DE102018116642A1 - Open cell ceramic network and process for its manufacture - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Keramik und betrifft ein offenzelliges Keramiknetzwerk, wie es z.B. als Tiefenfilter, insbesondere als Metallschmelzenfilter, als Stützkörper für die Filtration zur Anwendung kommen kann.Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein offenzelliges Keramiknetzwerk anzugeben, welches eine verbesserte mechanische Festigkeit und Härte sowie eine verbesserte Hochtemperatur- und Oxidationsbeständigkeit aufweist.Gelöst wird die Aufgabe durch ein offenzelliges Keramiknetzwerk, bei dem die Stege aus drucklos gesintertem SiC (SSiC) bestehen, und das SSiC-Gefüge der Stege eine Gefügeporosität von 2 bis 10 % aus ganz oder im Wesentlichen ganz geschlossenen Poren aufweist, wobei bis 50 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von ≤ 1 µm aufweisen, und bis 90 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von ≤ 3 µm aufweisen, und mindestens 50 % aller Poren im SSiC-Gefüge eine Zirkularität ≥ 0,8 aufweisen.The invention relates to the field of ceramics and relates to an open cell ceramic network, e.g. as a depth filter, in particular as a molten metal filter, as a support body for filtration. The object of the present invention is to provide an open-cell ceramic network which has improved mechanical strength and hardness and improved resistance to high temperatures and oxidation. The object is achieved due to an open-cell ceramic network, in which the webs are made of pressureless sintered SiC (SSiC), and the SSiC structure of the webs has a structure porosity of 2 to 10% from completely or essentially completely closed pores, with up to 50% of all pores in the SSiC Structures have an average diameter of ≤ 1 µm, and up to 90% of all pores in the SSiC structure have an average diameter of ≤ 3 µm, and at least 50% of all pores in the SSiC structure have a circularity ≥ 0.8.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Keramik und betrifft ein offenzelliges Keramiknetzwerk, wie es z.B. als Tiefenfilter, insbesondere als Metallschmelzenfilter, als Stützkörper für die Filtration, für Wärmetauscher, Regeneratoren, elektrisch beheizbarer Thermostaten, Katalysatorträger, als Brennerelement für Flächenstrahlungsbrenner, Porenbrenner und Volumenbrenner, für Schallabsorber, Dieselrußfilter, Heizelemente oder als zusätzlich katalytisch aktivierte Reaktoreinbauten zur Anwendung kommen kann und ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to the field of ceramics and relates to an open-cell ceramic network, e.g. as a depth filter, in particular as a molten metal filter, as a support body for the filtration, for heat exchangers, regenerators, electrically heatable thermostats, catalyst supports, as a burner element for surface radiation burners, pore burners and volume burners, for sound absorbers, diesel soot filters, heating elements or as additionally catalytically activated reactor internals a process for its manufacture.

Keramiknetzwerke in Form von offenzelligen Schaumkeramiken sind bekannt. Bekannt sind Verfahren zur Herstellung derartiger offenzelliger Schaumkeramiken nach dem sogenannten „Schwartzwalder-Verfahren“, welches industriell genutzt und am weitesten verbreitet ist. Entsprechend diesem Verfahren wird aus einem offenzelligen Polymerschaum das gewünschte Bauteil herausgeschnitten und anschließend mit einer Suspension aus keramischen Partikeln und Wasser oder Lösungsmittel getränkt. Danach wird der getränkte Polymerschaum ein- oder mehrmals mechanisch ausgepresst und danach getrocknet. Nun erfolgt das Ausbrennen des Polymerschaumes und danach die Sinterung der zurückgebliebenen keramischen Beschichtung ( US 3,090,094 ).
Eine nach diesem Verfahren hergestellte offenzellige Schaumkeramik ist eine Abformung der zellenartigen Polymerstruktur des Ausgangsmaterials. Durch das Ausbrennen des Polymerschaumes sind die verbliebenen keramischen Stege hohl. Der Querschnitt der Keramikstege ist meist dreikantig bis rund, wobei die Form des innenliegenden Stegholraums entsprechend es ausgebrannten Polymerschaumes dreikantig ist. An den Kanten der Hohlräume ist die keramische Beschichtung zumeist besonders dünn und dadurch durch Risse entlang der Kante gekennzeichnet. Die Hohlräume und die Risse führen zu einer sehr geringen mechanischen Festigkeit. Da durch die Schwindung der keramischen Beschichtung beim Sintern die Rißanfälligkeit noch erhöht wird, werden relativ schwindungsarme Massen verwendet, die aber nach dem Sintern eine hohe innere Porosität aufweisen. Dies führt ebenfalls zu einer geringen mechanischen Festigkeit ( J. A,. Ceram. Soc. 77(6), 1467-72 (1994) ).
Ceramic networks in the form of open-cell foam ceramics are known. Processes for producing such open-cell foam ceramics according to the so-called “Schwartzwalder process” are known, which is used industrially and is the most widespread. According to this method, the desired component is cut out of an open-cell polymer foam and then impregnated with a suspension of ceramic particles and water or solvent. The impregnated polymer foam is then mechanically pressed out one or more times and then dried. Now the polymer foam is burned out and then the remaining ceramic coating is sintered ( US 3,090,094 ).
An open-cell foam ceramic produced by this process is an impression of the cell-like polymer structure of the starting material. By burning out the polymer foam, the remaining ceramic webs are hollow. The cross section of the ceramic webs is usually triangular to round, the shape of the interior web cavity being triangular in accordance with the burned-out polymer foam. The ceramic coating on the edges of the cavities is usually particularly thin and is therefore characterized by cracks along the edge. The cavities and the cracks lead to a very low mechanical strength. Since the shrinkage of the ceramic coating increases the susceptibility to cracking during sintering, relatively low-shrinkage materials are used, but which have a high internal porosity after sintering. This also leads to low mechanical strength ( YES,. Ceram. Soc. 77 (6), 1467-72 (1994) ).

Die aus Polymerschäumen nach dem o.g. Verfahren hergestellten Keramikschäume besitzen demnach im Inneren Hohlräume mit einem konkaven dreikantigen Querschnitt ( Cahn, R.W., Haasen, P., Kramer, E.J. (Hrsg.): Material Science and Technology, Vol. 11, VCH 1994, S. 474 ). Die Form dieses Hohlraumes ist für die mechanische Festigkeit der Stege des Keramikschaumes sehr ungünstig, da der Traganteil der Spitzen der Dreiecke nur sehr gering ist. Durch die Anfälligkeit der spröden Keramik gegenüber Rißeinleitung ist auch die sehr spitz zulaufende Form der dreikantigen Hohlräume problematisch, da sich von dort ausgehend nahezu immer Risse bilden, welche die Festigkeit der keramischen Stege weiter erniedrigen ( J. Amer. Ceram. Soc. 77 (6) 1467-72 (1994) ). Daher besitzen die nach dem Schwartzwalder-Verfahren hergestellten Schäume eine niedrige mechanische Festigkeit, was für die o.g. Anwendungsfälle, sowie das Handling und den Transport solcher Keramikschäume nachteilig ist.The ceramic foams produced from polymer foams according to the above-mentioned process therefore have cavities with a concave triangular cross section on the inside ( Cahn, RW, Haasen, P., Kramer, EJ (ed.): Material Science and Technology, Vol. 11, VCH 1994, p. 474 ). The shape of this cavity is very unfavorable for the mechanical strength of the webs of the ceramic foam, since the load-bearing component of the tips of the triangles is only very low. Due to the susceptibility of the brittle ceramic to the initiation of cracks, the very pointed shape of the triangular cavities is also problematic, since from there cracks almost always form, which further reduce the strength of the ceramic webs ( J. Amer. Ceram. Soc. 77 (6) 1467-72 (1994) ). Therefore, the foams produced by the Schwartzwalder process have a low mechanical strength, which is disadvantageous for the above-mentioned applications, as well as the handling and transportation of such ceramic foams.

Die zur Abformung verwendeten Schaumstoffe werden durch Aufschäumung eines Gemisches verschiedener chemischer Komponenten hergestellt. Während der Reaktion der flüssigen Komponenten miteinander entsteht ein Gas, wodurch sich Gasblasen in der Flüssigkeit bilden und wachsen. Weiterhin polymerisieren die Ausgangskomponenten, wodurch sich die Viskosität der Flüssigkeit erhöht. Am Ende der Reaktion bildet sich ein festes Polymer, das eine große Anzahl an Gasblasen enthält (Polymerschaum). Durch die Wahl der Ausgangskomponenten und die Reaktionsführung lässt sich die Größe der Blasen im Polymerschaum innerhalb bestimmter Grenzen steuern.
Durch eine Nachbehandlung, die sogenannte Retikulierung, werden die zwischen den Gasblasen liegenden Trennhäutchen chemisch oder thermisch vollständig entfernt, wodurch der für die Keramikherstellung benötigte offenzellige Polymerschaum entsteht. Dieser Schaum besteht nur noch aus Polymerstegen, die sich zwischen jeweils drei benachbarten Gasblasen ausgebildet haben (Klemper D. und Frisch K.C. (Hrsg.): Handbook of Polymeric Foams and Foam Technology, Hanser 1991, S. 24).
The foams used for the impression are made by foaming a mixture of different chemical components. A gas is formed during the reaction of the liquid components with one another, as a result of which gas bubbles form and grow in the liquid. Furthermore, the starting components polymerize, which increases the viscosity of the liquid. At the end of the reaction, a solid polymer is formed that contains a large number of gas bubbles (polymer foam). The size of the bubbles in the polymer foam can be controlled within certain limits by the choice of the starting components and the reaction procedure.
An aftertreatment, the so-called reticulation, completely or chemically or thermally removes the cuticles between the gas bubbles, which creates the open-cell polymer foam required for ceramic production. This foam consists only of polymer webs that have formed between three neighboring gas bubbles (Klemper D. and Frisch KC (ed.): Handbook of Polymeric Foams and Foam Technology, Hanser 1991, p. 24).

Aus der Natur der Gasblasenschäumung resultiert, dass die Oberflächen des Polymerschaumes immer konkav geformt sind. Die Querschnitte der den Schaum bildenden Polymerstege haben deshalb die Form von Dreiecken mit konkaven Seitenflächen mit sehr spitzwinklig zulaufenden Spitzen (Klemper D. und Frisch K.C. (Hrsg.): Handbook of Polymeric Foams and Foam Technology, Hanser 1991, S. 28/29). Dies gilt als Naturgesetzmäßigkeit für alle geschäumten Materialien.The nature of gas bubble foaming means that the surfaces of the polymer foam are always concave. The cross-sections of the polymer webs forming the foam therefore have the shape of triangles with concave side surfaces with very pointed tips (Klemper D. and Frisch KC (ed.): Handbook of Polymeric Foams and Foam Technology, Hanser 1991, pp. 28/29) , This is the natural law for all foamed materials.

