DE102020213680A1

DE102020213680A1 - Verfahren zum Sintern keramischer Werkstoffe

Info

Publication number: DE102020213680A1
Application number: DE102020213680.7A
Authority: DE
Inventors: Apurv Dash; Robert Mücke; Olivier Guillon
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2022-05-05
Also published as: US20230382807A1; EP4237245A1; WO2022089823A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines verdichteten Bauteils sowie einen Gegenstand, der ein verdichtetes Bauteil umfasst. Bei einem Verfahren zum Herstellen eines verdichteten Bauteils (10) wird ein Ausgangsmaterial (20) bei einer Temperatur (T) unterhalb von 800°C einem elektrischen Feld (12) ausgesetzt. Das Ausgangsmaterial (20) umfasst ein erstes Material (14) aus der Gruppe der Cuprate. Das Verfahren hat einen geringen technischem Aufwand, da ein Verdichten ohne Erhitzen des Ausgangsmaterials möglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines verdichteten Bauteils sowie einen Gegenstand, der ein verdichtetes Bauteil umfasst.
Sintern ist ein Verfahren zur Bearbeitung von Werkstoffen. Dabei wird ein Werkstoff erhitzt und ggf. einem erhöhten Druck ausgesetzt, sodass der Werkstoff verdichtet wird. Das Sintern erfolgt bei hohen Temperaturen, die jedoch unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten liegen, sodass die Form des Werkstücks beim Sintern erhalten bleibt. Es kommt typischerweise zu einer Schwindung, da das Ausgangsmaterial verdichtet wird. Durch das Sintern wird ein festes Werkstück hergestellt, wobei Eigenschaften wie Härte, Druckfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit durch geeignete Prozessparameter beeinflusst werden können.
Das Sintern von keramischen Materialien dient der Herstellung von keramischen Bauteilen, die hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie z. B. Härte, Druckfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit vielfache Anwendung finden. Bei manchen Verfahren erfolgt eine Formgebung, bei der ein Grünling aus zumeist pulverförmigen Ausgangsmaterialien herstellt wird, ggf. eine Trocknung und anschließend die Verdichtung. Dabei wird das Ausgangsmaterial einer Temperatur zwischen 800°C und 2500°C ausgesetzt. In diesem Schritt kommt es zu Kornwachstum. Dieses Verfahren ist aufgrund der hohen Temperaturen technisch aufwändig und energieintensiv. Starkes Kornwachstum kann zu ungewünschten Eigenschaften des hergestellten Bauteils führen. Zudem ist die lange Dauer des Verfahrens, die zwischen einigen Stunden und Tagen beträgt, ein wesentlicher Nachteil.
Zur Verkürzung des Sinterns wurde das feldunterstützte Sintern entwickelt, bei dem die Erwärmung mittels elektrischen Stroms erfolgt. Bei diesem Verfahren, das auch als Feld-Aktiviertes Sintern, „Field assisted sintering technology“ (FAST) oder „Spark Plasma Sintering“ (SPS) bekannt ist, wird ein elektrischer Gleichstrom durch das zu sinternde Pulver geleitet, der zu einer weiteren Erwärmung durch den Joule-Effekt führt. Zusätzlich wird ein Druck von 50 MPa bis zu 400 MPa aufgebaut und das Sintern erfolgt unter Schutzgas oder Vakuum. Im Vergleich zum herkömmlichen Sintern ist die Erwärmung beschleunigt und kann beispielsweise mit mehreren 100 K/min erfolgen, sodass deutlich verkürzte Prozesszeiten möglich sind. Auch dieser Prozess ist aufgrund der hohen Temperaturen deutlich oberhalb von 800°C und der hohen Drücke technisch aufwändig. Außerdem kann er nur bei Materialien eingesetzt werden, die bei Raumtemperatur eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen, was bei keramischen Werkstoffen zumeist nicht der Fall ist. Zur Behebung dieses Nachteils wurde das Flash-Sintern entwickelt, das auf einem Stromfluss durch den keramischen Körper in Kombination mit einer externen Heizung beruht. Hierbei wird zunächst extern geheizt und bei Überschreiten einer spezifischen Temperatur, bei der die Probe ausreichend leitfähig wird, wird ein Stromfluss über den Probenquerschnitt realisiert. Auch dieses Verfahren ist technisch aufwändig. Andere Verfahren beruhen auf einer Erhitzung im Ofen, um die Leitfähigkeit zu erhöhen, bevor ein elektrisches Feld angelegt wird.
