DE102016208084A1

DE102016208084A1 - Poröse Wärmedämmbeschichtung und Herstellungsverfahren für dieselbe

Info

Publication number: DE102016208084A1
Application number: DE102016208084.9A
Authority: DE
Inventors: Woong Pyo HONG; In Woong Lyo; Su Jung Noh; Seung Jeong OH; Seung Woo Lee; Bokyung Kim; Hong Kil Baek
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2017-06-22
Also published as: KR101724487B1; US10393013B2; US20170167373A1

Abstract

Offenbart sind eine Beschichtung mit Poren für die Wärmedämmung und ein Verfahren zur Herstellung derselben. Die Beschichtung kann eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, eine niedrige Volumen-Wärmekapazität und eine verbesserte Haltbarkeit gewährleisten, so dass die Beschichtung auf einen Verbrennungsmotor aufgebracht werden kann.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die gegenständliche Erfindung betrifft eine Beschichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Beschichtung kann insbesondere eine poröse Wärmedämmbeschichtung sein, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit, eine niedrige Volumen-Wärmekapazität und eine verbesserte Haltbarkeit gewährleisten kann. Eine derartige Beschichtung kann auf einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeuges aufgebracht werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Unter einem Verbrennungsmotor ist ein Motor zu verstehen, in dem Verbrennungsgas, das durch die Verbrennung von Kraftstoff generiert wird, unmittelbar auf einen Kolben oder einen Turbinenflügel und dergleichen wirkt, um die Wärmeenergie des Kraftstoffes in mechanische Arbeit umzuwandeln. Zwar bezieht sich der Ausdruck für gewöhnlich auf einen Kolbenmotor, der ein Gasgemisch aus Kraftstoff und Luft zündet und in einem Zylinder zur Explosion bringt, um einen Kolben zu bewegen, jedoch können auch eine Gasturbine, ein Düsenmotor, eine Rakete und dergleichen unter den Begriff des Verbrennungsmotors fallen.
Je nach Kraftstoff, kann der Verbrennungsmotor eingeteilt werden in einen Gasmotor, einen Benzinmotor, einen Petroleummotor, einen Dieselmotor und dergleichen. Petroleum-, Gas- oder Benzinmotoren zünden beispielsweise über einen von einer Zündkerze erzeugten elektrischen Zündfunken, und der Dieselmotor spritzt Kraftstoff mit hoher Temperatur und hohem Druck für eine spontane Zündung ein. Der Verbrennungsmotor kann auch in Viertakt- und Zweitaktmotoren unterteilt werden, je nach Art seiner Kolbenbewegung.
Der Verbrennungsmotor eines Fahrzeuges weist für gewöhnlich einen Wärmewirkungsgrad von etwa 15 % bis 35 % auf, und selbst bei maximaler Effizienz des Verbrennungsmotors können aufgrund der durch die Wand des Verbrennungsmotors austretenden Wärmeenergie und Abgase etwa 60 % oder mehr der gesamten Wärmeenergie verschwendet werden.
Wenn die Menge der durch die Wand eines Verbrennungsmotors nach außen abgegebenen Wärmeenergie verringert wird, kann folglich der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors gesteigert werden, weshalb Verfahren zum Einbau von Wärmedämmstoffen außerhalb des Verbrennungsmotors, die Modifizierung eines Teils des Materials oder der Bauweise des Verbrennungsmotors oder die Entwicklung eines Kühlsystems für den Verbrennungsmotor angewendet wurden.
Insbesondere wenn die Abgabe von Wärme, die innerhalb des Verbrennungsmotors erzeugt wird, nach außen durch die Wand des Verbrennungsmotors minimiert wird, können der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors und des Kraftstoffs eines Kraftfahrzeuges erhöht werden. Allerdings wurden ungenügende Studien über Wärmedämmstoffe oder Wärmedämmstrukturen durchgeführt, die unter den Bedingungen eines wiederholten Auftretens von hohen Temperaturen und eines hohen Drucks eine lange Zeit innerhalb des Verbrennungsmotors bestehen können.
Es besteht folglich eine Nachfrage nach der Entwicklung neuartiger Wärmedämmstoffe, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit aufweisen, und die, wenn sie in einem Verbrennungsmotor aufgebracht werden, eine lange Haltbarkeit aufweisen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In bevorzugten Aspekten schafft die vorliegende Erfindung eine Beschichtung. Die Beschichtung kann Poren umfassen und zur Wärmedämmung verwendet werden. Die Beschichtung der vorliegenden Erfindung kann geeigneter Weise eine poröse Wärmedämmbeschichtung sein, wenn nicht anders angegeben. Dementsprechend kann die Beschichtung der vorliegenden Erfindung in bevorzugten Aspekten eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige Volumen-Wärmekapazität sicherstellen. Außerdem kann die Beschichtung, wenn sie auf den Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs aufgebracht wird, eine verbesserte Haltbarkeit bereitstellen.
In einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung. Die Beschichtung kann ein Bindemittel und ein poröses keramisches Verbundmaterial umfassen. Das poröse keramische Verbundmaterial kann ein Aerogel und eine keramische Verbindung umfassen, und das poröse keramische Verbundmaterial kann Poren mit einem Durchmesser von etwa 100 nm bis 40000 nm (40 µM) umfassen. Außerdem kann das poröse keramische Verbundmaterial im Bindemittel verteilt sein, und ein durchschnittlicher Durchmesser des porösen keramischen Verbundmaterials kann etwa 1 µm bis 500 µm betragen.
Der Ausdruck „Bindemittel“ bezeichnet für unsere Zwecke ein Harz- oder Polymermaterial, das den in einer Matrix enthaltenen Komponenten oder einem nahe daran befindlichen Substrat eine Haftwirkung verschafft. Das Bindemittel kann gehärtet (polymerisiert) oder teilgehärtet sein, wofür ein Härtungsverfahren wie beispielsweise Erwärmen, UV-Bestrahlung, Elektronenstrahlung, chemische Polymerisation unter Verwendung von Zuschlägen und dergleichen zur Anwendung kommt. Das Bindemittel der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein Bindemittel auf keramischer Basis, das Komponenten auf keramischer Basis umfassen kann, beispielsweise Metalloxide. In bevorzugten Aspekten kann ein Bindemittel ein Bindemittel auf keramischer Basis sein.
Der Ausdruck „Aerogel“ bezeichnet für unsere Zwecke einen Feststoff oder ein halbfestes Material (z. B. ein Gel), das Poren enthält. Insbesondere können die Poren im Aerogel mit Gas oder Luft gefüllt sein. Vorzugsweise weisen die Poren im Aerogel unterschiedliche Größenverteilungen und Größenbereiche, unterschiedliche Formen und unterschiedliche Porositäten oder dergleichen auf. Das Aerogel ist nicht auf spezifische Materialien eingeschränkt, vorzugsweise umfasst das Aerogel der vorliegenden Erfindung Siliziumoxid, Kohlenstoff oder organisches Polymer als Hauptkomponenten.
Der Ausdruck „Pore“ bezeichnet für unsere Zwecke eine Lücke, ein Loch oder eine Höhlung, die in einem Material oder einer Matrix ausgebildet sind. Die Größe oder die Form der Pore sind nicht spezifisch eingeschränkt. Vorzugsweise können die in dem porösen, keramischen Verbundmaterial enthaltenen Poren mit einem durchschnittlichen Durchmesser ohne besondere Form der Poren definiert sein.
Das Aerogel kann Nanoporen mit einem Durchmesser von etwa 1 nm bis 500 nm umfassen.
Der Ausdruck „Nanoporen“ bezeichnet für unsere Zwecke ein freies Loch, eine Pore oder eine Höhlung mit einem durchschnittlichen Durchmesser im Nanometerbereich, beispielsweise bis zu 999 nm, 900 nm, 800 nm, 700 nm, 600 nm, 500 nm oder insbesondere von etwa 1 nm bis 500 nm.
Eine Porosität der Beschichtung kann vorzugsweise etwa 30 % oder mehr betragen.
Eine Volumen-Wärmekapazität der porösen Wärmebeschichtung nach ASTM E1269 kann etwa 1500 KJ/m³K oder weniger betragen.
Vorzugsweise kann eine Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung nach ASTM E1461 etwa 2,0 W/mK oder weniger betragen.
Vorzugsweise kann eine Dichte der Beschichtung nach ISO 18754 etwa 0,5 g/ml bis 2,0 g/ml betragen.
Vorzugsweise kann die Beschichtung eine Dicke von etwa 10 µm bis 2000 µm aufweisen.
Das Bindemittel kann ein Oxid wenigstens eines Metalls umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium (Si), Aluminium (Al), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Yttrium (Y) und Cerium (Ce).
Im porösen keramischen Verbundmaterial kann eine Bindung zwischen dem Aerogel und der keramischen Verbindung gebildet werden.
Das Aerogel kann ein Aerogel-Pulver mit einem Durchmesser von etwa 1 µm bis 5 µm sein.
Die keramische Verbindung ist ein keramisches Pulver mit einem Durchmesser von etwa 1 µm bis 5 µm. Die keramische Verbindung kann vorzugsweise ein Oxid wenigstens eines Metalls umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium (Si), Aluminium (Al), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Yttrium (Y) und Cerium (Ce).
Ebenfalls bereitgestellt wird ein Fahrzeugteil, das die Beschichtung wie hier beschrieben umfasst. Das Fahrzeugteil kann beispielsweise ein Verbrennungsmotor oder eine Komponente eines Verbrennungsmotors sein, die die hier beschriebene Beschichtung umfasst.
Ferner wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das das Fahrzeugteil umfasst, welches die hier beschriebene Beschichtung umfasst.
In einem anderen Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Wärmedämmbeschichtung. Das Verfahren kann Folgendes umfassen: Herstellen poröser, keramischer Verbundmaterialpartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 50 µm bis 500 µm; Schmelzen einer Oberfläche der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel; und Aufsprühen der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel auf ein Substrat. Die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel können ein Aerogel und eine keramische Verbindung umfassen, und das Aerogel kann Poren mit einem Durchmesser von etwa 100 nm bis 40000 nm umfassen.
Wenn die Oberfläche der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel geschmolzen wird, können die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel bis auf eine Tiefe von etwa 10 µm unter der Oberfläche geschmolzen werden. Die Oberfläche der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel kann durch Plasma geschmolzen werden, das durch das Anlegen eines Stroms von etwa 300 A bis 600 A an Inertgas erzeugt wird.