Die bei der Schäumung der Polymere auftretenden Gasblasen können auch nicht unbegrenzt in ihrer Größe erzeugt werden. Bei zu großen Gasblasen kollabiert der Schaum, bevor die Polymerisation zu einer Verfestigung des Schaumes geführt hat ( Klemper D. und Frisch K.C. (Hrsg.): Handbook of Polymeric Foams and Foam Technology, Hanser 1991, S. 9). Die obere Grenze für den am breitesten genutzten Polymerschaum aus Polyurethan-Weichschaumstoff beträgt ungefähr 5 ppi (Pores Per Inch) = maximal rund 6 mm Zellweite. Damit ist auch aus dieser Richtung eine Begrenzung der Möglichkeiten des Einsatzes von Polymerschaum für die Schaumkeramikherstellung gegeben.The gas bubbles that occur during the foaming of the polymers cannot be produced in unlimited size. If the gas bubbles are too large, the foam collapses before the polymerization has solidified the foam (Klemper D. and Frisch KC (ed.): Handbook of Polymeric Foams and Foam Technology, Hanser 1991, p. 9). The upper limit for the most widely used polymer foam made of flexible polyurethane foam is approximately 5 ppi (pores per inch) = a maximum of around 6 mm cell width. That is also over In this direction, the possibilities of using polymer foam for foam ceramic production were limited.

Um die Probleme der mechanischen Festigkeit etwas abzubauen, wurden nach der DE 35 40 449 A1 oder DE 35 39 522 A1 vorgeschlagen eine mehrfache Beschichtung des verwendeten Polyurethanschaumes vorzunehmen. Dadurch wird die Dicke der Keramikstege erhöht und somit auch die mechanische Festigkeit des gesinterten Keramikschaumes.
Problematisch ist der erhöhte Verfahrensaufwand für die Mehrfachbeschichtung. Außerdem besitzt die Keramikbeschichtung vor der Sinterung nur eine geringe Festigkeit und die zur Abtrennung der überschüssigen Suspension notwendige mechanische Belastung des beschichteten Polymerschaumes während der Mehrfachbeschichtung führt deshalb häufig zu neuen Defekten in der Beschichtung. Prinzipiell beseitigt aber die Mehrfachbeschichtung auch nicht den genannten Nachteil der ungünstig geformten konkav-dreikantigen Hohlräume der Stege.
In order to reduce the problems of mechanical strength somewhat, after the DE 35 40 449 A1 or DE 35 39 522 A1 proposed to carry out a multiple coating of the polyurethane foam used. This increases the thickness of the ceramic webs and thus the mechanical strength of the sintered ceramic foam.
The increased process complexity for the multiple coating is problematic. In addition, the ceramic coating has only a low strength before sintering, and the mechanical stress on the coated polymer foam required to separate the excess suspension during the multiple coating therefore often leads to new defects in the coating. In principle, however, the multiple coating does not eliminate the disadvantage of the unfavorably shaped concave-triangular cavities of the webs.

Ebenfalls bekannt ist es, für die Herstellung von porösen Keramiken Keramikfasern als Mono- oder Multifilamente zu verwenden, die gelegt, gestrickt, genäht oder verklebt sein können (IChemE Symposium Series No99 (1986) 421-443; MTZ Motortechnische Zeitschrift 56 (1995) 2,88-94).
Nachteilig dabei ist, dass derartige Keramikfasern schwierig und aufwendig herzustellen und daher sehr teuer sind und schwierig zu verarbeiten, da sie sehr spröde sind. Beispielsweise sind Wirktechniken dabei nur begrenzt einsetzbar. Es ist somit nur eine begrenzte Auswahl an Keramikmaterialien für solche Fasern einsetzbar, wodurch die Modifizierung der Eigenschaften der daraus hergestellten porösen Keramik schwer fällt oder nahezu unmöglich macht. Solche porösen Strukturen sind außerdem flexibel, da die Fasern an den Kontaktstellen untereinander nicht miteinander fixiert sind. Das ist nachteilig z.B. bei Filtrationen oder mechanischen Belastungen, da diese Keramiken dann insgesamt nicht sehr steif sind und außerdem besonders bei Multifilamenten Faserabrieb erzeugt wird. Die Fixierung derartiger Fasern kann auch vorgenommen werden ( US 5,075,160 ), dabei ist aber für die typischen Anwendungsfälle nur interessant, wenn eine keramische Fixierung erzeugt wird. Auch das ist schwierig und aufwendig zu bewerkstelligen, zumeist über CVD- oder CVI-Techniken, aber die Materialauswahl ist wieder sehr eingeschränkt.
It is also known to use ceramic fibers as mono- or multifilaments for the production of porous ceramics, which can be laid, knitted, sewn or glued (IChemE Symposium Series No99 (1986) 421-443; MTZ Motortechnische Zeitschrift 56 (1995) 2 , 88-94).
The disadvantage here is that ceramic fibers of this type are difficult and expensive to produce and are therefore very expensive and difficult to process because they are very brittle. For example, knitting techniques can only be used to a limited extent. Thus, only a limited selection of ceramic materials can be used for such fibers, whereby the modification of the properties of the porous ceramic produced therefrom is difficult or almost impossible. Such porous structures are also flexible because the fibers are not fixed to one another at the contact points. This is disadvantageous, for example in the case of filtrations or mechanical loads, since these ceramics are then generally not very stiff and, moreover, fiber abrasion is particularly produced in the case of multifilaments. Such fibers can also be fixed ( US 5,075,160 ), but is only interesting for typical applications if a ceramic fixation is created. This is also difficult and time-consuming to do, mostly using CVD or CVI techniques, but the choice of materials is again very limited.

Weiterhin ist aus der DE 197 53 249 A1 ein Keramiknetzwerk aus dreidimensional miteinander verbundenen Keramikstegen, bei denen die Hohlräume in den Keramikstegen einen runden Querschnitt aufweisen.Furthermore, from the DE 197 53 249 A1 a ceramic network of three-dimensionally interconnected ceramic bars, in which the cavities in the ceramic bars have a round cross-section.

Hergestellt wird ein solches Keramiknetzwerk, indem aus Fasern mit rundem Faserquerschnitt ein Fasernetzwerk hergestellt wird, welches mit einer Keramiksuspension ein- oder mehrmals getränkt und überschüssige Suspension entfernt wird und nach dem Trocknen der Suspension das Fasernetzwerk entfernt und das verbliebene Netzwerk gesintert wird.Such a ceramic network is produced by producing a fiber network from fibers with a round fiber cross section, which is impregnated with a ceramic suspension one or more times and excess suspension is removed, and after the suspension has dried, the fiber network is removed and the remaining network is sintered.

Häufig werden keramische Netzwerke, ob nun Schäume oder abgeformte Fasern oder andere Strukturen das Ausgangsnetzwerk gebildet haben, über ihre Porosität gekennzeichnet. Dabei gilt, dass grundsätzlich drei Arten von Porosität in solchen Strukturen zu finden sind, die in Summe die Gesamtporosität ergeben. Die einzelnen Arten sind die Zellporosität, die Stegkernporosität und die eigentliche Gefügeporosität.
Die Zellporosität kennzeichnet den Volumenanteil der Struktur, der durch das Netzwerk aus Stegen aufgespannt ist. Die Struktur ist dabei in Zellen unterteilt, die im Falle einer offenzelligen Struktur miteinander in Verbindung stehen. Für die meisten Anwendungen dieser Strukturen ist dieser Porositätswert entscheidend, da er Eigenschaften, wie die Durchströmbarkeit, und die geometrische Oberfläche maßgeblich beeinflusst.
Bedingt durch die Abformung eine Ausgangsnetzwerkes, beispielsweise in Form eines Schaumes oder abgeformter Fasern, welches sich nach der Beschichtung mit keramischen Materialien im Zuge der Wärmebehandlung vollständig oder annähernd vollständig zersetzt, entsteht nachfolgend ein keramisches Netzwerk aus Stegen, die die zweite Art der Porosität aufweisen, die Stegkernporosität. Ihr Anteil an der Gesamtporosität variiert je nach zur Abformung verwendetem Ausgangsnetzwerk. Für einfach abgeformte, offenzellige Schäume ist eine Stegkernporosität von 2 bis 4 % der Gesamtporosität charakteristisch.
Die dritte Art der Porosität von keramischen Netzwerken bildet die Gefügeporosität des keramischen Beschichtungsmaterials selbst. Ihr Anteil an der Gesamtporosität ist abhängig vom verwendeten Material, dessen Ausgangskorngröße und Packungsdichte, dem Grad der Verdichtung beim Sintern und/oder einer etwaigen Nachinfiltration durch eine Suspension oder Schmelze.
Ceramic networks, whether foams or molded fibers or other structures have formed the starting network, are often characterized by their porosity. The principle is that three types of porosity can be found in structures that add up to the total porosity. The individual types are the cell porosity, the web core porosity and the actual structural porosity.
The cell porosity characterizes the volume fraction of the structure that is spanned by the network of webs. The structure is divided into cells that are connected to each other in the case of an open-cell structure. This porosity value is decisive for most applications of these structures, since it has a significant influence on properties such as flowability and the geometric surface.
As a result of the molding of a starting network, for example in the form of a foam or molded fibers, which decomposes completely or almost completely after coating with ceramic materials in the course of the heat treatment, a ceramic network of webs which have the second type of porosity subsequently arises. the web core porosity. Their share in the total porosity varies depending on the starting network used for the impression. A web core porosity of 2 to 4% of the total porosity is characteristic for simply molded, open-cell foams.
The third type of porosity of ceramic networks is the structural porosity of the ceramic coating material itself. Its share of the total porosity depends on the material used, its initial grain size and packing density, the degree of compaction during sintering and / or any subsequent infiltration through a suspension or melt.

Siliciumcarbid (SiC) wird aufgrund seiner hohen Härte und Wärmeleitfähigkeit sowie seiner hervorragenden Oxidationsbeständigkeit und hohen Stabilität gegenüber chemischen Reagenzien bevorzugt in Hochtemperaturprozessen eingesetzt. Grundvoraussetzung hierfür ist ein möglichst dichtes Gefüge. Bei Oxidationsprozessen oder chemischen Wechselwirkungen kommt es zu einer Reaktion der Oberfläche des Materials mit der Umgebung. Dort findet in Gegenwart von Sauerstoff eine Passivierung durch die Bildung einer Siliciumoxidschicht statt. Die Bildung der Schicht folgt idealerweise einem parabolischen Zeitgesetz und verlangsamt sich mit der Zeit durch die länger werdenden Transportwege vom Umgebungsmedium zu noch reaktiven Bereichen des SiC. Dies schützt das SiC vor einer intensiven Wechselwirkung mit der Umgebung.Silicon carbide (SiC) is preferred because of its high hardness and thermal conductivity as well as its excellent oxidation resistance and high stability compared to chemical reagents in high temperature processes. The basic requirement for this is a structure that is as dense as possible. Oxidation processes or chemical interactions cause the surface of the material to react with the environment. Passivation takes place there in the presence of oxygen through the formation of a silicon oxide layer. The formation of the layer ideally follows one parabolic time law and slows down over time due to the longer transport routes from the surrounding medium to still reactive areas of the SiC. This protects the SiC from an intensive interaction with the environment.