Die Publikation „Oxide Superconductors“ von Robert J. Cava aus dem „Journal of the American Ceramic Society“ [1] 5 - 28, 2000, beschreibt die Entwicklung keramischer Supraleiter mit einem Schwerpunkt in Kupferoxid-Superleitern aus der Gruppe der Cuprate.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Verdichteten Bauteils sowie einen verbesserten Gegenstand zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und den Gegenstand gemäß dem nebengeordneten Anspruch. Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zur Lösung der Aufgabe dient ein Verfahren zum Herstellen eines verdichteten Bauteils. Ein Ausgangsmaterial umfasst ein erstes Material aus der Gruppe der Cuprate. Das Ausgangsmaterial wird bei einer Temperatur T unterhalb von 800°C einem elektrischen Feld ausgesetzt. Auf diese Weise wird aus dem Ausgangsmaterial ein verdichtetes Bauteil hergestellt.
Keramische Materialien aus der Gruppe der Cuprate weisen, anders als viele andere keramische Materialien, bereits bei Temperaturen unterhalb von 800°C eine elektrische Leitfähigkeit auf. Diese elektrische Leitfähigkeit ermöglicht eine Verdichtung durch ein elektrisches Feld. Das Verfahren hat einen geringen technischem Aufwand, da für das Verdichten kein Erhitzen des Ausgangsmaterials notwendig ist. Das Verfahren umfasst insbesondere keine Erwärmung des Ausgangsmaterials in einem Ofen und/oder mit einer externen Erwärmungseinrichtung. Darüber hinaus sind die verwendeten Materialien typischerweise Oxide und aus diesem Grund nicht anfällig für Oxidation. Dies eröffnet im Vergleich zu Metallen, Legierungen und anderen oxidierbaren Materialien zusätzliche Einsatzgebiete.
Das Verfahren dient der Herstellung eines verdichteten Bauteils. Es kann auch als Sintern bezeichnet werden. Da als Sintern üblicherweise Prozesse bezeichnet werden, die bei hohen Temperaturen durchgeführt werden, wird das Verfahren hier als Verdichten bezeichnet.
Das elektrische Feld wird insbesondere erzeugt durch die Anordnung von Elektroden an unterschiedlichen, beispielsweise gegenüberliegenden, Seiten des Ausgangsmaterials und durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden bzw. Realisieren eines elektrischen Stroms durch die Elektroden und das Ausgangsmaterial.
Das elektrische Feld kann durch eine Einrichtung zur Energieversorgung erzeugt werden. Diese kann als Gleichspannungs- bzw. Gleichstromquelle oder als Wechselspannungs- bzw. Wechselstromquelle ausgestaltet sein.
Insbesondere wird die elektrische Feldstärke von null bis zu einem Zielwert stetig erhöht. Dabei kann es aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit bei einer bestimmten Feldstärke zu einem plötzlichen Anstieg des elektrischen Stroms kommen, der durch das Ausgangsmaterial fließt. Insbesondere wird nach einem plötzlichen Anstieg und/oder einer Spitze des elektrischen Stroms, der durch das Ausgangsmaterial fließt, von einer Feld-basierten Steuerung zu einer Stromstärken-basierten Steuerung umschaltet. Der elektrische Strom wird somit begrenzt. Dies verhindert ein Schmelzen bzw. Zerstören des zu verdichtenden Ausgangsmaterials. Typischerweise ist die Einrichtung zur Energieversorgung zu einem derartigen Umschalten eingerichtet.