Das Aufsprühen kann aus einer Distanz von etwa 10 mm bis 200 mm vom Substrat durchgeführt werden.
Die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel können durch folgende Schritte hergestellt werden: Aufsprühen eines das Aerogel und die keramische Verbindung umfassenden Gemisches auf das Substrat, das mit einer Geschwindigkeit von etwa 1000 UpM bis 20000 UpM rotiert; und Wärmebehandlung eines aufgesprühten Produkts bei einer Temperatur von etwa 500 °C bis 1500 °C.
Der Feststoffgehalt des Gemisches kann vorzugsweise etwa 40 Volumenprozent bis 60 Volumenprozent auf Basis des Gesamtvolumens des Gemisches betragen.
Der Gehalt des Aerogels kann vorzugsweise etwa 50 bis 500 Gewichtsteile auf Basis von 100 Gewichtsteilen der im Gemisch enthaltenen keramischen Verbindung ausmachen.
Die keramische Verbindung kann wenigstens ein Oxid wenigstens eines Metalls umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium (Si), Aluminium (Al), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Yttrium (Y) und Cerium (Ce).
Das Aerogel kann Nanoporen mit einem Durchmesser von 1 nm bis 500 nm umfassen.
Wenn die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel hergestellt werden, kann die Wärmebehandlung etwa 1 Stunde bis 10 Stunden dauern.
Außerdem können bei der Herstellung der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel das Aerogel und die keramische Verbindung vor dem Aufsprühen pulverisiert werden. Überdies kann das aufgesprühte Produkt bei Temperaturen von etwa 100 °C bis 300 °C vor dem Schritt der Wärmebehandlung getrocknet werden.
Andere Aspekte der Erfindung sind nachstehend offenbart.
Nach der vorliegenden Erfindung kann eine poröse Wärmedämmbeschichtung eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige Volumen-Wärmekapazität sicherstellen, und wenn die Beschichtung auf einen Verbrennungsmotor aufgebracht wird, kann sie eine verbesserte Haltbarkeit gewährleisten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittansicht eines FE-SEM-Bildes einer beispielhaften porösen Wärmedämmbeschichtung, die im Beispiel nach einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
2 ist eine Querschnittansicht eines FE-SEM-Bildes einer porösen Wärmedämmbeschichtung, die im Vergleichsbeispiel 2 hergestellt wurde.
3 ist eine Außenansicht eines FE-SEM-Bildes von beispielhaften keramischen Verbundmaterialpartikeln, die im Beispiel nach einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden.
4 ist eine Querschnittansicht eines FE-SEM-Bildes von beispielhaften keramischen Verbundmaterialpartikeln, die im Beispiel nach einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden.
5 ist eine Querschnittansicht eines FE-SEM-Bildes eines beispielhaften Aerogels, das im Beispiel nach einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die hier benutzte Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und ist nicht geeignet, die Erfindung in ihrem Umfang oder Geltungsbereich einzuschränken. So wie hier verwendet, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes nahelegt. Ferner wird darauf hingewiesen, dass die Ausdrücke „umfasst“ und/oder „umfassend“, wenn in dieser Spezifikation verwendet, die Anwesenheit bestimmter Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Arbeitsvorgänge, Elemente und/oder Komponenten festlegen, jedoch nicht die Anwesenheit oder Hinzufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Arbeitsvorgänge, Elemente, Komponenten und oder Gruppen derselben ausschließen. Der Ausdruck an „und/oder“ umfasst für unsere Zwecke jegliche und sämtliche Kombinationen eines oder mehrerer der entsprechenden aufgelisteten Objekte.
Wenn nicht ausdrücklich festgestellt oder aus dem Kontext offensichtlich, wird mit der Angabe „etwa“ ein Bereich innerhalb fachspezifischer Toleranzgrenzen bezeichnet, beispielsweise innerhalb von 2 Standardabweichungen vom Mittelwert. „Etwa“ kann verstanden werden als innerhalb von 10 %, 9 %, 8 %, 7 %, 6 %, 5 %, 4 %, 3 %, 2 %, 1 %, 0,5 %, 0,1 %, 0,05 % oder 0,01 % des angegebenen Wertes. Wenn nicht der Kontext etwas anderes nahelegt, werden sämtliche hierin angegebenen numerischen Werte durch den Ausdruck „etwa“ modifiziert.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Ausdruck "Fahrzeug" oder "Fahrzeug-" oder andere ähnliche Ausdrücke für unsere Zwecke Kraftfahrzeuge im Allgemeinen einschließt, wie beispielsweise Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastkraftwagen, unterschiedliche Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich unterschiedlicher Boote und Schiffe, Luftfahrzeuge und dergleichen, und außerdem Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybridfahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und anderer Fahrzeuge mit alternativem Kraftstoff (z. B. Kraftstoffe aus anderen Ressourcen als Erdöl). Unter einem Hybridfahrzeug ist für unsere Zwecke ein Fahrzeug mit zwei oder mehr Kraftquellen zu verstehen, beispielsweise Fahrzeuge mit sowohl Benzin- als auch Elektroantrieb.
Geschaffen wird hiermit eine poröse Wärmedämmbeschichtung. Die poröse Wärmedämmbeschichtung kann ein Bindemittel umfassen, und ein im Bindemittel verteiltes, poröses keramisches Verbundmaterial, das ein Aerogel und eine keramische Verbindung umfasst. Insbesondere kann das poröse keramische Verbundmaterial Poren mit einem Durchmesser von etwa 100 nm bis 40000 nm umfassen. Zudem kann das poröse keramische Verbundmaterial einen durchschnittlichen Durchmesser von 1 µm bis 500 µm aufweisen.
Ebenfalls geschaffen wird hiermit ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Wärmedämmbeschichtung. Das Verfahren kann folgende Schritte umfassen: Herstellen poröser keramischer Verbundmaterialpartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 50 µm bis 500 µm; Schmelzen der Oberfläche der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel; und Aufsprühen der geschmolzenen porösen keramischen Verbundmaterialpartikel auf ein Substrat. Die hergestellten porösen keramischen Verbundmaterialpartikel können insbesondere ein Aerogel und eine keramische Verbindung umfassen, und das Aerogel kann Poren mit einem Durchmesser von etwa 100 nm bis 40000 nm umfassen.
Nachstehend werden eine poröse Wärmedämmbeschichtung und ein Verfahren zur Herstellung derselben gemäß unterschiedlichen Beispielen der Erfindung im Detail erklärt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird eine poröse Wärmedämmbeschichtung geschaffen, die ein Bindemittel auf Keramikbasis umfasst; und ein poröses keramisches Verbundmaterial mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1 µm bis 500 µm, das im Bindemittel verteilt ist. Das poröse keramische Verbundmaterial kann ein Aerogel und eine keramische Verbindung enthalten, und das Aerogel kann Poren mit einem Durchmesser von etwa 100 nm bis 40000 nm enthalten.
Die Erfinder haben durch Experimente festgestellt, dass wenn die oben erläuterte poröse Wärmedämmbeschichtung benützt wird, wobei das exemplarische poröse keramische Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung in der Beschichtung verteilt ist, die Porenstruktur des Aerogels in der auf diese Weise hergestellten Beschichtung bewahrt werden kann, wodurch ausgezeichnete Wärmedämmeigenschaften erzielt werden. Das poröse keramische Verbundmaterial kann insbesondere einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 1 µm bis 500 µm aufweisen und das Aerogel und eine keramische Verbindung enthalten, und im Aerogel können Poren mit einem Durchmesser von etwa 100 nm bis 40000 nm enthalten sein.
Beim herkömmlichen Beschichtungsverfahren mit einem einfachen Gemisch aus Aerogel und einer keramischen Verbindung kann das Aerogel im Gemisch leicht exponiert werden, während ein Beschichtungsvorgang fortschreitet, und das exponierte Aerogel kann aufgrund der hohen Prozesstemperatur von bis zu 10000 K schmelzen, wodurch die Porenstruktur des Aerogels möglicherweise nicht bewahrt wird und die Wärmeleitfähigkeit und die Volumen-Wärmekapazität erhöht werden.
Demgegenüber lässt sich durch die Verteilung eines spezifischen porösen keramischen Verbundmaterials in einem Bindemittel auf keramischer Basis dank des Bindemieters auf keramischer Basis eine wesentlich verbesserte Beschichtung erzielen, und gleichzeitig können die Poren des Aerogels im porösen keramischen Verbundmaterial bewahrt werden, wodurch eine poröse Wärmedämmbeschichtung mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und Volumen-Wärmekapazität hergestellt wird.
Die poröse Wärmedämmbeschichtung kann ein Wärmedämmmaterial oder eine Wärmedämmstruktur und dergleichen schaffen, die in einem Verbrennungsmotor, in dem wiederholt und über längere Zeit Bedingungen mit hohen Temperaturen und einem hohen Druck herrschen, bewahrt werden können, und kann zur Beschichtung der Innenseite eines Verbrennungsmotors oder der Komponenten eines Verbrennungsmotors benützt werden.
Die poröse Wärmedämmbeschichtung kann insbesondere ein Bindemittel auf keramischer Basis umfassen. Das Bindemittel auf keramischer Basis kann das poröse keramische Verbundmaterial so verteilen, dass die auf ein Substrat aufgetragene Beschichtung gebildet wird.
Das Bindemittel auf keramischer Basis kann vorzugsweise ein Oxid wenigstens eines Metalls umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium (Si), Aluminium (Al), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Yttrium (Y) und Cerium (Ce).
Das Bindemittel auf keramischer Basis kann insbesondere eine keramische Schmelze sein, die durch Schmelzen poröser keramischer Verbundmaterialpartikel im unten beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer porösen Wärmedämmbeschichtung gebildet werden, oder ein verfestigtes Produkts hiervon.
Die poröse Wärmedämmbeschichtung kann ein poröses keramisches Verbundmaterial mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 1 µm bis 500 µm umfassen. Das poröse keramische Verbundmaterial kann im Bindemittel auf keramischer Basis verteilt sein und das Aerogel und die keramische Verbindung umfassen. Das Aerogel kann insbesondere Poren mit einem Durchmesser von etwa 100 nm bis 40000 nm umfassen. Insbesondere kann das poröse keramische Verbundmaterial der Rest sein, der nicht schmilzt, wenn die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel in dem unten beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer porösen Wärmedämmbeschichtung teilweise geschmolzen werden.