Für Brenneranwendungen, wie auch als Substrat für katalytisch wirkende Substanzen haben sich offenzellige keramische Schäume als besonders geeignet erwiesen, da sie einen geringen Druckverlust mit einer großen geometrischen Oberfläche verknüpfen. Offenzellige Keramikstrukturen, wie Schäume oder Netzwerke, bestehen aus einer dreidimensional vernetzten Stegstruktur, deren einzelne Stegabschnitte über Knotenpunkte miteinander verknüpft sind und die dazwischenliegenden, offenen Zellen umschließen. Die wesentlichen Eigenschaften der Struktur lassen sich durch die Art der Keramik und deren Verdichtungsgrad variieren.Open-cell ceramic foams have proven to be particularly suitable for burner applications, as well as a substrate for catalytically active substances, since they combine low pressure loss with a large geometric surface. Open-cell ceramic structures, such as foams or networks, consist of a three-dimensionally networked web structure, the individual web sections of which are linked to one another via nodes and enclose the open cells in between. The essential properties of the structure can be varied by the type of ceramic and its degree of compaction.

Während kompakte durch Extrusion oder Pressen hergestellte Bauteile aus drucklos gesintertem SiC (SSiC) Gefüge mit geringem Gefügeporenanteil besitzen, sind keine offenzelligen Strukturen, wie keramische Schäume aus SSiC-Materialien verfügbar, die weniger als 10 % Restporosität im Gefüge aufweisen. Diese höhere Restporosität ist die Folge des Fehlens einer mechanischen Verdichtung der SiC-Pulverpartikel.While compact components made by extrusion or pressing from pressure-sintered SiC (SSiC) have a structure with a low proportion of micropores, there are no open-cell structures, such as ceramic foams made from SSiC materials, which have less than 10% residual porosity in the structure. This higher residual porosity is due to the lack of mechanical compression of the SiC powder particles.

Schaumstrukturen oder dreidimensional geordnete Strukturen aus Siliciumcarbid sind in verschiedenen Werkstoffvarianten verfügbar. Die höchste mechanische und thermische Beständigkeit weisen allerdings solche Strukturen auf, die aus SSiC (drucklos gesintertem SiC) oder aus SiSiC (Silicium-infiltriertem SiC) bestehen.Foam structures or three-dimensional structures made of silicon carbide are available in different material variants. Structures made of SSiC (pressureless sintered SiC) or SiSiC (silicon-infiltrated SiC), however, have the highest mechanical and thermal resistance.

SiSiC findet weiterhin als Brennhilfsmittel oder als Material für Brennerdüsen in Form von kompakt gegossenen oder extrudierten Teilen Anwendung in der Keramik-, Glas- und metallverarbeitenden Industrie. Auch keramische Schäume oder offenzellige, über ein Abformverfahren oder einen 3D-Pulverdruck hergestellte Strukturen sind aus SiSiC bekannt ( EP 1 382 590 A1 ).SiSiC is also used as a firing aid or as a material for burner nozzles in the form of compact cast or extruded parts in the ceramic, glass and metal processing industries. Ceramic foams or open-cell structures produced using an impression process or 3D powder printing are also known from SiSiC ( EP 1 382 590 A1 ).

Weiterhin sind offenzellige Siliciumcarbid-Schaumkeramiken bekannt, die aus einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur aus vielen miteinander verbundenen Stegen und zwischen den Stegen liegenden offenen Zellen besteht, wobei die Stege im Wesentlichen aus gesintertem Siliciumcarbid bestehen mit 5 bis 30 % Porenvolumen an ganz oder im Wesentlichen ganz geschlossenen Poren mit einem mittleren Durchmesser von < 20 µm ( DE 100 44 656 A1 ).Furthermore, open-cell silicon carbide foam ceramics are known which consist of a three-dimensionally cross-linked ceramic structure made up of many interconnected webs and open cells lying between the webs, the webs essentially consisting of sintered silicon carbide with 5 to 30% pore volume in completely or essentially completely closed Pores with an average diameter of <20 µm ( DE 100 44 656 A1 ).

Nachteilig bei den Lösungen des bekannten Standes der Technik ist, dass die offenzelligen Siliciumcarbid-Schaumstrukturen noch nicht über ausreichende mechanische Festigkeit, Härte, Hochtemperatur- und Oxidationsbeständigkeit verfügen.A disadvantage of the solutions of the known prior art is that the open-cell silicon carbide foam structures do not yet have sufficient mechanical strength, hardness, high temperature and oxidation resistance.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein offenzelliges Keramiknetzwerk anzugeben, welches eine verbesserte mechanische Festigkeit und Härte sowie eine verbesserte Hochtemperatur- und Oxidationsbeständigkeit aufweist, und ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zu seiner Herstellung.The object of the present invention is to provide an open-cell ceramic network which has improved mechanical strength and hardness and improved high temperature and oxidation resistance, and a simple and inexpensive method for its production.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the invention specified in the claims. Advantageous refinements are the subject of the dependent claims.

Das erfindungsgemäße offenzellige Keramiknetzwerk besteht aus einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur aus vielen miteinander verbundenen Stegen und zwischen den Stegen liegenden offenen Zellen, wobei die Stege im Wesentlichen aus drucklos gesintertem SiC (SSiC) bestehen, und das SSiC-Gefüge der Stege eine Gefügeporosität von 2 bis 10 % aus ganz oder im Wesentlichen ganz geschlossenen Poren aufweist, wobei bis 50 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von ≤ 1 µm aufweisen, und bis 90 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von ≤ 3 µm aufweisen, und mindestens 50 % aller Poren im SSiC-Gefüge eine Zirkularität > 0,8 aufweisen.The open-cell ceramic network according to the invention consists of a three-dimensionally networked ceramic structure composed of many interconnected webs and open cells lying between the webs, the webs essentially consisting of SiC (SSiC) sintered without pressure, and the SSiC structure of the webs having a structure porosity of 2 to 10 % of completely or essentially completely closed pores, with up to 50% of all pores in the SSiC structure having an average diameter of ≤ 1 µm, and up to 90% of all pores in the SSiC structure having an average diameter of ≤ 3 µm, and at least 50% of all pores in the SSiC structure have a circularity> 0.8.

Vorteilhafterweise beträgt die Porosität des SSiC-Gefüges der Stege 2 bis < 5 %.The porosity of the SSiC structure of the webs is advantageously 2 to <5%.

Weiterhin vorteilhafterweise weisen 20 % bis 50 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von ≤ 1 µm auf.Furthermore advantageously, 20% to 50% of all pores in the SSiC structure have an average diameter of 1 1 μm.

Ebenfalls vorteilhafterweise weisen 70 % bis 90 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von ≤ 3 µm auf.Also advantageously, 70% to 90% of all pores in the SSiC structure have an average diameter of 3 3 μm.

Und auch vorteilhafterweise weisen 50 % bis 90 %, vorteilhafterweise 80 % bis 90 %, aller Poren im SSiC-Gefüge eine Zirkularität größer 0,8 auf.And also advantageously, 50% to 90%, advantageously 80% to 90%, of all pores in the SSiC structure have a circularity greater than 0.8.

Vorteilhaft ist es auch, wenn mindestens 50 % aller Poren im SSiC-Gefüge eine Zirkularität zwischen 0,8 und 0,95, vorteilhafterweise zwischen 0,9 und 0,95, aufweisen.It is also advantageous if at least 50% of all pores in the SSiC structure have a circularity between 0.8 and 0.95, advantageously between 0.9 and 0.95.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn offene Gefügeporen, Hohlräume und Risse mit SiC-Materialien gefüllt sind.It is also advantageous if open structural pores, cavities and cracks are filled with SiC materials.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von offenzelligen Keramiknetzwerken aus einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur aus vielen miteinander verbundenen Stegen und zwischen den Stegen liegenden offenen Zellen, wobei die Stege im Wesentlichen aus drucklos gesintertem SiC (SSiC) bestehen, und das SSiC-Gefüge der Stege eine Porosität von 2 bis 10 % aus ganz oder im Wesentlichen ganz geschlossenen Poren aufweist, wobei bis 50 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von ≤ 1 µm aufweisen, und bis 90 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von ≤ 3 µm aufweisen, und mindestens 50 % aller Poren im SSiC-Gefüge eine Zirkularität größer 0,8 aufweisen, wird aus einem groben Siliciumcarbidpulver mit einer mittleren Korngröße von 1 bis < 5 µm und aus einem feinen Siliciumcarbidpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,1 bis 1 µm eine Mischung hergestellt, wobei das Mischungsverhältnis von grobem zu feinem Siliciumcarbidpulver zwischen 10 : 90 bis 90 : 10 beträgt, aus dieser Mischung wird zusammen mit an sich bekannten geringen Mengen an an sich bekannten Sinteradditiven eine Suspension hergestellt, anschließend wird ein offenzelliger Schaum oder ein offenzelliges Netzwerk ein oder mehrmals mit der Suspension beschichtet, der Schaum oder das Netzwerk getrocknet, der Schaum oder das Netzwerk entfernt und der verbliebene Grünkörper bei Temperaturen ≥ 1800 °C unter Schutzgas oder Vakuum gesintert.In the method according to the invention for producing open-cell ceramic networks from a three-dimensionally cross-linked ceramic structure from many interconnected webs and open cells lying between the webs, the webs consist essentially of pressure-free sintered SiC (SSiC), and the SSiC structure of the webs has a porosity of 2 to 10% from completely or essentially completely closed pores, with up to 50% of all pores in the SSiC structure having a medium one Have a diameter of ≤ 1 µm, and up to 90% of all pores in the SSiC structure have an average diameter of ≤ 3 µm, and at least 50% of all pores in the SSiC structure have a circularity greater than 0.8, is made from a coarse silicon carbide powder an average grain size of 1 to <5 microns and a mixture of a fine silicon carbide powder with an average grain size of 0.1 to 1 micron, the mixing ratio of coarse to fine silicon carbide powder between 10: 90 to 90: 10, from this mixture If a suspension is produced together with small amounts of sintering additives known per se, then an open-cell foam or a open-cell network coated one or more times with the suspension, the foam or network dried, the foam or network removed and the remaining green body sintered at temperatures ≥ 1800 ° C under a protective gas or vacuum.

Von Vorteil ist es, wenn ein grobes Siliciumcarbidpulver mit einer mittleren Korngröße von 2 bis 4 µm eingesetzt wird.It is advantageous if a coarse silicon carbide powder with an average grain size of 2 to 4 µm is used.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn ein feines Siliciumcarbidpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,2 bis 0,9 µm eingesetzt wird.It is also advantageous if a fine silicon carbide powder with an average grain size of 0.2 to 0.9 µm is used.

Weiterhin von Vorteil ist es, wenn eine Siliciumcarbidpulvermischung mit einem Mischungsverhältnis von grobem zu feinem Siliciumcarbidpulver zwischen 30 : 70 bis 70 : 30 eingesetzt wird.It is also advantageous if a silicon carbide powder mixture with a mixing ratio of coarse to fine silicon carbide powder between 30:70 to 70:30 is used.

Auch von Vorteil ist es, wenn als an sich bekannte Sinterhilfsmittel Bor und Kohlenstoff oder Bor, Aluminium und Kohlenstoff und als Sinterhilfsmittel ein basisches Bindemittel auf der Basis von Polysacchariden, Polyamiden oder Polyacrylaten eingesetzt werden.It is also advantageous if boron and carbon or boron, aluminum and carbon are used as known sintering aids and a basic binder based on polysaccharides, polyamides or polyacrylates is used as the sintering aid.