Das Ausgangsmaterial kann als Grünling vorliegen, also als aus dem Ausgangsmaterial vorgeformter Gegenstand. Das Verfahren kann eine Formgebung zur Herstellung des Grünlings umfassen. Dies dient der Herstellung des Grünlings, insbesondere aus pulverförmigem Material. Dabei kann eine möglichst homogene Packungsdichte, also eine gleichmäßige Massenverteilung, im gesamten Grünling angestrebt werden. Die Formgebung erfolgt insbesondere durch Pressen, Gießen und/oder durch plastische Formgebung. Auf diese Weise können geometrisch anspruchsvolle Bauteile hergestellt werden.
Alternativ oder ergänzend kann das Ausgangsmaterial in Pulverform vorliegen. Dies ermöglicht ein besonders einfaches und schnelles Verfahren. Das Ausgangsmaterial kann somit als Pulver in eine Form eingebracht werden und in dieser Form dem elektrischen Feld ausgesetzt werden.
Cuprate sind keramische Supraleiter, die aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Sprungtemperatur als Hochtemperatursupraleiter bekannt sind. Das erste Material ist insbesondere ein keramischer Supraleiter. Als Cuprate können chemische Verbindungen bezeichnet werden, die ein kupferhaltiges Anion enthalten. Dies können salzartige Cuprate sein, die neben Kupfer Sauerstoff enthalten. Insbesondere sind jedoch Oxide gemeint. Typischerweise ist das erste Material ein Stoff, die eine Sprungtemperatur oberhalb von -196°C, der Siedetemperatur von flüssigem Stickstoff, aufweist. Insbesondere weist das Material aus der Gruppe der Cuprate bei Raumtemperatur eine elektrische Leitfähigkeit auf, die zwischen der eines guten Leiters und der eines Isolators liegt. Die genannte elektrische Leitfähigkeit des Materials kann zwischen 10⁴ S/m und 10⁷ S/m, insbesondere zwischen 5*10⁴ S/m und 3*10⁶ S/m, bevorzugt zwischen 8*10⁴ S/m und 1,2*10⁵ S/m betragen.
Die Gruppe der Cuprate umfasst unter anderem LaBaCuO, LaSrCuo, YBaCuO, BiSrCaCuO, BiSrCuOCO, TIBaCaCuO, HgBaCaCuO, HgTIBaCaCuO, BaCaCuO, BaCaCuCO, SrKCuOCI. Hierbei sind lediglich die enthaltenen Elemente, nicht jedoch die korrekten stöchiometrischen Verhältnisse angegeben.
Die Gruppe der Cuprate umfasst unter anderem La₄BaCu₅O₁₃, La_2-xBa_xCuO, La_1,8Sr_0,2CuO₄, YBa₂Cu₃O₇, Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀, Bi₂Sr₂CaCu₂O₈, Bi₂Sr₂CuO₆, HgBa₂Ca₂Cu₃O₈, HgBa₂Ca₂Cu₃O₉, Y₂Ba₄Cu₇O₁₅, Hg_0.8Tl_0.2Ba₂Ca₂Cu₃O_8.33, Hg₁₂Tl₃Ba₃₀Ca₃₀CU₄₅O₁₂₇, HgBa₂CaCu₂O₆, Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀, Pb₂Sr₂YCu₃O₈, Nd₂CuO₄, Ca_0,84Sr_0,16CuO₂, TIBa₂(Eu,Ce)₂Cu₂O₉, GaSr₂(Y,Ca)Cu₂O₇, Pb₂Sr₂Y_1-xCa_xCu₃O₈, Sr_3-xK_xCu₂O₄Cl₂, Sr_2-xK_xCuO₂Cl₂, NbSr₂(Nd,Ce)₂Cu₂O₁₀, (Sr,Ca)CuO₂, YBa₂Cu₃O₇, YBa₂Cu₃O_7-x, YBa₂Cu₃0_7-δ, beispielsweise mit δ zwischen 0,05 und 0,65, auch bezeichnet als YBCO, YBaCuO, Y-123, 123-Oxid oder „123 compound“. In einer Ausführungsform ist das erste Material Yttrium-Barium-Kupferoxid. Dieses weist eine hohe Sprungtemperatur und eine gute Verfügbarkeit auf.