Insbesondere wurde in Experimenten bestätigt, dass durch die Verwendung des oben beschriebenen porösen keramischen Verbundmaterials eine starke Bindung zwischen dem Aerogel und der keramischen Verbindung im Verbundmaterial gebildet werden kann und die Komponenten im Verbundmaterial eine stabile Form und Struktur auch dann bewahren können, wenn sie einem Beschichtungsverfahren bei hoher Temperatur ausgesetzt werden, und dergleichen.
Insbesondere können die im porösen keramischen Verbundmaterial enthaltenen Poren und die im Aerogel enthaltenen Nanoporen die Strukturen derselben bewahren. Wenn demnach das poröse keramische Verbundmaterial als Wärmedämmmaterial und dergleichen angewendet wird, lässt sich eine hohe Wärmedämmwirkung erzielen, und die Dichte kann reduziert werden, was sich vorteilhaft in Form eines geringen Gewichtes auswirkt.
Außerdem weist das poröse keramische Verbundmaterial eine durchschnittliche Partikelgröße vorgegebener Größe auf. Wenn das poröse keramische Verbundmaterial auf diese Weise für ein Beschichtungsverfahren angewendet wird, wird das Verbundmaterial nicht vollständig geschmolzen, sondern nur ein Teil der Oberfläche des Verbundmaterials wird geschmolzen, wodurch die Struktur der inneren Poren und des Aerogels bewahrt bleiben.
Dem gegenüber kann beim herkömmlichen, einfachen Pulvergemisch eines Aerogels und einer keramischen Verbindung keine Bindung zwischen dem Aerogel und der keramischen Verbindung gebildet werden, wodurch die Herstellung eines Verbundmaterials mit verbesserter Haltbarkeit erschwert wird. Da das Pulver einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser hat, der kleiner als die vorgegebene Größe ist, beispielsweise kleiner als etwa 1 µm bis 500 µm, kann das Aerogel leicht exponiert werden, wenn das anschließende Beschichtungsverfahren fortschreitet. Da außerdem die Prozesstemperatur auf über etwa 10000 K ansteigt, kann das exponierte Aerogel geschmolzen werden, wodurch die Porenstruktur des Aerogels möglicherweise nicht bewahrt wird und damit die Wärmeleitfähigkeit und die Volumen-Wärmekapazität angehoben werden.
Wenn also durch die Bindung des Aerogels in der keramischen Verbindung Partikel mit hoher Haltbarkeit gebildet werden, und wenn der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Partikel auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird, kann das Aerogel in den Partikeln daran gehindert werden, im anschließenden Beschichtungsverfahren und dergleichen geschmolzen zu werden. Entsprechend kann die poröse Wärmedämmbeschichtung eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und Volumen-Wärmekapazität aufweisen.
Vorzugsweise kann das poröse keramische Verbundmaterial ein Aerogel, eine keramische Verbindung und Poren mit einem Durchmesser von 100 nm bis 40000 nm umfassen.
Das hier benutzte Aerogel kann verwickelte Mikrofasern mit einer Dicke von etwa einem Zehntausendstel eines Haares enthalten, so dass das Aerogel eine Porosität von etwa 90 % oder größer aufweisen kann. Das Aerogel kann als Hauptkomponenten Siliciumoxid, Kohlenstoff oder organisches Polymer enthalten. Das Aerogel kann insbesondere ein Material geringer Dichte mit hoher Lichtdurchlässigkeit und sehr geringer Wärmeleitfähigkeit aufgrund der oben erklärten Struktureigenschaften (z. B. Porosität) aufweisen. Als Aerogel kann ohne Einschränkung das allgemein bekannte Aerogel verwendet werden. Vorzugsweise kann das Aerogel verwendet werden, das Siliciumoxid, Kohlenstoff, Polymer, Metalloxid oder ein Gemisch derselben enthält. Auch wenn die Beispiele des Polymers nicht spezifisch eingeschränkt sind, kann dieses beispielsweise Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Polyvinylpyrrolidon, Polystyrolsulfonsäurenatriumsalz, Polyethylenoxid, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylidenfluorid-Hexafluoropropylen, Polytetrafluorethylen, Polystyrol- oder Polyvinylchlorid und dergleichen enthalten.
Das Aerogel kann auch Poren mit einem Durchmesser von etwa 1 nm bis 500 nm oder von etwa 5 nm bis 300 nm oder insbesondere von etwa 10 nm bis 100 nm enthalten. Die im Aerogel enthaltenen Poren können deshalb in der vorliegenden Erfindung als „Nanoporen“ verstanden oder bezeichnet werden. Das Aerogel kann eine spezifische Oberfläche von etwa 100 cm³/g bis 1000 cm³/g oder insbesondere von etwa 300 cm³/g bis 900 cm³/g aufweisen.
Es kann ein Aerogel-Pulver mit einem Durchmesser von 1 µm bis 5 µm verwendet werden. Obwohl die Beispiele des Verfahrens zur Herstellung des Aerogel-Pulvers nicht spezifisch eingeschränkt sind, kann dieses beispielsweise ein Verfahren zur Pulverisierung eines Aerogels im Festzustand umfassen, und das Pulverisierungsverfahren kann verschiedene bekannte Pulverisierungsmethoden umfassen, beispielsweise und ohne Einschränkung ein Kugelmühleverfahren und dergleichen.
Die keramische Verbindung kann wenigstens ein oder mehrere oder zwei oder mehrere Metalloxide enthalten. Das Metalloxid kann insbesondere Oxide umfassen, bei denen eine oder mehr Arten oder zwei oder mehr Arten von Metallatomen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silicium (Si), Aluminium (Al), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Yttrium (Y) und Cerium (Ce), jeweils an Sauerstoff gebunden sind. Insbesondere können die Beispiele des Metalloxids Yttria-stabilisiertes Zirkon (YSZ) umfassen, das Zirkoniumoxid und Yttriumoxid enthält.
Die keramische Verbindung kann ein keramisches Pulver mit einem Durchmesser von etwa 1 µm bis 5 µm sein. Die Beispiele des Verfahrens zur Herstellung des keramischen Pulvers sind nicht spezifisch eingeschränkt und können beispielsweise ein Verfahren zur Pulverisierung einer keramischen Verbindung im Festzustand umfassen, und das Pulverisierungsverfahren kann unterschiedliche bekannte Pulverisierungsmethoden umfassen, beispielsweise und ohne Einschränkung ein Kugelmühleverfahren und dergleichen.
Zwischen dem Aerogel und der im porösen keramischen Verbundmaterial enthaltenen keramischen Verbindung kann eine Bindung gebildet werden. Aufgrund der Bindung zwischen dem Aerogel und der keramischen Verbindung können die Komponenten im Verbundmaterial eine stabile Form und Struktur auch dann bewahren, wenn sie für einen Beschichtungsprozess bei hoher Temperatur und dergleichen angewendet werden.
Die Bindung zwischen dem Aerogel und der keramischen Verbindung kann eine physische Bindung oder Haftung umfassen, die während der Herstellungsprozesse ausgebildet werden kann. Die Beispiele des Verfahrens zur Bildung einer Bindung zwischen dem Aerogel und der keramischen Verbindung sind nicht spezifisch eingeschränkt und können beispielsweise ein Sinterverfahren enthalten, umfassend das Mischen des Aerogels und der keramischen Verbindung, das Erwärmen derselben auf eine Temperatur um den Schmelzpunkt und das Verfestigen derselben.
Der durchschnittliche Durchmesser des porösen keramischen Verbundmaterials kann etwa 1 µm bis 500 µm oder insbesondere von etwa 5 µm bis 200 µm betragen. Wenn der durchschnittliche Durchmesser des porösen keramischen Verbundmaterials auf weniger als etwa 1 µm abgenommen hat, kann der Gehalt an Aerogel im porösen keramischen Verbundmaterial abnehmen, und folglich kann die Porosität in der abschließend hergestellten Beschichtung abnehmen und die Wärmeleitfähigkeit und Volumen-Wärmekapazität können zunehmen.
Wenn der durchschnittliche Durchmesser des porösen keramischen Verbundmaterials im Beschichtungsverfahren des porösen keramischen Verbundmaterials auf mehr als 500 µm zugenommen hat, kann es schwierig sein, eine ausreichende Haftung an einem Substrat zu erreichen.
Obwohl die Beispiele für die Form des porösen keramischen Verbundmaterials nicht spezifisch eingeschränkt sind, kann das poröse keramische Verbundmaterial kugelförmige oder beinahe kugelförmige oder polygonale Partikel umfassen.
Die Porosität des porösen keramischen Verbundmaterials kann etwa 30 % oder mehr oder etwa 40 % oder mehr oder etwa 50 % oder mehr oder insbesondere etwa 65 % betragen. Unter der Porosität des porösen keramischen Verbundmaterials ist der Anteil sämtlicher Poren zu verstehen, die im porösen keramischen Verbundmaterial enthalten sind (beispielsweise die Poren im Aerogel und die Poren in der Beschichtung), und als spezifisches Beispiel für einen Querschnitt des porösen keramischen Verbundmaterials kann sie den Prozentanteil der von den Poren besetzten Fläche an der gesamten Querschnittfläche bezeichnen.
Wenn die Porosität des porösen keramischen Verbundmaterials auf weniger als etwa 30 % in der abschließend hergestellten Wärmedämmbeschichtung abnimmt, kann es schwierig sein, eine ausreichende Wärmedämmeigenschaft des Aerogels zu erreichen.
Die Wärmeleitfähigkeit der porösen Wärmedämmbeschichtung nach ASTM E1461 kann etwa 2,0 W/mK oder weniger oder etwa 1,5 W/mK oder weniger oder etwa 0,1 W/mK bis 2,0 W/mK oder etwa 0,1 W/mK bis 1,5 W/mK betragen. Die Wärmeleitfähigkeit bezeichnet den Grad der Fähigkeit des Materials, Wärme durch Leitung zu übertragen, und allgemein gilt, dass bei niedrigerer Wärmeleitfähigkeit die Übertragung der kinetischen Wärmeenergie langsamer erfolgt und die Wärmedämmungseigenschaft besser ist.
Wenn die Wärmeleitfähigkeit der porösen Wärmedämmbeschichtung größer ist als etwa 2,0 W/Mk, kann die Übertragung der kinetischen Wärmeenergie zu schnell werden, weshalb die Menge der außerhalb der porösen Wärmedämmbeschichtung abgegebenen Wärmeenergie zunehmen und die Wärmedämmeigenschaft abnehmen kann, wodurch die Energieeffizienz verringert wird.
Die Volumen-Wärmekapazität der porösen Wärmedämmbeschichtung nach ASTM E1269 kann etwa 1500 KJ/m³K oder weniger oder etwa 1400 KJ/m³K oder weniger oder insbesondere etwa 1000 KJ/m³K oder weniger betragen. Unter der Volumen-Wärmekapazität ist die Menge an Wärme zu verstehen, die erforderlich ist, um die Temperatur eines Einheitsvolumens eines Materials um 1 Grad zu erhöhen; sie kann nach der folgenden Gleichung 1 berechnet werden.
[Gleichung 1]