Vorteilhaft ist es auch, wenn als offenzelliger Schaum ein Polyurethanschaum, oder als offenzelliges Netzwerk ein Netzwerk aus organischen synthetischen oder Naturfasern eingesetzt werden.It is also advantageous if a polyurethane foam is used as the open-cell foam, or a network of organic synthetic or natural fibers is used as the open-cell network.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Entfernen des Schaumes oder des Netzwerkes durch Ausbrennen, Verdampfen, Ätzen oder Auflösen realisiert wird.It is also advantageous if the removal of the foam or of the network is carried out by burning out, evaporating, etching or dissolving.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn der Grünkörper bei Temperaturen im Bereich von 1800 bis 2300 °C, vorteilhafterweise bei Temperaturen zwischen 2000 und 2180 °C gesintert wird.It is also advantageous if the green body is sintered at temperatures in the range from 1800 to 2300 ° C., advantageously at temperatures between 2000 and 2180 ° C.

Vorteilhafterweise wird als Suspendiermittel Wasser eingesetzt.Water is advantageously used as the suspending agent.

Und auch vorteilhafterweise wird eine lineare Schwindung von 12 bis 20 % eingestellt.And also advantageously a linear shrinkage of 12 to 20% is set.

Weiterhin vorteilhafterweise werden vor und oder nach der Sinterung offen Poren, Hohlräume und Risse mit SiC-Materialien gefüllt, wobei noch vorteilhafterweise SiC-Material in die offenen Poren, Hohlräume und Risse mittels Infiltration, Tauchen, Tränken, Sprühen eingebracht wird.Furthermore, before and or after the sintering, pores, cavities and cracks are advantageously filled with SiC materials, with SiC material advantageously being introduced into the open pores, cavities and cracks by means of infiltration, immersion, soaking, spraying.

Und auch vorteilhafterweise liegt eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Erst- und Zeitbeschichtung vor.And there is also advantageously a material connection between the first and time coating.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es erstmals möglich, ein offenzelliges Keramiknetzwerk anzugeben, welches eine verbesserte mechanische Festigkeit und Härte sowie eine verbesserte Hochtemperatur- und Oxidationsbeständigkeit aufweist, sowie ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zu seiner Herstellung.The solution according to the invention makes it possible for the first time to provide an open-cell ceramic network which has improved mechanical strength and hardness and improved high-temperature and oxidation resistance, and a simple and inexpensive process for its production.

Erreicht wird dies durch ein offenzelliges Keramiknetzwerk, bestehend aus einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur aus vielen miteinander verbundenen Stegen und zwischen den Stegen liegenden offenen Zellen.
Die offenen Zellen werden von den Keramikstegen gebildet und sind die Hohlräume in dem Keramiknetzwerk. Sie sind durch die Zellporosität gekennzeichnet, die nicht zu der erfindungsgemäß betrachteten Gefügeporosität beiträgt.
This is achieved through an open-cell ceramic network consisting of a three-dimensionally networked ceramic structure made up of many interconnected webs and open cells lying between the webs.
The open cells are formed by the ceramic webs and are the voids in the ceramic network. They are characterized by the cell porosity, which does not contribute to the structural porosity considered according to the invention.

Die Erfindung richtet sich im Wesentlichen auf das Material und die Struktur der Stege des offenzelligen Keramiknetzwerkes, welche im Wesentlichen aus drucklos gesintertem SiC (SSiC) bestehen.
Geringe herstellungsbedingte andere keramische Bestandteile oder Phasen als drucklos gesintertes SiC können Bestandteile des Materials der Stege sein, sind jedoch in einem so geringen Maßen vorhanden, dass sie keinen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften des offenzelligen keramischen Netzwerkes haben.
The invention relates essentially to the material and structure of the webs of the open-cell ceramic network, which essentially consist of SiC (SSiC) sintered without pressure.
Minor production-related ceramic components or phases other than SiC sintered without pressure can be components of the material of the webs, but are present to such a small extent that they have no significant influence on the properties of the open-cell ceramic network.

Das SSiC-Gefüge der Stege weist erfindungsgemäß eine Gefügeporosität von 2 bis 10 %, vorteilhafterweise 2 bis < 5 %, aus ganz oder im Wesentlichen ganz geschlossenen Poren auf.
Dabei weisen bis 50 %, vorteilhafterweise 20 % bis 50 %, aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von ≤ 1 µm auf, und bis 90 %, vorteilhafterweise 70 % bis 90 %, aller Poren im SSiC-Gefüge weisen einen mittleren Durchmesser von ≤ 3 µm aufweisen, und mindestens 50 %, vorteilhafterweise 50 % bis 90 %, noch vorteilhafterweise 80 % bis 90 %, aller Poren im SSiC-Gefüge weisen eine Zirkularität ≥ 0,8 auf.
According to the invention, the SSiC structure of the webs has a structure porosity of 2 to 10%, advantageously 2 to <5%, of completely or essentially completely closed pores.
Here, up to 50%, advantageously 20% to 50 % of all pores in the SSiC structure have an average diameter of ≤ 1 µm, and up to 90%, advantageously 70% to 90%, of all pores in the SSiC structure have an average diameter of ≤ 3 µm, and at least 50%, advantageously 50% to 90%, still advantageously 80% to 90%, of all pores in the SSiC structure have a circularity 0,8 0.8.

Bezüglich der Zirkularität der ganz oder im Wesentlichen ganz geschlossenen Poren im Keramikmaterial der Stege ist zu sagen, dass diese vorteilhafterweise zwischen 0,8 und 0,95, noch vorteilhafterweise zwischen 0,9 und 0,95, beträgt.With regard to the circularity of the completely or essentially completely closed pores in the ceramic material of the webs, it should be said that this is advantageously between 0.8 and 0.95, still advantageously between 0.9 and 0.95.

Im Rahmen dieser Erfindung soll unter Zirkularität die Rundheit von Poren verstanden werden, wobei der Wert Zirkularität = 1 den kreisrunden Durchmesser einer Pore beschreiben soll.
Dabei ist zu beachten, dass je runder Poren in einem keramischen Material sind, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Poren geschlossene Poren sind.
In the context of this invention, circularity is understood to mean the roundness of pores, the value circularity = 1 being intended to describe the circular diameter of a pore.
It should be noted that the rounder the pores in a ceramic material, the greater the likelihood that the pores are closed pores.

Bekannte offenzellige Keramikstrukturen aus SiC können zwar geringe Restporositäten im Gefüge der Stege aufweisen, jedoch ist bei derartigen Strukturen sehr nachteilig, dass die Absenkung der Gefügeporosität durch die Infiltration mit Silicium erreicht wird und somit freies Si im Gefüge vorhanden ist, welches bis zu 30 % betragen kann, aber bei Erreichen der Schmelztemperatur erweicht und durch die Dichteanomalie beim Abkühlen aus dem Gefüge herausgedrückt wird. Hierdurch entstehen nach und nach Poren im Gefüge, die zu einer inneren Oxidation und damit zu einer beschleunigten Degradation der Bauteileigenschaften, insbesondere der sehr viel geringeren Lebensdauer dieser Materialien, führen.Known open-cell ceramic structures made of SiC can have low residual porosities in the structure of the webs, but with such structures it is very disadvantageous that the reduction in the structure porosity is achieved by infiltration with silicon and thus free Si is present in the structure, which amounts to up to 30% can, but softens when the melting temperature is reached and is pushed out of the structure by the density anomaly when cooling. This gradually creates pores in the structure, which lead to an internal oxidation and thus to an accelerated degradation of the component properties, in particular the much shorter lifespan of these materials.

Bekannte offenzellige Keramikstrukturen aus SSiC haben dagegen eine deutlich höhere Gefügeporosität innerhalb der Stege als 10 %, meist bis 35 %, da bei der Herstellung keine mechanische Verdichtung des Materials stattfindet und auch keine mechanische Nachverdichtung der Grünkörper aufgrund der geringen mechanischen Stabilität der Grünkörper stattfinden kann.Known open-cell ceramic structures made of SSiC, on the other hand, have a significantly higher microstructural porosity within the webs than 10%, mostly up to 35%, since no mechanical compression of the material takes place during production and no mechanical post-compression of the green bodies can take place due to the low mechanical stability of the green bodies.

Diese Nachteile der Lösungen des Standes der Technik bezüglich der inneren Oxidation und der zu hohen Gefügeporosität können durch die erfindungsgemäße Herstellung und Angabe der erfindungsgemäßen offenzelligen Keramikstruktur im Wesentlichen bestehend aus SSiC mit derart geringen Gefügeporositäten von 1 bis 10 % und vorteilhafterweise sogar von 2 bis < 5 %, behoben werden, so dass die vorliegende Erfindung neu ist und auf einer erfinderischen Tätigkeit beruht.These disadvantages of the solutions of the prior art with regard to the internal oxidation and the too high microstructural porosity can essentially be comprised of SSiC with such low microstructural porosities of 1 to 10% and advantageously even of 2 to <5 by the inventive production and specification of the open-cell ceramic structure %, are resolved so that the present invention is new and based on an inventive step.

Hergestellt wird das erfindungsgemäße offenzellige Keramiknetzwerk, indem aus einem groben Siliciumcarbidpulver mit einer mittleren Korngröße von 1 bis < 5 µm, vorteilhafterweise 2 bis 4 µm, und aus einem feinen Siliciumcarbidpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,1 bis 1 µm, vorteilhafterweise 0,2 bis 0,9 µm, eine Mischung hergestellt wird.The open-cell ceramic network according to the invention is produced by using a coarse silicon carbide powder with an average grain size of 1 to <5 μm, advantageously 2 to 4 μm, and from a fine silicon carbide powder with an average grain size of 0.1 to 1 μm, advantageously 0.2 up to 0.9 µm, a mixture is produced.

Das erfindungsgemäße Mischungsverhältnis beträgt von grobem zu feinem Siliciumcarbidpulver zwischen 10 : 90 bis 90 : 10, vorteilhafterweise zwischen 30 : 70 bis 70 : 30.The mixture ratio of coarse to fine silicon carbide powder is between 10:90 to 90:10, advantageously between 30:70 to 70:30.

Aus dieser Mischung der beiden SiC-Pulver wird zusammen mit an sich bekannten geringen Mengen an Sinteradditiven, vorteilhafterweise Bor und Kohlenstoff oder Bor, Aluminium und Kohlenstoff oder ein basisches Bindemittel, in Form einer Polysaccharid-Lösung mit sehr hoher Kohlenstoffausbeute, eine Suspension hergestellt.
Als Suspendiermittel kann vorteilhafterweise Wasser eingesetzt werden.
A suspension is produced from this mixture of the two SiC powders together with known small amounts of sintering additives, advantageously boron and carbon or boron, aluminum and carbon or a basic binder, in the form of a polysaccharide solution with a very high carbon yield.
Water can advantageously be used as the suspending agent.