Die Temperatur T meint die Temperatur zu Beginn der Wirkung des elektrischen Feldes auf das Ausgangsmaterial. Das Ausgangsmaterial wird insbesondere nicht erwärmt, bevor es dem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Dennoch ist es möglich, dass die Temperatur durch die Wirkung des elektrischen Feldes punktuell auf Werte oberhalb von 500°C, 400°C, 300°C, 200°C, oder 100°C steigt. Insbesondere liegt diese Temperatur jedoch deutlich unterhalb von 800°C. Die Temperatur T kann z. B. eine mittlere Temperatur im Inneren des Ausgangsmaterials beschreiben.
Insbesondere ist die Temperatur T geringer als 700°C, geringer als 600°C, geringer als 500°C, geringer als 400°C, geringer als 300°C, geringer als 200°C oder geringer als 150°C. Es hat sich überraschend gezeigt, dass bei diesen Temperaturen eine Verdichtung ähnlich einem herkömmlichen Sinterprozess möglich ist.
Die Temperatur T ist höher als die Sprungtemperatur des Ausgangsmaterials und/oder des ersten Materials. Bei der Sprungtemperatur strebt der elektrische Widerstand sprunghaft gegen null. Bei geringeren Temperaturen kommt es aufgrund des mangelnden elektrischen Widerstands zu einem Kurzschluss und es findet nur geringe oder keine Verdichtung statt. Insbesondere ist die Temperatur höher als -150°C, beispielsweise höher als -125°C, bevorzugt höher als -100°C, in einer Ausführungsform höher als -75°C, beispielsweise höher als -50°C, insbesondere höher als -25°C und in einem Beispiel höher als 0°C.
In einer Ausgestaltung ist die Temperatur T geringer als 100°C, insbesondere geringer als 50°C. In einer Ausführungsform ist die Temperatur geringer als 80°C, geringer als 70°C, geringer als 60°C, geringer als 40°C, geringer als 30°C oder geringer als 25°C. Sie kann der Raumtemperatur entsprechen oder geringer sein als die Raumtemperatur.
In einer Ausgestaltung wird das Ausgangsmaterial dem elektrischen Feld für eine Zeitdauer von weniger als 10 min, bevorzugt weniger als 1 min, ausgesetzt.
In Versuchen hat sich erwiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine vollständige Verdichtung bereits innerhalb der genannten kurzen Zeitdauer erlaubt. Die Verdichtung ist hinsichtlich der wesentlichen Parameter wie Schwindung, Veränderung der Porosität, Dichtezunahme und/oder Festigkeit vergleichbar mit herkömmlichen Verfahren, die mit einem um Größenordnungen höheren Zeitaufwand verbunden sind. Somit wird ein besonders schnelles, ressourcensparendes und kostengünstiges Verfahren bereitgestellt.
In einer Ausgestaltung wird das Ausgangsmaterial dem elektrischen Feld unter Atmosphärendruck ausgesetzt.
Mit anderen Worten wird das Verfahren ohne Ausüben eines Drucks ausgeführt. Es wird kein zusätzlicher Druck zum Atmosphärendruck aufgebaut. Durch die Gravitation ist weiter unten befindliches Ausgangsmaterial zusätzlich zum Atmosphärendruck einem Druck durch das weiter oben befindliche Ausgangsmaterial unterworfen. Dies soll hier allerdings vernachlässigt werden. In einer Ausführungsform beträgt der maximale Druck im Ausgangsmaterial zu Beginn bzw. kurz vor Beginn der Wirkung des elektrischen Feldes weniger als 1,6 bar, bevorzugt weniger als 1,4 bar und besonders bevorzugt weniger als 1,2 bar oder weniger als 1,1 bar.