Volumen-Wärmekapazität (KJ/m³K) = Spezifische Wärme (KJ/g·K) × Dichte (g/m³).

Wenn somit die Volumen-Wärmekapazität der porösen Wärmedämmbeschichtung größer als etwa 1500 KJ/m³K ist, dann kann die Dichte der porösen Wärmedämmbeschichtung hoch werden, und die Wärmeleitfähigkeit kann zunehmen, weshalb es schwierig sein kann, die angestrebte Wärmedämmeigenschaft zu erreichen.
Die poröse Wärmedämmbeschichtung kann eine Dichte nach ISO 18754 von etwa 0,5 g/ml bis 2,0 g/ml oder insbesondere von 0,7 g/ml bis 1,7 g/ml aufweisen. Wenn die Dichte der porösen Wärmedämmbeschichtung weniger als etwa 0,5 g/ml ist, können in der porösen Wärmedämmbeschichtung überschüssige Poren erzeugt werden, weshalb die mechanische Festigkeit, beispielsweise die Wetterbeständigkeit und dergleichen, der porösen Wärmedämmbeschichtung verringert werden kann. Und wenn die Dichte der porösen Wärmedämmbeschichtung größer als etwa 2,0 g/ml ist, können möglicherweise nicht ausreichend Poren in der porösen Wärmedämmbeschichtung erzeugt werden, weshalb die Wärmeleitfähigkeit und die Volumen-Wärmekapazität nicht auf optimale Werte reduziert werden können, wodurch der Wärmedämmeffekt verringert wird.
Die poröse Wärmedämmbeschichtung kann eine Haftfestigkeit auf Metall nach ASTM C 633-79 von etwa 40 MPa oder weniger aufweisen. Das Verfahren zum Messen der Haftfestigkeit kann beispielsweise das Aufbringen eines Klebstoffes mit hoher Bindekraft auf die auf einem Metallteststück einer bestimmten Größe aufgebrachte Wärmedämmbeschichtung, das Ankleben eines Metallteststücks derselben Größe auf der anderen Seite und das Messen der Bindekraft der Beschichtung mit einem Zugfestigkeitsprüfgerät umfassen.
Die Dicke der porösen Wärmedämmbeschichtung kann etwa 10 µm bis 2000 µm oder etwa 20 µm bis 500 µm oder etwa 30 µm bis 300 µm oder insbesondere etwa 50 µm bis 100 µm betragen. Da die Wärmeleitfähigkeit und die Volumen-Wärmekapazität der porösen Wärmedämmbeschichtung wie oben erklärt mit den Eigenschaften des Einheitsvolumens korrespondieren, kann sich eine Änderung der Dicke auf diese Eigenschaften auswirken. Wenn deshalb die Dicke der porösen Wärmedämmbeschichtung weniger als etwa 10 µm beträgt, ist die Dichte der porösen Wärmedämmbeschichtung möglicherweise nicht ausreichend verringert, weshalb es schwierig sein kann, die Wärmeleitfähigkeit auf einen optimalen Wert zu verringern, und die Funktionen zur Verhinderung einer inneren Korrosion und für einen Oberflächenschutz können sich verschlechtern. Wenn jedoch die Dicke der porösen Wärmedämmbeschichtung größer als etwa 2000 µm ist, können in der porösen Wärmedämmbeschichtung Risse entstehen.
Die Oberflächenrauigkeit der porösen Wärmedämmbeschichtung kann auf Basis der Mittellinien-Durchschnittshöhe (Ra) weniger als etwa 1 µm sein. Die Oberflächenrauigkeit bezeichnet die Größe der regulärer Vorsprünge und Vertiefungen mit einem kurzen Zyklus und einer relativ kleinen Amplitude, die in einer verarbeiteten Metalloberfläche erzeugt werden, wobei die Oberflächenqualität bei geringerer Oberflächenrauigkeit höher ist. Die Beispiele für Methoden zum Messen der Oberflächenrauigkeit sind nicht spezifisch eingeschränkt; beispielsweise wurde die Mittellinien-Durchschnittshöhe (Ra) der porösen Wärmedämmbeschichtung unter Verwendung eines Messinstruments der Veeco Company zum Messen der dreidimensionalen Oberflächenrauigkeit gemessen.
Wenn die Oberflächenrauigkeit der porösen Wärmedämmbeschichtung auf Basis der Mittellinien-Durchschnittshöhe (Ra) etwa 1 µm oder größer ist, können sich die Eigenschaften einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit und einer niedrigen Wärmekapazität infolge einer erhöhten Oberfläche verschlechtern.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Wärmedämmbeschichtung geschaffen, das folgende Schritte umfasst: Herstellen poröser keramischer Verbundmaterialpartikel; Schmelzen der Oberfläche der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel; und Aufsprühen der geschmolzenen keramischen Verbundmaterialpartikel auf ein Substrat. Die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel können insbesondere einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 50 µm bis 500 µm aufweisen und ein Aerogel und eine keramische Verbindung umfassen. Ferner können die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel Poren mit einem Durchmesser von etwa 100 nm bis 40000 nm enthalten. In dem Verfahren zur Herstellung einer porösen Wärmedämmbeschichtung nach einer anderen Ausführungsform kann die poröse Wärmedämmbeschichtung einer Ausführungsform erreicht werden.
Das Verfahren zur Herstellung einer porösen Wärmedämmbeschichtung umfasst vorzugsweise: Herstellen poröser keramischer Verbundmaterialpartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 50 µm bis 500 µm. Die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel können insbesondere ein Aerogel und eine keramische Verbindung umfassen und können Poren mit einem Durchmesser von etwa 100 nm bis 40000 nm umfassen.
In Experimenten wurde bestätigt, dass bei der Verwendung spezifischer poröser keramischer Verbundmaterialpartikel eine starke Bindung zwischen dem Aerogel und der keramischen Verbindung in den Verbundmaterialpartikeln gebildet werden kann. Auf diese Weise können die Komponenten in den Verbundmaterialpartikeln eine stabile Form und Struktur auch bei einer im Beschichtungsprozess und dergleichen angewandten hohen Temperatur bewahren.
Weil nun die in den porösen keramischen Verbundmaterialpartikel enthaltenen Poren und die im Aerogel enthaltenen Nanoporen die Strukturen so wie sie sind bewahren, wenn die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel als Wärmedämmmaterial und dergleichen aufgetragen werden, kann eine hohe Wärmedämmwirkung erreicht und die Dichte kann reduziert werden, wodurch eine Gewichtsreduzierung möglich wird.
Die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel können einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser eines vorgegebenen Werts aufweisen. Wenn die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel für ein Beschichtungsverfahren angewendet werden, so werden die Verbundmaterialpartikel nicht vollständig geschmolzen, sondern nur ein Teil der Oberfläche der Verbundmaterialpartikel wird geschmolzen und die Struktur der inneren Poren und des Aerogels wird bewahrt.
Dem gegenüber können bei Verwendung eines herkömmlichen, einfachen Pulvergemisches eines Aerogels und einer keramischen Verbindung das Aerogel und die keramische Verbindung keine Bindung zwischen sich ausbilden, wodurch die Herstellung von Verbundstoffpartikeln mit erhöhter Haltbarkeit erschwert wird. Aufgrund des im Wesentlichen kleinen durchschnittlichen Partikeldurchmessers von Pulver kann das Aerogel im Zuge des anschließenden Beschichtungsverfahrens außerdem leicht exponiert werden. Aufgrund der hohen Prozesstemperatur von bis zu 10000 K kann das exponierte Aerogel ferner schmelzen, weshalb die Porenstruktur des Aerogels möglicherweise nicht bewahrt wird und folglich die Wärmeleitfähigkeit und die Volumen-Wärmekapazität zunehmen.
Es wurde bestätigt, dass aufgrund der Tatsache, dass durch Binden des Aerogels in der keramischen Verbindung Partikel mit hoher Haltbarkeit geschaffen werden und der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Partikel auf einem bestimmten Wert gehalten werden kann, das Aerogel innerhalb der Partikel daran gehindert werden kann, im anschließenden Beschichtungsprozess und dergleichen zu schmelzen. Daraus folgt, dass die hergestellte poröse Wärmedämmbeschichtung eine reduzierte Wärmeleitfähigkeit und Volumen-Wärmekapazität aufweisen kann.
Das poröse keramische Verbundmaterialpartikel kann das Aerogel und die keramische Verbindung umfassen. Zudem kann das poröse keramische Verbundmaterialpartikel Poren als ein Strukturmerkmal mit einem Durchmesser von etwa 100 nm bis 40000 nm umfassen.
Das Aerogel kann verwickelte Mikrofasern mit einer Dicke von etwa einem Zehntausendstel eines Haares umfassen und eine Porosität von 90 % oder größer aufweisen. Zudem kann das Aerogel als Hauptkomponenten Siliciumoxid, Kohlenstoff oder organisches Polymer enthalten. Das Aerogel kann aufgrund der oben ausgeführten Struktureigenschaften insbesondere eine sehr geringe Dichte, eine hohe Lichtdurchlässigkeit und eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Als Aerogel kann allgemein bekanntes Aerogel verwendet werden, insbesondere Aerogel, das Siliciumoxid, Kohlenstoff, Polymer, Metalloxid oder ein Gemisch derselben enthält. Auch wenn die Beispiele des Polymers nicht spezifisch eingeschränkt sind, kann dieses beispielsweise Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Polyvinylpyrrolidon, Polystyrolsulfonsäurenatriumsalz, Polyethylenoxid, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylidenfluorid-Hexafluoropropylen, Polytetrafluorethylen, Polystyrol oder Polyvinylchlorid und dergleichen enthalten.
Das Aerogel kann Nanoporen mit einem Durchmesser von etwa 1 nm bis 500 nm oder etwa 5 nm bis 300 nm oder insbesondere etwa 10 nm bis 100 nm enthalten. Das Aerogel kann eine spezifische Oberfläche von etwa 100 cm³/g bis 1000 cm³/g oder insbesondere von etwa 300 cm³/g bis 900 cm³/g aufweisen.
Das Aerogel kann ein Aerogel-Pulver mit einem Durchmesser von etwa 1 µm bis 5 µm sein. Obwohl die Beispiele des Verfahrens zur Herstellung des Aerogel-Pulvers nicht spezifisch eingeschränkt sind, kann dieses beispielsweise ein Verfahren zur Pulverisierung eines Aerogels im Festzustand umfassen, und das Pulverisierungsverfahren kann verschiedene bekannte Pulverisierungsmethoden umfassen, beispielsweise und ohne Einschränkung ein Kugelmühleverfahren und dergleichen.
Die keramische Verbindung kann wenigstens ein oder mehrere oder zwei oder mehrere Metalloxide umfassen. Das Metalloxid kann vorzugsweise Oxide umfassen, bei denen eine oder mehr Arten oder zwei oder mehr Arten von Metallatomen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silicium (Si), Aluminium (Al), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Yttrium (Y) und Cerium (Ce), jeweils an Sauerstoff gebunden sind. Das Metalloxid kann beispielsweise Yttria-stabilisiertes Zirkon (YSZ) einschließlich Zirkonoxid und Yttriumoxid umfassen.