Ein vorhandener offenzelliger Schaum oder ein offenzelliges Netzwerk, wie beispielsweise ein Polyurethanschaum, oder ein Netzwerk aus organischen synthetischen oder Naturfasern, oder ein gedrucktes Polymernetzwerk, wird dann ein- oder mehrmals mit der Suspension beschichtet und die Suspension getrocknet. Nachfolgend oder als Bestandteil des Trocknungsvorganges erfolgt die Entfernung des offenzelligen Schaumes oder des offenzelligen Netzwerkes, so dass ein Grünkörper entsteht, der einerseits die offenzellige Struktur des vorherigen offenzelligen Schaumes oder Netzwerkes als Zellporosität abbildet und andererseits in den Stegen neben den materialbedingten Gefügeporosität auch die Stegkernporosität und gegebenenfalls Risse aufweist, in denen sich vorher das Material des offenzelligen Schaumes oder Netzwerkes befunden hat. Durch die Risse können die Reaktionsprodukte der Schaum- oder Netzwerkmaterialien, die entfernt worden sind, ausgetreten sein.An existing open-cell foam or an open-cell network, such as, for example, a polyurethane foam, or a network of organic synthetic or natural fibers, or a printed polymer network, is then coated one or more times with the suspension and the suspension is dried. Subsequent or as part of the drying process, the open-cell foam or the open-cell network is removed, so that a green body is formed which, on the one hand, maps the open-cell structure of the previous open-cell foam or network as cell porosity, and on the other hand, in addition to the material-related structural porosity, the web core porosity and optionally has cracks in which the material of the open-cell foam or network was previously located. The reaction products of the foam or network materials that have been removed may have escaped through the cracks.

Die Entfernung des Schaumes oder Netzwerkes kann vorteilhafterweise durch Ausbrennen, Verdampfen, Ätzen oder Auflösen realisiert werden.The removal of the foam or network can advantageously be achieved by burning out, evaporating, etching or dissolving.

Anschließend erfolgt die Sinterung des Grünkörpers bei Temperaturen ≥ 1800 °C, vorteilhafterweise im Bereich von 1800 bis 2300 °C, noch vorteilhafterweise bei Temperaturen zwischen 2000 und 2180 °C unter Schutzgas oder Vakuum.The green body is then sintered at temperatures 1800 1800 ° C., advantageously in the range from 1800 to 2300 ° C., still advantageously at temperatures between 2000 and 2180 ° C. under a protective gas or vacuum.

Das erfindungsgemäß so hergestellte erfindungsgemäße offenzellige Keramiknetzwerk weist eine Gefügeporosität des Stegmaterials von 2 bis 10 % aus ganz oder im Wesentlichen ganz geschlossenen Poren auf, wobei bis 50 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von ≤ 1 µm aufweisen, und bis 90 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von ≤ 3 µm aufweisen, und mindestens 50 % aller Poren im SSiC-Gefüge eine Zirkularität größer 0,8 aufweisen.The open-cell ceramic network according to the invention thus produced has a structural porosity of the web material of 2 to 10% from completely or essentially completely closed pores, with up to 50% of all pores in the SSiC structure having an average diameter of 1 1 μm, and up to 90% all pores in the SSiC structure have an average diameter of ≤ 3 µm, and at least 50% of all pores in the SSiC structure have a circularity greater than 0.8.

Von besonderer erfindungsgemäßer Bedeutung ist, dass durch Einsatz des feinen Siliciumcarbidpulvers mit mittleren Korngrößen von 0,1, bis 1 µm als Ausgangsstoff mit dem gröberen Siliciumcarbidpulver mit mittleren Korngrößen von 1 bis < 5 µm eine deutlich höhere Packungsdichte der Siliciumcarbidpartikel im Grünkörper und auch in Sinterkörper des erfindungsgemäßen offenzelligen Keramiknetzwerkes realisiert wird und gleichzeitig auch die sehr viel höherer Sinteraktivität des feinen Siliciumcarbidpulvers zu einer deutlich gesteigerten Verdichtung der SSiC-Materialien während der Sinterung führt.
Im Ergebnis dieser Wirkungen des erfindungsgemäßen Einsatzes des feinen und groben SiC-Pulvers kommt es auch zu einer deutlich höheren linearen Schwindung während der Sinterung des erfindungsgemäßen offenzelligen Keramiknetzwerkes, die im Bereich von 12 bis 20 % eingestellt werden kann.
Of particular importance according to the invention is that by using the fine silicon carbide powder with average grain sizes of 0.1 to 1 μm As a starting material with the coarser silicon carbide powder with average grain sizes of 1 to <5 µm, a significantly higher packing density of the silicon carbide particles in the green body and also in the sintered body of the open-cell ceramic network according to the invention is realized, and at the same time the much higher sintering activity of the fine silicon carbide powder leads to a significantly increased compression of the SSiC materials during the sintering process.
As a result of these effects of the use of the fine and coarse SiC powder according to the invention, there is also a significantly higher linear shrinkage during the sintering of the open-cell ceramic network according to the invention, which can be set in the range from 12 to 20%.

Das erfindungsgemäß drucklos gesinterte offenzellige Keramiknetzwerk weist neben der sehr geringen Restporosität im Keramikmaterial auch eine sehr feine Verteilung der ganz oder im Wesentlichen ganz geschlossenen Poren auf.
Aufgrund der erfindungsgemäß vorhandenen Gefügeporosität von 2 bis maximal 10 % an ganz oder im Wesentlichen ganz geschlossenen Poren im Keramikmaterial der Stege und ihrer homogenen Verteilung im Keramikmaterial der Stege unterschreiten die Poren hinsichtlich ihrer Anzahl und Verteilung die Perkolationsgrenze, so dass es zu keiner durchgehenden Verbindung zwischen mehreren Poren kommt, wobei es zufallsbedingt zur Verbindung von einigen wenigen Poren zueinander kommen kann, die jedoch keine oder im Wesentlichen keine offenen Poren zur Oberfläche der Stege bilden.
In addition to the very low residual porosity in the ceramic material, the open-cell ceramic network sintered without pressure according to the invention also has a very fine distribution of the completely or essentially completely closed pores.
Due to the structure porosity of 2 to a maximum of 10% of completely or essentially completely closed pores in the ceramic material of the webs and their homogeneous distribution in the ceramic material of the webs, the number and distribution of the pores fall below the percolation limit, so that there is no continuous connection between them a plurality of pores occurs, it being possible for a few pores to be connected to one another by chance, but these form no or essentially no open pores to the surface of the webs.

Poren im Gefüge können auch als Defekte bezeichnet werden. Lagern sich mehrere Defekte zusammen, entstehen sogenannte Defektcluster. Die Ausbildung dieser Cluster ist maßgeblich von der Geometrie der Defekte und ihrem Volumenteil abhängig. Überschreitet der Volumenanteil einen bestimmten Grenzwert bilden die einzelnen Defektcluster im Gefüge ein zusammenhängendes Cluster. Im Falle der Poren hieße dies, dass durchgängige Porenkanäle im Gefüge vorliegen. Dieser Grenzwert wird als Perkolationsgrenze bezeichnet. Für ideal kugelförmige Defekte liegt sie beispielsweise bei einem Volumenanteil von 0,289. Je ellipsenförmiger die Defekte werden, desto niedriger liegt die Perkolationsgrenze (Bruchmechanik - Mit einer Einführung in die Mikromechanik, 6. Aufl. Gross, D.; Seelig, T., Springer, Berlin, 2016, S. 64 f.).Pores in the structure can also be called defects. If several defects are stored together, so-called defect clusters arise. The formation of these clusters depends largely on the geometry of the defects and their volume part. If the volume fraction exceeds a certain limit, the individual defect clusters form a coherent cluster in the structure. In the case of the pores, this means that there are continuous pore channels in the structure. This limit is called the percolation limit. For ideal spherical defects, for example, it is 0.289 by volume. The more elliptical the defects, the lower the percolation limit (fracture mechanics - with an introduction to micromechanics, 6th ed. Gross, D .; Seelig, T., Springer, Berlin, 2016, pp. 64 f.).

Mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung und dem Gefügeaufbau des offenzelligen Keramiknetzwerkes wird das Risiko einer inneren Oxidation stark verringert, oder es besteht kein solches Risiko, so dass Bauteile aus diesem erfindungsgemäßen offenzelligen Keramiknetzwerk eine deutlich höhere Lebensdauer aufweisen und/oder auch deutlich höhere Spitzentemperaturen bei der Anwendung schadlos überstehen können.With the composition according to the invention and the structure of the open-cell ceramic network, the risk of internal oxidation is greatly reduced, or there is no such risk, so that components from this open-cell ceramic network according to the invention have a significantly longer service life and / or also significantly higher peak temperatures when used without damage can survive.

Bezüglich der an sich bekannten geringen Mengen der an sich bekannten Sinteradditive, die zur Suspension zugegeben werden, ist zu sagen, dass es sich dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch um polymere Bindemittel, wie Lösungen oder Emulsionen von Polysacchariden, Polyamiden oder Polyacrylaten handeln kann, die im Grünkörper des offenzelligen Keramiknetzwerkes für eine ausreichend hohe Trockenbruchfestigkeit sorgen, damit der Grünkörper auch ausreichend mechanisch stabil ist. Gleichzeitig können derartige polymere Bindemittel durch eine entsprechende Elastizität auch die Bildung von Rissen im Grünkörper während der Trocknung verhindern.With regard to the known small amounts of the known sintering additives which are added to the suspension, it must be said that within the scope of the present invention these can also be polymeric binders, such as solutions or emulsions of polysaccharides, polyamides or polyacrylates, which ensure a sufficiently high dry fracture resistance in the green body of the open-cell ceramic network, so that the green body is also sufficiently mechanically stable. At the same time, such polymeric binders can also prevent the formation of cracks in the green body during drying due to their corresponding elasticity.

Bei Einsatz derartiger polymerer Bindemittel können auch hochverzweigte Keramiknetzwerke hergestellt und gesintert werden, trotz der hohen linearen Schwindung während der Sinterung.When such polymeric binders are used, highly branched ceramic networks can also be produced and sintered, despite the high linear shrinkage during sintering.

Weiter kann die mechanische Festigkeit des Grün- und Sinterkörpers des erfindungsgemäßen offenzelligen Keramiknetzwerkes deutlich erhöht werden, wenn vor oder nach der Sinterung die in den Stegen vorhandenen offenen Poren, die Stegkernporosität und Risse mit SiC-Material gefüllt werden.
Dies kann vorteilhafterweise mittels Infiltration, Tauchen, Tränken, Sprühen realisiert werden. Neben dem primären Beschichtungsprozess (Erstbeschichtung) kann also im pyrolysierten Zustand noch eine Zweitbeschichtung erfolgen, um die entstandenen Hohlräume im Stegkern mit artgleichem Material zu füllen.
Furthermore, the mechanical strength of the green and sintered body of the open-cell ceramic network according to the invention can be significantly increased if the open pores present in the webs, the web core porosity and cracks are filled with SiC material before or after sintering.
This can advantageously be achieved by means of infiltration, immersion, soaking, spraying. In addition to the primary coating process (first coating), a second coating can also be carried out in the pyrolyzed state in order to fill the resulting cavities in the web core with the same type of material.