In einer Ausführungsform wird das Ausgangsmaterial vor der Wirkung des elektrischen Feldes mechanisch kompaktiert, insbesondere durch Pressen. Das Ausgangsmaterial kann uniaxial oder isostatisch gepresst werden. Beispielsweise kann ein Vorformling bzw. Grünling hergestellt werden. Auf diese Weise können komplexere verdichtete Bauteile hergestellt werden. Auch die Anordnung von Elektroden zum Anlegen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms ist dadurch einfacher und auf besonders reproduzierbare Weise möglich. Darüber hinaus wird eine besonders gleichförmige Verteilung der Körner und/oder Poren gewährleistet, was besonders homogene verdichtete Bauteile ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das elektrische Feld eine elektrische Feldstärke größer als 50 V/cm auf. Insbesondere beträgt die elektrische Feldstärke zwischen 100 V/cm und 5 kV/cm. Insbesondere ist die mittlere Feldstärke gemeint, die auf das Ausgangsmaterial wirkt.
Beim Sintern herkömmlicher Keramiken ist die benötigte Feldstärke bei höheren Temperaturen niedriger und umgekehrt. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Materialien aus der Gruppe der Cuprate ist dies beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht der Fall. Die benötigte elektrische Feldstärke steigt hier mit steigender Temperatur. So kann eine Verdichtung eines Ausgangsmaterials bei Raumtemperatur mit 300 V/cm möglich sein, während für die Verdichtung desselben Ausgangsmaterials bei einer Temperatur von -100°C lediglich ein Feld von 50 V/cm benötigt wird. Hier gilt es zwischen den Vor- und Nachteilen der sehr niedrigen Temperaturen abzuwägen. Zwar kann bei niedrigen Temperaturen eine Energieeinsparung erzielt werden, doch ist der Aufwand für eine ggf. notwendige Kühlung höher.
In einer Ausführungsform weist das Ausgangsmaterial einen Massenanteil des ersten Materials aus der Gruppe der Cuprate zwischen 50% und 100% auf.
In einer Ausgestaltung weist das Ausgangsmaterial einen Massenanteil eines zweiten Materials zwischen 0% und 50% auf.
Das zweite Material ist vom ersten Material unterschiedlich. Insbesondere enthält es kein Cuprat. Es hat sich erwiesen, dass die Verdichtung bei niedrigen Temperaturen auch möglich ist, wenn lediglich ein Anteil des Ausgangsmaterials ein Cuprat ist. Dies ist ab einem Cuprat-Anteil von ungefähr 50% möglich. Auf diese Weise sind vielfältige Möglichkeiten gegeben, durch geeignete Beimengungen die Eigenschaften des verdichteten Bauteils an die jeweiligen Anforderungen anzupassen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das zweite Material ein elektrisch isolierendes Material, insbesondere ein keramisches Material.
Derartige Materialien können bisher nicht bei niedrigen Temperaturen verdichtet werden. Es war bislang eine Erwärmung auf hohe Temperaturen von beispielswiese 1400°C bis 1600°C notwendig. Die Beimengung des ersten Materials ermöglicht nun erstmalig eine Verdichtung bei niedriger Temperatur, die noch dazu sehr schnell ist. Die Leistungsaufnahme des Ausgangsmaterials wird durch das erste Material gewährleistet. Somit können durch unterschiedliche Mischungen verschiedenste Materialzusammensetzungen mit den jeweilig gewünschten Eigenschaften hergestellt und verdichtet werden.
Beispielsweise ist das zweite Material ein Aluminiumoxid. Aluminiumoxid ist eine weit verbreitete technische Keramik mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Aluminiumoxid ist bislang schwierig zu sintern, da es selbst bei hohen Temperaturen elektrisch isolierende Eigenschaften hat. Erfindungsgemäß wird über die Kombination mit Cuprat ein „indirektes“ Sintern von Aluminiumoxid ermöglicht.
In einer Ausführungsform enthält das Ausgangsmaterial einen Massenanteil zwischen 0% und 99% eines zweiten Materials sowie einen Massenanteil zwischen 0% und 99% eines dritten Materials, optional einen Massenanteil zwischen 0% und 99% eines vierten Materials und gegebenenfalls einen Massenanteil zwischen 0% und 99% eines fünften Materials. Die Massenanteile des zweiten, dritten, vierten und/oder fünften Materials können unterhalb von 40% liegen. Sie können unterhalb von 20% liegen. Sie können unterhalb von 10% liegen. Sie können unterhalb von 5% liegen. Das zweite, dritte, vierte und/oder fünfte Material kann ein isolierendes keramisches Material sein.