Die keramische Verbindung kann ein keramisches Pulver mit einem Durchmesser von 1 µm bis 5 µm sein. Die Beispiele des Verfahrens zur Herstellung des keramischen Pulvers sind nicht spezifisch eingeschränkt und können beispielsweise ein Verfahren zur Pulverisierung einer keramischen Verbindung im Festzustand umfassen, und das Pulverisierungsverfahren kann unterschiedliche bekannte Pulverisierungsverfahren umfassen, wie beispielsweise ohne Einschränkung ein Kugelmühleverfahren und dergleichen.
Die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel können eine Menge von etwa 50 bis 500 Gewichtsteilen oder eine Menge von etwa 80 bis 400 Gewichtsteilen oder insbesondere eine Menge von etwa 100 bis 300 Gewichtsteilen Aerogel auf Basis von 100 Gewichtsteilen der keramischen Verbindung umfassen. Wenn der Gehalt an Aerogel geringer ist als der vorgegebene Gehalt, beispielsweise weniger als etwa 50 Gewichtsteile, kann die Wärmeleitfähigkeit der abschließend hergestellten Wärmedämmbeschichtung nicht ausreichend reduziert sein, und eine ausreichende Wärmedämmeigenschaft lässt sich nicht erzielen.
Wenn der Gehalt an Aerogel größer ist als der vorgegebene Gehalt, beispielsweise größer als etwa 500 Gewichtsteile, kann in der porösen Wärmedämmbeschichtung überschüssiges Aerogel vorhanden sein, und ein Teil der Aerogel-Oberfläche kann an der Oberfläche der porösen Wärmedämmbeschichtung exponiert werden, wodurch auf der Oberfläche der porösen Wärmedämmbeschichtung eine Unebenheit erzeugt wird, wodurch die Haftung an der Innenwand eines Verbrennungsmotors verringert wird.
Zwischen dem Aerogel und der im porösen keramischen Verbundmaterial enthaltenen Verbindung kann eine Bindung gebildet werden. Aufgrund der Bindung zwischen dem Aerogel und der keramischen Verbindung können die Komponenten im Verbundmaterial eine stabile Form und Struktur auch dann bewahren, wenn sie für einen Beschichtungsprozess bei hoher Temperatur und dergleichen angewendet werden.
Die Bindung kann eine physische Bindung oder Haftung zwischen dem Aerogel und der keramischen Verbindung umfassen. Die Beispiele des Verfahrens zur Bildung einer Bindung zwischen dem Aerogel und der keramischen Verbindung sind nicht spezifisch eingeschränkt und können beispielsweise ein Sinterverfahren umfassen, umfassend das Mischen des Aerogels und der keramischen Verbindung, das Erwärmen derselben auf eine Temperatur um den Schmelzpunkt und das Verfestigen derselben.
Der durchschnittliche Durchmesser der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel kann von etwa 50 µm bis 500 µm oder insbesondere von etwa 50 µm bis 200 µm betragen. Wenn der durchschnittliche Durchmesser der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel kleiner ist als 50 µm, kann das in den porösen keramischen Verbundstoffpartikeln enthaltene Aerogel in der hohen Temperatur während des Beschichtungsprozesses der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel schmelzen, wodurch die Porosität in der abschließenden Beschichtung abnimmt und die Wärmeleitfähigkeit und die Volumen-Wärmekapazität zunehmen.
Wenn der durchschnittliche Durchmesser der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel größer ist als etwa 500 µm, kann im Hochtemperatur-Beschichtungsprozess der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel keine ausreichende Haftung an einem Substrat erzielt werden.
Obwohl die Beispiele der Form der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel nicht besonders eingeschränkt sind, können – wie in 3 dargestellt – die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel kugelförmige oder beinahe kugelförmige oder polygonal geformte Partikel sein.
Die Porosität der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel kann etwa 30 % oder mehr oder etwa 40 % oder mehr oder etwa 50 % oder mehr oder insbesondere etwa 65 % oder mehr ausmachen. Die Porosität der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel bezeichnet den Anteil aller Poren, die in dem porösen keramischen Verbundmaterial enthalten sind (zum Beispiel Poren in dem Aerogel und Poren in der Beschichtung), und für ein spezifisches Beispiel für einen Querschnitt des porösen keramischen Verbundmaterials kann sie den Prozentanteil der von den Poren besetzten Fläche an der gesamten Querschnittfläche bezeichnen.
Wenn die Porosität des porösen keramischen Verbundmaterials beispielsweise auf weniger als etwa 30 % abnimmt, kann die innere Porenstruktur des Aerogels in den porösen keramischen Verbundmaterialpartikeln während des Beschichtungsprozesses gestört werden, so dass die abschließend hergestellte Wärmedämmbeschichtung vom Aerogel keine ausreichende Wärmedämmeigenschaft beziehen kann.
Wenn die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel hergestellt werden, kann ein Gemisch aus Aerogel und einer keramischen Verbindung auf ein Substrat gesprüht werden, das sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 1000 UpM bis 20000 UpM dreht, und das aufgesprühte Produkt kann bei einer Temperatur von etwa 500 °C bis 1500 °C wärmebehandelt werden.
Das Gemisch kann Aerogel und eine keramische Verbindung umfassen, die wie oben erläutert beschaffen sind.
Das Gemisch kann ferner Zuschläge wie ein Dispergiermittel und dergleichen und ein Lösungsmittel umfassen. Obwohl die Beispiele für das als Zuschlagstoff benützte Dispergiermittel nicht spezifisch eingeschränkt sind, können hierfür beispielsweise Polyvinylalkohol, Polyvinylchlorid, Polyvinylpyrrolidon, Polyethylenglykol, Gelatine, Stärke, Natriumpolyacrylat, Carboxymethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Natriumdodecylsulfat, Tetramethylenammoniumbromid, Aerosol-OT, Dioctylnatriumsulfosuccinat, Cetyltrimethylammoniumbromid oder ein Gemisch daraus genannt werden.
Die Lösungsmittel sind nicht spezifisch eingeschränkt, und verschiedene allgemein bekannte Arten organischer Lösungsmittel, anorganischer Lösungsmittel und wässriger Lösungsmittel können ohne Beschränkung verwendet werden.
Das Gemisch kann durch Hinzufügen von Feststoffen (beispielsweise Aerogel, eine keramische Verbindung und wenigstens eine Art von Zuschlagstoffen) zu einem Lösungsmittel und durch Mischen desselben hergestellt werden, wobei das Mischverfahren nicht spezifisch eingeschränkt ist und verschiedene bekannte Mischmethoden, wie beispielsweise ein Kugelmühleverfahren und dergleichen ohne Einschränkung angewendet werden können.
Der Gehalt von Feststoffen im Gemisch kann von etwa 40 Volumenprozent bis 60 Volumenprozent auf Basis des Gesamtvolumens des Gemisches ausmachen. Das Gemisch kann beispielsweise in Form von Schlamm, der Feststoffe über einem bestimmten Maß enthält, gegeben sein. Wenn der Feststoffgehalt in dem Gemisch weniger als etwa 40 Volumenprozent beträgt, können in der Lösung beim Mischen des Gemisches Blasen erzeugt werden, wodurch die Kontrolle der Kugelform und der Größe des Pulvergemisches beim Trocknen des Pulvers erschwert wird. Wenn der Feststoffgehalt in dem Gemisch größer als etwa 60 Volumenprozent ist, kann die Viskosität des Gemisches übermäßig zunehmen, wodurch in einem Sprühverfahren keine Mikrotröpfchen gebildet werden können.
Das Gemisch kann mit einer Rotationsgeschwindigkeit von etwa 1000 UpM bis 20000 UpM oder insbesondere von etwa 7000 UpM bis 12000 UpM auf ein Substrat gesprüht werden. Insbesondere kann das Gemisch, wenn es auf ein Substrat gesprüht wird, das mit einer Geschwindigkeit von etwa 7000 UpM bis 12000 UpM rotiert, durch die Zentrifugalkraft des Substrats dermaßen weggeschleudert werden, dass es Tröpfchen mit einem Durchmesser eines bestimmten Werts rund um das Substrat bildet.
Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Substrats kleiner ist als eine vorgegebene Geschwindigkeit, beispielsweise kleiner als etwa 1000 UpM, kann der Durchmesser der produzierten Tröpfchen erheblich auf mehr als etwa 200 µm zunehmen, und der Durchmesser der schließlich hergestellten porösen keramischen Verbundmaterialpartikel kann ebenfalls zunehmen. Folglich kann eine ausreichende Haftung an einem Substrat vor allem beim Hochtemperatur-Beschichtungsprozess der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel nicht erreicht werden.
Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Substrats größer ist als eine vorgegebene Geschwindigkeit, beispielsweise größer als etwa 20000 UpM, kann sich der Durchmesser der produzierten Tröpfchen erheblich auf weniger als etwa 10 µm verringern, und der Durchmesser der schließlich hergestellten porösen keramischen Verbundmaterialpartikel kann sich ebenfalls verringern. Als Folge daraus kann das in den porösen keramischen Verbundmaterialpartikeln enthaltene Aerogel beim Hochtemperatur-Beschichtungsprozesses der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel schmelzen und damit die Porosität in der abschließend hergestellten Beschichtung verringern und die Wärmeleitfähigkeit und Volumen-Wärmekapazität erhöhen.
Als Substrat können unterschiedliche rotierende Substrate verwendet werden, wie sie allgemein in einem Verfahren zur Bildung von Tröpfchen zur Anwendung kommen, wobei deren spezifische Form und Größe nicht eingeschränkt sind. Die Beispiele des Verfahrens zur Bildung von Tröpfchen können Sprühtrocknung umfassen, und für ein spezifisches Beispiel wird ein flüssiges Gemisch auf die Mitte einer schnell rotierenden Scheibe aufgetragen und durch die Zentrifugalkraft der Scheibe weggeschleudert, um flüssige Tröpfchen um die Scheibe herum zu bilden. Beispielsweise kann eine Pulverisierung bei relativ niedrigen Temperaturen ohne Wärmedeformation des Materials durchgeführt werden, und der Prozess kann rasch abgewickelt werden, um die ökonomische Machbarkeit sicherzustellen.
Das Verfahren kann ferner den Schritt der Pulverisierung des Gemisches aus Aerogel und einer keramischen Verbindung vor dem Schritt des Aufsprühens umfassen. Entsprechend können das Aerogel und die keramische Verbindung in Form des Aerogel-Pulvers bzw. des Keramik-Pulvers gemischt werden.
Das Aerogelpulver kann einen Durchmesser von etwa 1 µm bis 5 µm aufweisen. Die Beispiele des Verfahrens zur Herstellung des Aerogel-Pulvers sind nicht signifikant eingeschränkt und können beispielsweise ein Verfahren zur Pulverisierung eines Aerogels im Festzustand umfassen, und als Pulverisierungsverfahren können ohne Einschränkung verschiedene bekannte Pulverisierungsverfahren, wie beispielsweise das Kugelmühleverfahren, angewendet werden.