Bei der Infiltration kann beispielsweise nach der Trocknung des Grünkörpers der Schaum oder das Netzwerk mittels Pyrolyse (Ausbrennen) entfernt werden. Während dieses Verfahrensschrittes bilden die in der Suspension enthaltenen organischen Bestandteile und Sinteradditive glasartigen Kohlenstoff, der die SiC-Partikel temporär miteinander verklebt.
Durch dieses Verkleben der SiC-Partikel hat der Grünkörper eine ausreichende mechanische Festigkeit für die nachfolgenden Verfahrensschritte.
Die nun noch offenen Poren, Hohlräume und Risse des Grünköpers des offenzelligen Keramiknetzwerkes können dann beispielsweise mittels Tränken mit einer Suspension, die vorteilhafterweise die SiC-Suspension zum Beschichten des Schaumes oder Netzwerkes sein kann, gefüllt werden, wobei dies vorteilhafterweise mittels Unterdruck erfolgen kann, so dass die Suspension in die freien Hohlräume der Stegkernporosität fließen kann oder hineingezogen wird. Damit können alle offenen Poren, Hohlräume und Risse teilweise oder vollständig gefüllt werden.
Die Suspension zum Füllen der offenen Poren, Hohlräume und Risse können auch Precursoren von keramischen Materialien eingesetzt werden, die dann während der Sinterung zu keramischen Materialien reagieren und vorteilhafterweise mit dem Stegmaterialien eine stoffschlüssige Verbindung eingehen können.
In the case of infiltration, for example after the green body has dried, the foam or the network can be removed by means of pyrolysis (burnout). During this process step, the organic constituents and sintering additives contained in the suspension form glass-like carbon which temporarily bonds the SiC particles to one another.
As a result of this bonding of the SiC particles, the green body has sufficient mechanical strength for the subsequent process steps.
The pores, voids and cracks in the green body of the open-cell ceramic network, which are still open, can then be filled, for example by means of soaking, with a suspension, which can advantageously be the SiC suspension for coating the foam or network, this advantageously being possible by means of a vacuum that the suspension can flow into the free cavities of the web core porosity or is drawn into it. This means that all open pores, cavities and cracks can be partially or completely filled.
The suspension for filling the open pores, voids and cracks can also be precursors from ceramic materials are used, which then react to ceramic materials during sintering and can advantageously form a material connection with the web materials.

Besonders vorteilhaft ist diese Füllung der offenen Poren, Hohlräume und Risse im Falle, dass ein Polymerschaum als Ausgangsstoff für die Beschichtung mit der SiC-Suspension verwendet wird. Beim Entfernen, vorteilhafterweise Pyrolysieren des Schaumes entstehen typischerweise Hohlräume mit einem dreieckig konkavem Querschnitt. Dabei führen die spitzen Hohlraumecken im ungefüllten Zustand oft zu weiteren Rissen in den Stegen, so dass durch ein Füllen dieser Hohlräume auch die Kerbwirkung dieser spitzen Hohlraumecken im gesinterten offenzelligen Keramiknetzwerk deutlich verringert werden kann.This filling of the open pores, voids and cracks is particularly advantageous in the event that a polymer foam is used as the starting material for the coating with the SiC suspension. When the foam is removed, advantageously pyrolyzed, cavities with a triangularly concave cross section typically arise. In the unfilled state, the pointed cavity corners often lead to further cracks in the webs, so that by filling these cavities, the notch effect of these pointed cavity corners in the sintered open-cell ceramic network can be significantly reduced.

Ein besonderer Vorteil der Füllung der offenen Poren, Hohlräume und Risse in den Stegen des erfindungsgemäßen offenzelligen Keramiknetzwerkes im Zuge der Zweitbeschichtung besteht darin, dass durch die Pyrolyse des organischen Schaumes oder Netzwerkes eine Beschichtung auf der Oberfläche der offenen Poren, Hohlräume und Risse entsteht, die nur pyrolysiert ist und somit nach dem Füllen genau wie das eingefüllte Material, vorteilhafterweise SiC, auch eine Schwindung zeigt, die bei gleichem oder ähnlichem Schwindungsverhalten der Materialien im Wesentlichen gleich groß ist. Dadurch kann ein stoffschlüssiger Verbund zwischen der bereits pyrolysierten Beschichtung und dem eingefüllten Material entstehen, wodurch sich die mechanische und chemische Stabilität des gefüllten offenzelligen Keramiknetzwerkes aus SSiC deutlich verbessert. Die mechanische Druckfestigkeit eines solchen gefüllten offenzelligen Keramiknetzwerkes aus SSiC kann dadurch um den Faktor 2 bis 3 erhöht werden und erreicht ein ähnliches Niveau wie SiSiC-Schäume mit ganz oder teilweise durch freies Silicium gefüllten Steghohlräumen.A particular advantage of filling the open pores, cavities and cracks in the webs of the open-cell ceramic network according to the invention in the course of the second coating is that the pyrolysis of the organic foam or network creates a coating on the surface of the open pores, cavities and cracks, which is only pyrolyzed and thus after filling, just like the filled material, advantageously SiC, also shows a shrinkage which is essentially the same size with the same or similar shrinkage behavior of the materials. This can create a cohesive bond between the already pyrolyzed coating and the filled material, which significantly improves the mechanical and chemical stability of the filled open-cell ceramic network made of SSiC. The mechanical compressive strength of such a filled open-cell ceramic network made of SSiC can thereby be increased by a factor of 2 to 3 and reaches a level similar to that of SiSiC foams with web cavities completely or partially filled with free silicon.

Nach dem Füllen oder Tränken des Grün- oder Sinterkörpers kann das überschüssige Material durch Zentrifugieren abgetrennt werden.
Durch die Wahl der Zentrifugierparameter kann zwischen unterschiedlichen Beschichtungsstärken und Füllparametern gewählt werden. Bei einer kleinen Drehzahl und damit geringer Fliehkraft wird nur das überschüssige Material der Suspension aus der Struktur entfernt, das anderenfalls beispielsweise die Zellen und Zellfenster verschließen kann. Die an den Oberflächen der Stege anhaftende Suspension kann dabei erhalten bleiben. Bei höheren Drehzahlen kann das überschüssige Material der Suspension beispielsweise auf eine sehr dünne Schicht auf der Oberfläche der Stege reduziert oder ganz entfernt werden, wobei dann nur Material in den offenen Poren, Hohlräumen und Rissen verbleiben würde. Durch das Zentrifugieren wird weiter noch erreicht, dass die Suspension auch in die Hohlraumecken eingebracht wird, die sonst aufgrund der Kapillarwirkung eventuell nicht gefüllt worden wären.
After the green or sintered body has been filled or soaked, the excess material can be removed by centrifugation.
By choosing the centrifugation parameters, you can choose between different coating thicknesses and filling parameters. At a low speed and thus low centrifugal force, only the excess material of the suspension is removed from the structure, which otherwise can, for example, close the cells and cell windows. The suspension adhering to the surfaces of the webs can be retained. At higher speeds, the excess material of the suspension can, for example, be reduced to a very thin layer on the surface of the webs or removed entirely, in which case only material would remain in the open pores, cavities and cracks. Centrifugation also ensures that the suspension is also introduced into the corners of the cavity, which otherwise might not have been filled due to the capillary action.

Mit dem Füllen der offenen Poren, Hohlraume und Risse und den anschließenden gezielten Entfernen der überschüssigen Suspension in den Bereichen, die frei und ungefüllt bleiben sollen, kann erfindungsgemäß eine sehr hohe Zellporosität von bis zu 93 % realisiert werden, was bedeutet, dass die Zellen des Keramiknetzwerkes offen und im Wesentlichen ungefüllt sind. Damit ist ein sehr großer nutzbarer, frei durchströmbarer Zellraum vorhanden.
Die Stegkernporosität, die bei den meisten polymeren Abformkörpern in der Regel 2 bis 4 % des Volumens ausmacht, kann durch das Füllen der offenen Poren, Hohlräume und Risse deutlich gesenkt oder bis auf annähernd 0 % reduziert werden. Die Stegkernporosität betrifft dabei erfindungsgemäß nur die offenen Poren, Hohlräume und Risse, nicht die erfindungsgemäß als im SSiC-Gefüge der Stege vorhandene Gefügeporosität der ganz oder im Wesentlichen ganz geschlossenen Poren.
Diese Gefügeporosität kann nicht durch Füllen der Poren verringert werden.
With the filling of the open pores, cavities and cracks and the subsequent targeted removal of the excess suspension in the areas that are to remain free and unfilled, a very high cell porosity of up to 93% can be achieved according to the invention, which means that the cells of the Ceramic network are open and essentially unfilled. This means that there is a very large usable, freely flowable cell space.
The web core porosity, which usually accounts for 2 to 4% of the volume in most polymeric impression bodies, can be significantly reduced or reduced to approximately 0% by filling the open pores, cavities and cracks. According to the invention, the web core porosity relates only to the open pores, cavities and cracks, not to the structure porosity of the completely or essentially completely closed pores, which according to the invention is present in the web of the SSiC.
This structure porosity cannot be reduced by filling the pores.

Mit dem erfindungsgemäßen offenzelligen Keramiknetzwerk sind offenzellige SSiC-Strukturen vorhanden, die eine verbesserte Hochtemperaturbeständigkeit bei gleichzeitig hoher Thermoschockbeständigkeit aufweisen und deren keramisches Gefüge keinen oder nur einen sehr geringen Anteil an Sekundärphasen aufweist.With the open-cell ceramic network according to the invention, there are open-cell SSiC structures which have improved high-temperature resistance with high thermal shock resistance and whose ceramic structure has no or only a very small proportion of secondary phases.

Die Absenkung der Porosität des SSiC-Gefüge der Stege auf eine Porosität von 2 bis 10 % aus ganz oder im Wesentlichen ganz geschlossenen Poren verhindert die innere Oxidation und führt zu einer deutlichen Verbesserung der Lebensdauer der erfindungsgemäßen offenzelligen Keramiknetzwerke in oxidativer Umgebung um ein bis zwei Größenordnungen von einigen hundert bis auf einige zehntausend Stunden.The reduction in the porosity of the SSiC structure of the webs to a porosity of 2 to 10% from completely or essentially completely closed pores prevents the internal oxidation and leads to a significant improvement in the service life of the open-cell ceramic networks according to the invention in an oxidative environment by one or two orders of magnitude from a few hundred to a few tens of thousands of hours.

Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using several exemplary embodiments.

Vergleichsbeispiel:Comparative Example:

Es wird eine keramische Suspension auf Wasserbasis hergestellt. Diese enthält eine bimodale SiC-Kornverteilung, hergestellt durch Mischung von SiC-Pulvern mit einem mittleren Korndurchmesser von 1,2 und 18 µm im Verhältnis von 50:50; außerdem 0,6 % Bor(carbid) und 9% eines wasserlöslichen Phenolharzes (entspricht 3 % Kohlenstoff nach der Pyrolyse) als Sinteradditiv. Die Suspension wird auf einen Feststoffgehalt von 84 % eingestellt.A ceramic water-based suspension is produced. This contains a bimodal SiC grain distribution, produced by mixing SiC powders with an average grain diameter of 1.2 and 18 µm in a ratio of 50:50; also 0.6% boron (carbide) and 9% of a water-soluble phenolic resin (corresponds to 3% carbon after pyrolysis) as a sintering additive. The suspension is adjusted to a solids content of 84%.

Zur Herstellung der Schaumkeramik wird ein Polyurethan-Schaumstoff der Zellweite von 10 ppi (pores per inch) mit der Suspension getränkt und anschließend wird die überschüssige Suspension mit einer Zentrifuge abgetrennt. Für eine Probe der Maße 40x40x25 mm ergibt sich ein Beschichtungsgewicht von ca. 20 g. Anschließend wird der Körper getrocknet und das Polyurethan bis zu einer Temperatur von 600°C unter Inertgasatmosphäre ausgebrannt. Das verbleibende SiC-Pulvergerüst wird unter Argonatmosphäre bei einer Temperatur von 2100 °C mit einem Druck von ca. 105 kPa gesintert. To produce the foam ceramic, a polyurethane foam with a cell size of 10 ppi (pores per inch) is soaked with the suspension and then the excess suspension is separated off with a centrifuge. For a sample measuring 40x40x25 mm, the coating weight is approx. 20 g. The body is then dried and the polyurethane is burned out to a temperature of 600 ° C. under an inert gas atmosphere. The remaining SiC powder structure is sintered under an argon atmosphere at a temperature of 2100 ° C with a pressure of approx. 105 kPa.

