht, das zumindest ein Matrixmaterial (24) und zumindest ein mit dem zumindest einen Matrixmaterial (24) verbundenes Fasermaterial (26) aufweist, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt (44, 50) zur Herstellung des Verbundmaterials (22) ein Sol-Gel-Prozess durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert einer Porosität des Verbundmaterials (22) zwischen 20% und 45% eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt (54) zur Herstellung des Verbundmaterials (22) eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 800 °C und 1.000 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung mit einer Heizrate und/oder Kühlrate mit Werten zwischen 1°C/min und 10°C/min durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung über eine Zeitdauer von vier bis acht Stunden durchgeführt wird.
Verfahren zumindest nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial für das Matrixmaterial (24) eine Suspension von Siliziumdioxid-Pulver in einer kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt (44) zur Einleitung einer Gelbildung eine Zugabe von Ammoniumchlorid zu der Suspension von Siliziumdioxid-Pulver in der kolloidalen Siliziumdioxid-Dispersion erfolgt, wobei die Menge des Ammoniumchlorids so bemessen ist, dass eine Gelbildung innerhalb eines Zeitraums von 15 Minuten bis 45 Minuten abgeschlossen ist.
Verfahren zumindest nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem weiteren Verfahrensschritt (48) ein Pressprozess eines Hausgerätegrundplatten-Halbzeugs (60) zur Einstellung einer Dicke der Hausgerätegrundplatte (20) bei einem Druck zwischen 50 kPa und 200 kPa durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pressprozess die Einstellung der Dicke des Hausgerätegrundplatten-Halbzeugs (60) über eine Abstandsfixierung zwischen den Stahlplatten (62) durch Distanzelemente (64) durchgeführt wird.