Das keramische Pulver kann einen Durchmesser von etwa 1 µm bis 5 µm aufweisen. Die Beispiele des Verfahrens zur Herstellung des keramischen Pulvers sind nicht signifikant eingeschränkt und können beispielsweise ein Verfahren einer keramischen Verbindung im Festzustand umfassen, und als Pulverisierungsverfahren können ohne Einschränkung verschiedene bekannte Pulverisierungsverfahren, wie beispielsweise das Kugelmühleverfahren und dergleichen, angewendet werden.
Das Verfahren kann den Schritt der Wärmebehandlung des aufgesprühten Produkts bei einer Temperatur von etwa 500 °C bis 1500 °C oder insbesondere von etwa 700 °C bis 1100 °C umfassen. Dem entsprechend kann nur die keramische Verbindung in dem aufgesprühten Produkt geschmolzen, mit dem Aerogel gemischt werden und eine Bindung bilden, wodurch die Haltbarkeit der abschließend hergestellten porösen keramischen Verbundmaterialpartikel verbessert werden kann und die Aerogel-Poren innerhalb der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel bewahrt werden können.
Wenn die Temperatur der Wärmebehandlung weniger als etwa 500 °C beträgt, kann es schwierig sein, die keramische Verbindung ausreichend zu schmelzen, weshalb eine Bindungskraft der keramischen Verbindung abnehmen kann. Wenn die Temperatur der Wärmebehandlung größer ist als etwa 1500 °C, kann das Aerogel im Wesentlichen geschmolzen werden, weshalb die Porosität innerhalb der abschließend hergestellten porösen keramischen Verbundmaterialpartikel abnehmen kann.
Die Wärmebehandlung kann etwa 1 Stunde bis 10 Stunden dauern, oder insbesondere etwa 2 bis 5 Stunden.
Das Verfahren kann ferner den Schritt der Trocknung des aufgesprühten Produkts bei einer Temperatur von etwa 100 °C bis 300 °C oder insbesondere von etwa 150 °C bis 200 °C vor dem Wärmebehandlungsschritt umfassen. Durch den Trocknungsschritt können Lösungsmittel, die im aufgesprühten Produkt enthalten sind, entfernt werden.
Das Verfahren kann ferner den Schritt der Kühlung auf eine Temperatur unter etwa 300 °C nach dem Wärmebehandlungsschritt umfassen. Durch den Kühlungsschritt können die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel in Form eines festen Pulvers gewonnen werden.
Das Verfahren zur Herstellung der porösen Wärmedämmbeschichtung kann den Schritt des Schmelzens der Oberfläche der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel vor dem Aufsprühen derselben auf ein Substrat umfassen. Dementsprechend kann nur ein Teil der Oberfläche der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel geschmolzen sein. Insbesondere im nicht geschmolzenen Teil kann die Porenstruktur des Aerogels so wie sie ist bewahrt werden, so dass eine poröse Wärmedämmbeschichtung mit wesentlich verbesserten Wärmedämmeigenschaften hergestellt werden kann.
Wenn die Oberfläche der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel geschmolzen wird, kann sie bis auf eine Tiefe von etwa 10 µm unter der Oberfläche geschmolzen werden. Die Tiefe von etwa 10 µm unter der Oberfläche bedeutet etwa 10 µm zur Mitte der Partikel, ausgehend von der äußersten Oberfläche der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel.
Ohne sich einer bestimmten Theorie zu verpflichten, können die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 50 µm bis 500 µm aufweisen, und sie können nicht vollständig geschmolzen werden, sondern nur eine Oberfläche derselben kann geschmolzen werden.
Das Schmelzen der Oberfläche der porösen, keramischen Verbundmaterialpartikel kann durch Plasma durchgeführt werden, das durch das Anlegen eines Stroms von etwa 300 A bis 600 A an Inertgas erzeugt wird. Die Beispiele für das Inertgas sind nicht signifikant eingeschränkt und können beispielsweise wenigstens ein Gas aus der Gruppe bestehend aus Argon, Helium und Wasserstoff umfassen.
Das Plasma kann durch Anlegen eines Stroms von etwa 300 A bis 600 A oder insbesondere von etwa 470 A bis 500 A an Inertgas erzeugt werden. Wenn die Stromstärke kleiner ist als etwa 300 A, könnte die Erzeugung von Plasma schwierig werden, und wenn die Stromstärke größer ist als etwa 600 A könnte die Energiezufuhr zu hoch sein, woraufhin das Aerogel in den Partikeln schmelzen kann und die Wärmedämmeigenschaft des Aerogels möglicherweise nicht ausreichend erreicht wird.
Das Schmelzen der Oberfläche der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel durch Plasma kann weniger als etwa 1 Sekunde oder etwa 0,01 bis 0,5 Sekunden dauern. Die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel können als solche nicht vollständig geschmolzen sein, sondern nur ein Teil der Oberfläche kann geschmolzen sein. Wenn die Schmelzdauer länger als die vorgegebene Zeit ist, beispielsweise länger als etwa 1 Sekunde, können die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel im wesentlichen geschmolzen werden, weshalb die Porosität der abschließend hergestellten porösen Wärmedämmbeschichtung abnehmen kann.
Unter dem Substrat ist jedes Material zu verstehen, das mit der porösen Wärmedämmbeschichtung beschichtet wird, und auch wenn die Beispiele nicht spezifisch eingeschränkt sind, kann es beispielsweise die Innenseite eines Verbrennungsmotors oder die Komponenten eines Verbrennungsmotors und dergleichen umfassen.
Das Aufsprühen kann in einem Abstand von etwa 10 mm bis 200 mm oder etwa 30 mm bis 180 mm oder insbesondere etwa 50 mm bis 150 mm vom Substrat erfolgen. Wenn die Sprühdistanz kleiner als etwa 10 mm ist, kann das Pulver kürzere Zeit an der Flamme exponiert werden, und die Wahrscheinlichkeit, dass das Pulver schmilzt, nimmt ab. Die Haftung zwischen den Pulvern wird dadurch möglicherweise nicht erreicht, wodurch die Beschichtung verringert wird. Wenn die Sprühdistanz größer als etwa 200 mm ist, kann das Pulver längere Zeit an der Flamme exponiert werden, dass Aerogel kann dabei schmelzen, und folglich wird die Wärmedämmeigenschaft durch das Aerogel möglicherweise nicht erreicht.
Die Sprühdauer kann von etwa 5 Minuten bis 20 Minuten betragen. Nach der Methode zur Herstellung der porösen Wärmedämmbeschichtung kann folglich eine Beschichtung mit großer Dicke innerhalb kurzer Zeit gebildet werden.
Auch wenn die Beispiele des Sprühverfahrens nicht signifikant eingeschränkt sind, kann beispielsweise eine Plasmakanone verwendet werden. Beispielsweise können die Partikel durch einen Partikeleinlass in der Plasmakanone der Plasmaflamme zugeführt, geschmolzen und dann auf ein Substrat gesprüht werden. Als Plasmakanonen können Exemplare mit unterschiedlichen bekannten Formen und Strukturen ohne Einschränkung verwendet werden.
Im Verfahren zur Herstellung einer porösen Wärmedämmbeschichtung können unterschiedliche Beispiele zum Schmelzen von Partikeln und zum Aufsprühen derselben auf ein Substrat ein Verfahren der thermischen Spritzbeschichtung umfassen. Die thermische Spritzbeschichtung ist eine Technologie des Schmelzens von Material in Form eines Pulvers unter Anwendung von Hochtemperaturquellen wie Flammen oder Plasma und des abschließenden Aufsprühens, wobei bezüglich spezifischer Vorrichtungen, Bedingungen und dergleichen der thermischen Spritzbeschichtung allgemein im Gebiet der Beschichtung von Komponenten bekannte Technologien ohne Einschränkung angewendet werden können.
BEISPIEL
Die gegenständliche Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachstehenden Beispiele detailliert erklärt. Diese Beispiele haben jedoch nur illustrativen Charakter, und der Geltungsumfang der Erfindung ist nicht auf dieselben beschränkt.
Beispiel 1: Herstellung keramischer Verbundmaterialpartikel und einer Wärmedämmbeschichtung
(1) Herstellung keramischer Verbundmaterialpartikel.
1000 g Yttria-stabilisiertes Zirkon (YSZ) und 1000 g poröses Silica-Aerogel (spezifische Oberfläche etwa 500 cm³/g) wurden 24 Stunden lang gemischt und in der Kugelmühle gemahlen, um ein Pulvergemisch herzustellen. Das Pulvergemisch wurde mit Lösungsmittelwasser zusammen mit einem Dispergiermittel aus Polyvinylalkohol (PVA) gemischt. Der Feststoffgehalt des Gemisches betrug etwa 50 Volumenprozent.
Danach wurde das Gemisch mit einer Düse auf eine Scheibe gesprüht, die mit 10000 UpM rotierte, um kugelförmige Tröpfchen zu bilden. Die kugelförmigen Tröpfchen wurden durch Aufbringen von Heißluft bei einer Temperatur von 180 °C getrocknet und dann bei einer Temperatur von 900 °C vier Stunden lang einer Wärmebehandlung unterzogen, um keramische Verbundstoffpartikel mit einem Durchmesser gemäß der nachstehenden Tabelle 1 herzustellen.
(2) Herstellung einer Wärmedämmbeschichtung
Mit den keramischen Verbundmaterialpartikeln wurde eine plasmathermische Spritzbeschichtung unter Verwendung eines Lichtbogenplasmas durchgeführt, um eine Wärmedämmbeschichtung herzustellen. Insbesondere wurden Argon und Wasserstoff als Inertgas zugeführt, und während eine thermische Spritzpistole bewegt wurde, wurde elektrischer Strom gemäß Tabelle 1 an die thermische Spritzpistole angelegt, um das Inertgas zu einem Plasma umzuwandeln, und dann wurden die keramischen Verbundmaterialpartikel unter Anwendung des Plasmas bis auf eine Tiefe von etwa 5 µm unter der Oberfläche 0,1 Sekunden lang geschmolzen und in einer Thermospritzdistanz gemäß der nachstehenden Tabelle 1 zehn Minuten lang aufgesprüht, um eine Wärmedämmbeschichtung mit einer Dicke von 200 µm zu schaffen.
Vergleichsbeispiele 1 und 2: Herstellung keramischer Verbundmaterialpartikel und einer Wärmedämmbeschichtung
Vergleichsbeispiel 1
Keramische Verbundmaterialpartikel und eine Wärmedämmbeschichtung wurden mit der gleichen Methode wie im Beispiel 1 hergestellt, ausgenommen dass das poröse Silica-Aerogel nicht verwendet wurde.
Vergleichsbeispiel 2
Mit der Pulvermischung, die durch Mischen von 1000 g Yttria-stabilisiertes Zirkon (YSZ) und 1000 g poröses Silica-Aerogel (spezifische Oberfläche etwa 500 cm3/g) über 24 Stunden und Mahlen in der Kugelmühle hergestellt wurde, wurde eine Plasma-Spritzbeschichtung unter Verwendung eines Lichtbogenplasmas durchgeführt, um keramische Verbundmaterialpartikel und eine Wärmedämmbeschichtung herzustellen. [Tabelle 1] Herstellungsbedingungen der keramischen Verbundmaterialpartikel und Wärmedämmbeschichtungen der Beispiele und Vergleichsbeispiele