Die Probe schwindet bei der Sinterung linear 4%, so dass die Endmaße bei 39x39x24 mm liegen.
Die mittlere Bruchlast bei einem Stempeleindruck vom Durchmesser 20 mm beträgt 230 N.
Die Stege der Schaumkeramik enthalten etwa 12 % geschlossene Poren mit einem mittleren Durchmesser von etwa 5 µm.
The sample shrinks linearly 4% during sintering, so that the final dimensions are 39x39x24 mm.
The average breaking load for a stamp impression with a diameter of 20 mm is 230 N.
The webs of the foam ceramic contain about 12% closed pores with an average diameter of about 5 µm.

Nach einer Erwärmung der Keramik auf 1000°C unter Luft erfolgt eine Abschreckung in kaltem Wasser. Die danach gemessene Festigkeit beträgt noch 190 N.After the ceramic has been heated to 1000 ° C in air, it is quenched in cold water. The strength measured after this is still 190 N.

Beispiel 1example 1

Es wird eine keramische Suspension auf Wasserbasis hergestellt. Diese enthält eine bimodale SiC-Kornverteilung, hergestellt durch Mischung von SiC-Pulvern mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,8 µm und 3,0 µm im Verhältnis von 70:30; außerdem 0,6% Bor(carbid) und 11% eines wasserlöslichen Polysaccharids (entspricht 4 % Kohlenstoff nach der Pyrolyse) als Sinteradditiv. Die Suspension wird auf einen Feststoffgehalt von 78 % eingestellt.A ceramic water-based suspension is produced. This contains a bimodal SiC grain distribution, produced by mixing SiC powders with an average grain diameter of 0.8 µm and 3.0 µm in a ratio of 70:30; also 0.6% boron (carbide) and 11% of a water-soluble polysaccharide (corresponds to 4% carbon after pyrolysis) as a sintering additive. The suspension is adjusted to a solids content of 78%.

Zur Herstellung der Schaumkeramik wird ein Polyurethan-Schaumstoff der Zellweite von 10 ppi (pores per inch) mit der Suspension getränkt und anschließend wird die überschüssige Suspension mit einer Zentrifuge abgetrennt. Für eine Probe der Maße 40x40x25 mm ergibt sich ein Beschichtungsgewicht von ca. 17 g. Anschließend wird der Körper getrocknet und das Polyurethan bis zu einer Temperatur von 800 °C unter Inertgasatmosphäre ausgebrannt. Das verbleibende SiC-Pulvergerüst wird unter Argonatmosphäre bei einer Temperatur von 2100 °C drucklos gesintert.To produce the foam ceramic, a polyurethane foam with a cell size of 10 ppi (pores per inch) is soaked with the suspension and then the excess suspension is separated off with a centrifuge. For a sample measuring 40x40x25 mm, the coating weight is approx. 17 g. The body is then dried and the polyurethane is burned out to a temperature of 800 ° C. under an inert gas atmosphere. The remaining SiC powder structure is sintered without pressure under an argon atmosphere at a temperature of 2100 ° C.

Die Probe schwindet bei der Sinterung linear 14 %, so dass die Endmaße bei ca. 34x34x22 mm liegen.
Die mittlere Bruchlast bei einem Stempeleindruck vom Durchmesser 20 mm beträgt 110 N.
The sample shrinks linearly 14% during sintering, so that the final dimensions are approx. 34x34x22 mm.
The average breaking load for a stamp impression with a diameter of 20 mm is 110 N.

Die Stege der Schaumkeramik enthalten etwa 5 % geschlossene Poren, wobei 40 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von 0,8 µm aufweisen, und bis 92 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von 1 µm aufweisen, und 72 % aller Poren im SSiC-Gefüge eine Zirkularität ≥ 0,85 aufweisen.The webs of the foam ceramic contain about 5% closed pores, with 40% of all pores in the SSiC structure having an average diameter of 0.8 µm and up to 92% of all pores in the SSiC structure having an average diameter of 1 µm, and 72 % of all pores in the SSiC structure have a circularity ≥ 0.85.

Nach einer Erwärmung der Keramik auf 1000°C unter Luft erfolgt eine Abschreckung in kaltem Wasser. Die danach gemessene Festigkeit beträgt noch ca. 80N.After the ceramic has been heated to 1000 ° C in air, it is quenched in cold water. The strength measured after this is still approx. 80N.

Beispiel 2Example 2

Es wird eine keramische Suspension auf Wasserbasis hergestellt. Diese enthält eine bimodale SiC-Kornverteilung, hergestellt durch Mischung von SiC-Pulvern mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,5 µm und 3,0 µm im Verhältnis von 60:40; außerdem 0,6% Bor(carbid) und 13% eines wasserlöslichen Polysaccharids (entspricht 4 % Kohlenstoff nach der Pyrolyse) als Sinteradditiv. Die Suspension wird auf einen Feststoffgehalt von 75% eingestellt.A ceramic water-based suspension is produced. This contains a bimodal SiC grain distribution, produced by mixing SiC powders with an average grain diameter of 0.5 µm and 3.0 µm in a ratio of 60:40; also 0.6% boron (carbide) and 13% of a water-soluble polysaccharide (corresponds to 4% carbon after pyrolysis) as a sintering additive. The suspension is adjusted to a solids content of 75%.

Zur Herstellung des keramischen Netzwerkes wird ein gedrucktes polymeres Templat in Form einer Tetrakaidekaederstruktur mit einer Stegdicke von 0,9 mm und einer Steglänge von 3 mm genutzt. Dies entspricht von den Dimensionen in etwa einer sehr groben Schaumkeramik mit 5 bis 10 ppi (pores per inch). Das zylinderförmige Templat hat einen Durchmesser von 69 mm und eine Höhe von 23 mm. Da das gedruckte Templat nicht flexibel ist, kann die Suspension nicht eingeknetet oder durch Walzen eingebracht werden. Stattdessen wird das Templat in die dickflüssige Suspension eingetaucht und überschüssiges Material durch Zentrifugieren herausgetrieben. Hierfür ergibt sich ein Beschichtungsgewicht von ca. 29 g.
Analog zu Beispiel 1 wird das beschichtete Templat getrocknet und anschließend einer thermischen Behandlung bei bis zu 800 °C unter Inertgasatmosphäre unterzogen. Dabei zersetzt sich das polymere Templat. Das verbleibende SiC-Pulvergerüst wird unter Argon bei einer Temperatur von 2130°C gebrannt.
Die Probe schwindet bei der Sinterung linear ca. 18 %, so dass der Durchmesser bei ca. 56 mm und die Höhe bei etwa 19 mm nach dem Sintern liegen.
A printed polymeric template in the form of a tetrakaidecahedron structure with a web thickness of 0.9 mm and a web length of 3 mm is used to produce the ceramic network. The dimensions correspond roughly to a very coarse foam ceramic with 5 to 10 ppi (pores per inch). The cylindrical template has a diameter of 69 mm and a height of 23 mm. Since the printed template is not flexible, the suspension cannot be kneaded in or introduced by rolling. Instead, the template is immersed in the viscous suspension and excess material is expelled by centrifugation. This results in a coating weight of approx. 29 g.
Analogously to example 1, the coated template is dried and then subjected to a thermal treatment at up to 800 ° C. under an inert gas atmosphere. The polymeric template decomposes. The remaining SiC powder structure is fired under argon at a temperature of 2130 ° C.
The sample shrinks linearly about 18% during sintering, so that the diameter is about 56 mm and the height is about 19 mm after sintering.

Die Stege der Schaumkeramik enthalten etwa 3 % geschlossene Poren, wobei ca. 30 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von 0,7 µm aufweisen, und bis 95 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von 2,3 µm aufweisen, und 85 % aller Poren im SSiC-Gefüge eine Zirkularität 0,92 aufweisen.The webs of the foam ceramic contain approximately 3% closed pores, with approximately 30% of all pores in the SSiC structure having an average diameter of 0.7 µm and up to 95% of all pores in the SSiC structure having an average diameter of 2.3 µm and 85% of all pores in the SSiC structure have a circularity of 0.92.

Beispiel 3Example 3

Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit kann eine Schaumkeramik oder ein Netzwerk gemäß der Beispiele 1 und 2 zusätzlich über einen Infiltrationsprozess, also eine Zweitbeschichtung verstärkt werden. Hierfür kann zunächst Polyurethan-Schaumstoff, wie in Beispiel 1, mit der dort beschriebenen keramischen Suspension beschichtet und getrocknet werden. Damit ist die Erstbeschichtung abgeschlossen. Im Anschluss daran folgt ebenfalls analog die Pyrolyse, die die thermische Zersetzung des polymeren Schaumstoffes zur Folge hat.In order to increase the mechanical strength, a foam ceramic or a network according to Examples 1 and 2 can additionally have a Infiltration process, i.e. a second coating to be reinforced. For this purpose, polyurethane foam, as in Example 1, can first be coated with the ceramic suspension described there and dried. This completes the first coating. This is also followed by pyrolysis, which results in the thermal decomposition of the polymer foam.

Daraufhin erfolgt ein Infiltrationsschritt, also die Zweitbeschichtung, mit der gleichen, aber leicht verdünnten Suspension, deren Feststoffgehalt auf etwa 65 % eingestellt wird. Die Infiltration erfolgt durch Tränkung des pyrolysierten Bauteils in ein Suspensionsbad und das gleichzeitige Anlegen eines Unterdruckes bis auf einen verbleibenden Druck von etwa 200 mbar. Nach der Infiltration wird das Bauteil aus der Suspension entnommen und durch Zentrifugieren die überschüssige Suspension in den Zellen abgetrennt. Die Masse nach dem Tränken und Zentrifugieren beträgt dann ca. 22 g. Die getrocknete Struktur wird daraufhin ein zweites Mal bei einer Temperatur von bis zu 800 °C pyrolysiert. Das verbleibende SiC-Pulvergerüst wird unter Argon bei einer Temperatur von 2130°C gesintert.This is followed by an infiltration step, i.e. the second coating, with the same but slightly diluted suspension, the solids content of which is adjusted to approximately 65%. The infiltration takes place by soaking the pyrolyzed component in a suspension bath and simultaneously applying a vacuum to a remaining pressure of approximately 200 mbar. After the infiltration, the component is removed from the suspension and the excess suspension in the cells is separated off by centrifugation. The mass after soaking and centrifuging is then approx. 22 g. The dried structure is then pyrolyzed a second time at a temperature of up to 800 ° C. The remaining SiC powder structure is sintered under argon at a temperature of 2130 ° C.