Durchschnittlicher Durchmesser (µm) Stromstärke (A) für thermisches Sprühdistanz (mm)

Beispiel 1 100 470 75

Vergleichsbeispiel 1 100 470 75

Vergleichsbeispiel 2 20 470 75
Wie in Tabelle 1 dargestellt, wird bestätigt, dass die keramischen Verbundmaterialpartikel des Beispiels einen durchschnittlichen Durchmesser von 100 µm aufweisen, während die keramischen Verbundmaterialpartikel des Vergleichsbeispiels 2 einen durchschnittlichen Durchmesser von 20 µm aufweisen, also im Vergleich zum Beispiel einen wesentlich reduzierten Partikeldurchmesser.
Experimentelles Beispiel: Messen der Eigenschaften keramischer Verbundmaterialpartikel und Wärmedämmbeschichtungen, die in den Beispielen und Vergleichsbeispielen erreicht wurden
Die Eigenschaften der keramischen Verbundmaterialpartikel und der Wärmedämmbeschichtung, die im Beispiel und in den Vergleichsbeispielen erreicht wurden, wurden wie folgt gemessen; die Ergebnisse sind nachstehend in Tabelle 2 und Tabelle 3 enthalten.
1. FE-SEM-Bilder

Für die im Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 erreichten keramischen Verbundmaterialpartikel und Wärmedämmbeschichtungen wurden die inneren Strukturen von den Außen- oder Querschnitt-FE-SEM-Bildern bestätigt; die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. [Tabelle 2] Experimentelle Ergebnisse des Beispiels und der Vergleichsbeispiele

			FE-SEM-Bilder
Beispiel 1	Keramische Verbundmaterialpartikel	Außen	Fig. 3
	Keramische Verbundmaterialpartikel	Querschnitt	Fig. 4
	Poröse Wärmedämmbeschichtung	Querschnitt	Fig. 1
Vergleichsbeispiel 2	Poröse Wärmedämmbeschichtung	Querschnitt	Fig. 2

Wie in 3 dargestellt, wurde bestätigt, dass die keramischen Verbundmaterialpartikel des Beispiels außen eine Kugelform hatten und einen durchschnittlichen Durchmesser von 100 µm aufwiesen.
Und wie in 4 gezeigt, wurde bestätigt, dass innerhalb der keramischen Verbundmaterialpartikel Yttria-stabilisiertes Zirkon (YSZ) und poröses Silica-Aerogel gleichmäßig gemischt waren und an der Mischgrenzfläche zusätzlich Poren zur Gewährleistung einer Porosität hinzugefügt waren.
Mit Bezug auf die Wärmedämmbeschichtung gemäß Darstellung in 1 wurde bestätigt, dass die innere Struktur der keramischen Verbundmaterialpartikel unverändert erhalten war und also eine Porosität aufwies, und an der äußeren Oberfläche wurde durch Schmelzen der keramischen Verbindung oder von porösem Silica-Aerogel ein Film gebildet.
Mit Bezug auf die Wärmedämmbeschichtung des Vergleichsbeispiels 2 gemäß Darstellung in 2 wurde dem gegenüber bestätigt, dass das Yttria-stabilisierte Zirkon (YSZ) und das poröse Silica-Aerogel sämtlich geschmolzen sind und folglich innerhalb der Beschichtung keine Poren existieren.
2. Wärmeleitfähigkeit (W/mK)
Mit Bezug auf die Wärmedämmbeschichtungen, die im Beispiel und in den Vergleichsbeispielen erreicht wurden, wurde die Wärmeleitfähigkeit anhand einer Thermodiffusionsmesstechnik unter Anwendung eines Laserblitzverfahrens nach ASTM E1461 bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck gemessen; die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 3 dargestellt.
3. Volumen-Wärmekapazität (KJ/m³K)
Mit Bezug auf die Wärmedämmbeschichtungen, die im Beispiel und in den Vergleichsbeispielen erreicht wurden, wurde mit einem Saphir als Referenz die spezifische Wärme unter Anwendung einer DSC-Vorrichtung bei Raumtemperatur nach ASTM E1269 und somit die Wärmekapazität gemessen; die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 3 dargestellt.
4. Porosität (%)
Mit Bezug auf die vertikalen Querschnitte der Wärmedämmbeschichtungen, die im Beispiel und in dem Vergleichsbeispiel erreicht wurden, wurde die Porosität unter Anwendung eines Image-J-Programms eines Bildanalysators gemessen; die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 3 dargestellt.
5. Dichte (g/ml)

Mit Bezug auf die Wärmedämmbeschichtungen, die im Beispiel und in den Vergleichsbeispielen erreicht wurden, wurde die Dichte nach ISO 18754 gemessen; die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 3 dargestellt. [Tabelle 3] Experimentelle Ergebnisse des Beispiels und der Vergleichsbeispiele

	Wärmeleitfähigkeit (W/mK)	Volumen-Wärmekapazität (KJ/m³K)	Porosität (%)	Dichte (g/ml)
Beispiel 1	1,0	600	80	0,7
Vergleichsbeispiel 1	2,2	2000	3	5,5
Vergleichsbeispiel 2	1,0	1900	8	2,4

Wie in der Tabelle 3 gezeigt, erreichte die Wärmedämmbeschichtung des Beispiels eine Porosität von 65 % oder mehr und konnte damit eine niedrige Volumen-Wärmekapazität von 1500 KJ/m³K oder weniger und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit von 2,0 oder weniger gewährleisten, und auch die Dichte lag bei niedrigen 0,7 g/ml.
Da dem gegenüber das Vergleichsbeispiel 1 kein Aerogel innerhalb der keramischen Verbundmaterialpartikel enthielt, verringerte sich die Porosität rasch auf 3 %, und folglich nahmen die Wärmekapazität, die Wärmeleitfähigkeit und die Dichte signifikant zu.
Im Fall des Vergleichsbeispiels 2, bei dem das Pulver aus der einfachen Mischung einer keramischen Verbindung und eines Aerogels verwendet wurde, wurde das Aerogel im Prozess der thermischen Spritzbeschichtung geschmolzen, weshalb die Porosität auf 8 % zurückging und die Volumen-Wärmekapazität und die Dichte zunahmen.
Es wurde somit bestätigt, dass durch die Verwendung poröser keramischer Verbundmaterialpartikel wie in dem Beispiel die Porenstruktur des Aerogels innerhalb der porösen Schicht, die in einem thermischen Spritzbeschichtungsverfahren hergestellt wurde, bewahrt und damit ein Effekt abnehmender Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität erreicht wurde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM E1269 [0016]
ASTM E1461 [0017]
ISO 18754 [0018]
ASTM E1461 [0076]
ASTM E1269 [0078]
ISO 18754 [0080]
ASTM C 633-79 [0081]
ASTM E1461 [0150]
ASTM E1269 [0151]
ISO 18754 [0153]

Claims

Poröse Wärmedämmungsbeschichtung, umfassend: ein Bindemittel auf keramischer Basis; und ein poröses keramisches Verbundmaterial, das ein Aerogel und eine keramische Verbindung umfasst, und das Poren mit einem Durchmesser von etwa 100 nm bis 40.000 nm aufweist, wobei das poröse keramische Verbundmaterial im Bindemittel verteilt ist und ein durchschnittlicher Durchmesser des porösen keramischen Verbundmaterials etwa 1 µm bis 500 µm beträgt.
Poröse Wärmedämmbeschichtung nach Anspruch 1, wobei das Aerogel Nanoporen mit einem Durchmesser von etwa 1 nm bis 500 nm umfasst.
Poröse Wärmedämmbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Porosität der Beschichtung etwa 30 % oder größer ist.
Poröse Wärmedämmbeschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Volumen-Wärmekapazität der Beschichtung nach ASTM E1269 etwa 1500 KJ/m³K oder weniger ist
Poröse Wärmedämmbeschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung nach ASTM E1461 etwa 2,0 W/mK oder weniger beträgt.
Poröse Wärmedämmbeschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Dichte der Beschichtung nach ISO 18754 etwa 0,5 g/ml bis 2,0 g/ml beträgt.
Poröse Wärmedämmbeschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung eine Dicke von etwa 10 µm bis 2000 µm aufweist.
Poröse Wärmedämmbeschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verbindung auf keramischer Basis ein Oxid wenigstens eines Metalls umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium (Si), Aluminium (Al), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Yttrium (Y) und Cerium (Ce).
Poröse Wärmedämmbeschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Aerogel und der im porösen keramischen Verbundmaterial enthaltenen Verbindung eine Bindung gebildet ist.
Poröse Wärmedämmbeschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Aerogel ein Aerogel-Pulver mit einem Durchmesser von etwa 1 µm bis 5 µm ist.
Poröse Wärmedämmbeschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die keramische Verbindung ein keramisches Pulver mit einem Durchmesser von etwa 1 µm bis 5 µm ist.
Poröse Wärmedämmbeschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die keramische Verbindung ein Oxid wenigstens eines Metalls umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium (Si), Aluminium (Al), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Yttrium (Y) und Cerium (Ce).
Fahrzeugteil, das eine poröse Wärmedämmbeschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.
Fahrzeugteil nach Anspruch 13, wobei das Fahrzeugteil ein Verbrennungsmotor oder eine Komponente eines Verbrennungsmotors, die die Beschichtung umfasst, ist.
Fahrzeug, das das Fahrzeugteil nach Anspruch 13 oder 14 umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer porösen Wärmedämmbeschichtung, das Folgendes umfasst: Bilden poröser keramischer Verbundmaterialpartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 50 µm bis 500 µm; Schmelzen einer Oberfläche der porösen keramischen Verbundstoffpartikel; und Aufsprühen der porösen keramischen Verbundstoffpartikel auf ein Substrat, wobei jedes der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel ein Aerogel und eine keramische Verbindung umfasst und Poren mit einem Durchmesser von etwa 100 nm bis 40000 nm umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei wenn die Oberfläche der porösen keramischen Verbundmaterialpartikel geschmolzen wird, die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel bis in eine Tiefe von etwa 10 µm unter der Oberfläche geschmolzen werden.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Oberfläche der porösen, keramischen Verbundmaterialpartikel durch Plasma geschmolzen wird, das durch das Anlegen eines Stroms von etwa 300 A bis 600 A an Inertgas erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das Aufsprühen von einer Distanz von etwa 10 mm bis 200 mm von dem Substrat erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die porösen keramischen Verbundmaterialpartikel durch folgende Schritte hergestellt werden: Aufsprühen eines Gemisches, das das Aerogel und die keramische Verbindungen enthält, auf ein Substrat, das mit einer Geschwindigkeit von etwa 1000 UpM bis 20000 UpM rotiert; und Wärmebehandlung eines aufgesprühten Produkts bei einer Temperatur von etwa 500 °C bis 1500 °C.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Feststoffgehalt des Gemisches etwa 40 Volumenprozent bis 60 Volumenprozent ausmacht, gemessen am Gesamtvolumen des Gemisches.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, wobei der Gehalt des Aerogels etwa 50 bis 500 Gewichtsteile auf Basis von 100 Gewichtsteilen der im Gemisch enthaltenen keramischen Verbindung ausmacht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die keramische Verbindung wenigstens ein Oxid eines Metalls umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium (Si), Aluminium (Al), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Yttrium (Y) und Cerium (Ce).
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei das Aerogel Nanoporen mit einem Durchmesser von 1 nm bis 500 nm umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die Wärmebehandlung über eine Dauer von etwa 1 Stunde bis 10 Stunden durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, welches ferner einen Schritt der Pulverisierung des Aerogels und der keramischen Verbindung vor dem Schritt des Aufsprühens umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, welches ferner einen Schritt der Trocknung des aufgesprühten Produkts bei einer Temperatur von etwa 100 °C bis 300 °C vor dem Schritt der Wärmebehandlung umfasst.