Die Probe schwindet bei der Sinterung linear 18 %, so dass die Endmaße bei etwa 33x33x20 mm liegen. Unbeeinflusst vom zweiten Beschichtungsschritt ist das Gefüge der Stege der Schaumkeramik durch einen Porenanteil von etwa 3 % gekennzeichnet. Hierbei handelt es sich um überwiegend geschlossene Poren, wobei ca. 30 % dieser Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von 0,7 µm aufweisen, und bis 95 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von 2,3 µm aufweisen, und 85 % aller Poren im SSiC-Gefüge eine Zirkularität 0,92 aufweisen.The sample shrinks linearly 18% during sintering, so that the final dimensions are approximately 33x33x20 mm. Unaffected by the second coating step, the structure of the webs of the foam ceramic is characterized by a pore fraction of approximately 3%. These are predominantly closed pores, with approximately 30% of these pores in the SSiC structure having an average diameter of 0.7 µm, and up to 95% of all pores in the SSiC structure having an average diameter of 2.3 µm, and 85% of all pores in the SSiC structure have a circularity of 0.92.

Der zweite Beschichtungsschritt hat allerdings starke Auswirkungen auf die Stegkernporosität, die vom Templat bzw. Polyurethan-Schaumstoff hervorgerufen wird. Durch die Infiltration nach der Pyrolyse, werden nun fast alle Stegkernhohlräume mit der Suspension aufgefüllt. Insbesondere spitz zulaufende Stegkanten werden dadurch aufgefüllt und ihre Kerbwirkung somit unterbunden. Dies hat einen signifikanten Einfluss auf die mechanische Stabilität der Schaumstruktur. Die mittlere Bruchlast bei einem Stempeleindruck vom Durchmesser 20 mm beträgt 610 N. Nach einer Erwärmung der Keramik auf 1000°C unter Luft erfolgt eine Abschreckung in kaltem Wasser. Die danach gemessene Festigkeit beträgt noch 550 N.However, the second coating step has a strong impact on the web core porosity, which is caused by the template or polyurethane foam. Due to the infiltration after the pyrolysis, almost all web core cavities are now filled with the suspension. In particular, tapered web edges are thereby filled in and their notching effect is thus prevented. This has a significant impact on the mechanical stability of the foam structure. The average breaking load for a stamp impression with a diameter of 20 mm is 610 N. After the ceramic has been heated to 1000 ° C in air, it is quenched in cold water. The strength measured after this is still 550 N.

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Claims (20)

Offenzelliges Keramiknetzwerk, bestehend aus einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur aus vielen miteinander verbundenen Stegen und zwischen den Stegen liegenden offenen Zellen, wobei die Stege im Wesentlichen aus drucklos gesintertem SiC (SSiC) bestehen, und das SSiC-Gefüge der Stege eine Gefügeporosität von 2 bis 10 % aus ganz oder im Wesentlichen ganz geschlossenen Poren aufweist, wobei bis 50 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von ≤ 1 µm aufweisen, und bis 90 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von ≤ 3 µm aufweisen, und mindestens 50 % aller Poren im SSiC-Gefüge eine Zirkularität ≥ 0,8 aufweisen.Open-cell ceramic network, consisting of a three-dimensionally networked ceramic structure consisting of many interconnected webs and open cells lying between the webs, the webs essentially consisting of pressure-free sintered SiC (SSiC), and the SSiC structure of the webs having a structure porosity of 2 to 10% has completely or essentially completely closed pores, with up to 50% of all pores in the SSiC structure having an average diameter of 1 1 μm, and up to 90% of all pores in the SSiC structure having an average diameter of 3 3 μm, and at least 50% of all pores in the SSiC structure have a circularity ≥ 0.8. Offenzelliges Keramiknetzwerk nach Anspruch 1, bei dem die Porosität des SSiC-Gefüges der Stege 2 bis < 5 % beträgt.Open-cell ceramic network after Claim 1 , in which the porosity of the SSiC structure of the webs is 2 to <5%. Offenzelliges Keramiknetzwerk nach Anspruch 1, bei dem 20 % bis 50 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von ≤ 1 µm aufweisen.Open-cell ceramic network after Claim 1 , in which 20% to 50% of all pores in the SSiC structure have an average diameter of ≤ 1 µm. Offenzelliges Keramiknetzwerk nach Anspruch 1, bei dem 70 % bis 90 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von ≤ 3 µm aufweisen.Open-cell ceramic network after Claim 1 , in which 70% to 90% of all pores in the SSiC structure have an average diameter of ≤ 3 µm. Offenzelliges Keramiknetzwerk nach Anspruch 1, bei dem 50 % bis 90 %, vorteilhafterweise 80 % bis 90 %, aller Poren im SSiC-Gefüge eine Zirkularität größer 0,8 aufweisen.Open-cell ceramic network after Claim 1 , in which 50% to 90%, advantageously 80% to 90%, of all pores in the SSiC structure have a circularity greater than 0.8. Offenzelliges Keramiknetzwerk nach Anspruch 1, bei dem mindestens 50 % aller Poren im SSiC-Gefüge eine Zirkularität zwischen 0,8 und 0,95, vorteilhafterweise zwischen 0,9 und 0,95, aufweisen.Open-cell ceramic network after Claim 1 , in which at least 50% of all pores in the SSiC structure have a circularity between 0.8 and 0.95, advantageously between 0.9 and 0.95. Offenzelliges Keramiknetzwerk nach Anspruch 1, bei dem offene Gefügeporen, Hohlräume und Risse mit SiC-Materialien gefüllt sind.Open-cell ceramic network after Claim 1 , in which open structure pores, cavities and cracks are filled with SiC materials. Verfahren zur Herstellung von offenzelligen Keramiknetzwerken aus einer dreidimensional vernetzten Keramikstruktur aus vielen miteinander verbundenen Stegen und zwischen den Stegen liegenden offenen Zellen, wobei die Stege im Wesentlichen aus drucklos gesintertem SiC (SSiC) bestehen, und das SSiC-Gefüge der Stege eine Porosität von 2 bis 10 % aus ganz oder im Wesentlichen ganz geschlossenen Poren aufweist, wobei bis 50 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von ≤ 1 µm aufweisen, und bis 90 % aller Poren im SSiC-Gefüge einen mittleren Durchmesser von ≤ 3 µm aufweisen, und mindestens 50 % aller Poren im SSiC-Gefüge eine Zirkularität größer 0,8 aufweisen, bei dem aus einem groben Siliciumcarbidpulver mit einer mittleren Korngröße von 1 bis < 5 µm und aus einem feinen Siliciumcarbidpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,1 bis 1 µm eine Mischung hergestellt wird, wobei das Mischungsverhältnis von grobem zu feinem Siliciumcarbidpulver zwischen 10 : 90 bis 90 : 10 beträgt, aus dieser Mischung zusammen mit an sich bekannten geringen Mengen an an sich bekannten Sinteradditiven eine Suspension hergestellt wird, anschließend ein offenzelliger Schaum oder ein offenzelliges Netzwerk ein oder mehrmals mit der Suspension beschichtet, der Schaum oder das Netzwerk getrocknet, der Schaum oder das Netzwerk entfernt und der verbliebene Grünkörper bei Temperaturen ≥ 1800 °C unter Schutzgas oder Vakuum gesintert wird.Method for producing open-cell ceramic networks from a three-dimensionally cross-linked ceramic structure made up of many interconnected webs and open cells lying between the webs, the webs essentially consisting of pressure-free sintered SiC (SSiC), and the SSiC structure of the webs having a porosity of 2 to 10% of completely or essentially completely closed pores, with up to 50% of all pores in the SSiC structure having an average diameter of ≤ 1 µm, and up to 90% of all pores in the SSiC structure having an average diameter of ≤ 3 µm, and at least 50% of all pores in the SSiC structure have a circularity greater than 0.8, in which a coarse silicon carbide powder with an average grain size of 1 to <5 μm and a fine silicon carbide powder with an average grain size of 0.1 to 1 μm a mixture is produced, the mixing ratio of coarse to fine silicon carbide powder between 10: 90 to 90: 10, a suspension is produced from this mixture together with small amounts of sintering additives known per se, then an open-cell foam or an open-cell network is coated one or more times with the suspension, the foam or the network is dried, the foam or the network is removed and the remaining green body is sintered at temperatures ≥ 1800 ° C under protective gas or vacuum. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein grobes Siliciumcarbidpulver mit einer mittleren Korngröße von 2 bis 4 µm eingesetzt wird.Procedure according to Claim 8 , in which a coarse silicon carbide powder with an average grain size of 2 to 4 µm is used. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein feines Siliciumcarbidpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,2 bis 0,9 µm eingesetzt wird.Procedure according to Claim 8 , in which a fine silicon carbide powder with an average grain size of 0.2 to 0.9 µm is used. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem eine Siliciumcarbidpulvermischung mit einem Mischungsverhältnis von grobem zu feinem Siliciumcarbidpulver zwischen 30 : 70 bis 70 : 30 eingesetzt wird.Procedure according to Claim 8 , in which a silicon carbide powder mixture with a mixing ratio of coarse to fine silicon carbide powder is used between 30: 70 to 70: 30. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem als an sich bekannte Sinterhilfsmittel Bor und Kohlenstoff oder Bor, Aluminium und Kohlenstoff und als Sinterhilfsmittel ein basisches Bindemittel auf der Basis von Polysacchariden, Polyamiden oder Polyacrylaten eingesetzt werden.Procedure according to Claim 8 , in which boron and carbon or boron, aluminum and carbon are used as known sintering aids and a basic binder based on polysaccharides, polyamides or polyacrylates is used as a sintering aid. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem als offenzelliger Schaum ein Polyurethanschaum, oder als offenzelliges Netzwerk ein Netzwerk aus organischen synthetischen oder Naturfasern eingesetzt werden.Procedure according to Claim 8 , in which a polyurethane foam is used as the open-cell foam, or a network of organic synthetic or natural fibers is used as the open-cell network. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Entfernen des Schaumes oder des Netzwerkes durch Ausbrennen, Verdampfen, Ätzen oder Auflösen realisiert wird.Procedure according to Claim 8 , in which the removal of the foam or the network is realized by burning out, evaporating, etching or dissolving. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Grünkörper bei Temperaturen im Bereich von 1800 bis 2300 °C, vorteilhafterweise bei Temperaturen zwischen 2000 und 2180 °C gesintert wird.Procedure according to Claim 8 , in which the green body is sintered at temperatures in the range from 1800 to 2300 ° C., advantageously at temperatures between 2000 and 2180 ° C. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem als Suspendiermittel Wasser eingesetzt wird.Procedure according to Claim 8 , in which water is used as a suspending agent. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem eine lineare Schwindung von 12 bis 20 % eingestellt wird.Procedure according to Claim 8 with a linear shrinkage of 12 to 20%. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem vor und oder nach der Sinterung offen Poren, Hohlräume und Risse mit SiC-Materialien gefüllt werden.Procedure according to Claim 8 , in which open pores, cavities and cracks are filled with SiC materials before and or after sintering. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem SiC-Material in die offenen Poren, Hohlräume und Risse mittels Infiltration, Tauchen, Tränken, Sprühen eingebracht wird.Procedure according to Claim 18 , with the SiC material in the open pores, voids and cracks by infiltration, immersion, watering, spraying. Verfahren nach Anspruch 18 und 19, bei dem eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Erst- und Zeitbeschichtung vorliegt.Procedure according to Claim 18 and 19 , where there is a cohesive connection between the first and time coating.
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