In einer Ausgestaltung besteht zumindest ein erster Bereich, insbesondere zumindest eine erste Schicht, des Ausgangsmaterials im Wesentlichen aus dem ersten Material. Zumindest ein zweiter Bereich, insbesondere zumindest eine zweite Schicht, des Ausgangsmaterials besteht im Wesentlichen aus dem zweiten Material.
Mit anderen Worten ist eine bereichsweise, beispielsweise schichtweise Anordnung der beiden Materialien möglich. In einer Ausführungsform besteht das Ausgangsmaterial aus einer ersten Schicht und einer insbesondere unmittelbar benachbart angeordneten zweiten Schicht. In einer Ausführungsform umfasst das Ausgangsmaterial drei Schichten, wobei eine zweite Schicht zwischen zwei ersten Schichten angeordnet ist. Insbesondere sind die drei Schichten jeweils unmittelbar benachbart angeordnet. Das Ausgangsmaterial kann aus den drei Schichten bestehen.
In einer Ausführungsform ist ein Bereich des ersten Materials von zweitem Material umgeben. Demnach liegt ein Bereich des ersten Materials entlang zumindest einer Blickrichtung zwischen zweitem Material. Das zweite Material kann als Beschichtung des ersten Materials angeordnet sein. Dadurch können die Eigenschaften des verdichteten Bauteils beeinflusst werden.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst zumindest ein dritter Bereich des Ausgangsmaterials eine Mischung aus dem ersten Material und dem zweiten Material. Vorzugsweise ist die Mischung im Wesentlichen homogen.
Zumindest ein Bereich enthält also eine im Wesentlichen gleichförmige Mischung zweier unterschiedlicher Arten von Partikel, wobei zumindest eine Art der Partikel Cuprat-Partikel sind. Der dritte Bereich kann aus der Mischung aus dem ersten Material und dem zweiten Material bestehen. Homogen meint insbesondere eine gleichförmige Mischung der unterschiedlichen Partikel. Es kann auf diese Weise ein homogenes verdichtetes Bauteil mit gewünschten Eigenschaften hergestellt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist eine mittlere Korngröße des verdichteten Bauteils um einen Faktor F größer ist als eine mittlere Korngröße des Ausgangsmaterials. Es gilt: F < 5, insbesondere F < 2, bevorzugt F < 1,25.
Die mittlere Korngröße meint insbesondere den Mittelwert oder Median des Korndurchmessers. Die durch das beschriebene Verfahren hergestellten verdichteten Bauteile sind insbesondere daran erkennbar, dass ihre Korngröße im Gegensatz zu mit herkömmlichen Verfahren hergestellten verdichteten Bauteilen aufgrund der niedrigen Temperatur und der kurzen Verdichtungszeit nicht wesentlich vergrößert wird. Bei herkömmlichen Verfahren kann der Faktor F zwischen 50 und 100 oder höher liegen. Demnach entspricht die Korngröße nach der erfindungsgemäßen Verdichtung im Wesentlichen der Korngröße vor der Verdichtung. Bei gleichen Korngrößen ist also die Korngröße bei mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteilen wesentlich geringer. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind Bauteile mit sehr geringen Korngrößen herstellbar. Die Korngrößen sind jeweiligen Anforderungen entsprechend einstellbar.
Eine mittlere Korngröße des Ausgangsmaterials und/oder des verdichteten Bauteils kann zwischen 0.1 µm und 100 µm, bevorzugt zwischen 0.5 µm und 50 µm, besonders bevorzugt zwischen 0,8 µm und 25 µm und beispielsweise zwischen 1 µm und 10 µm betragen. Die mittlere Korngröße kann beispielsweise durch Rasterelektronenmikroskopie und Bilddatenauswertung ermittelt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Gegenstand, der ein verdichtetes Bauteil umfasst. Das verdichtete Bauteil wurde dadurch hergestellt, dass ein Ausgangsmaterial bei einer Temperatur unterhalb von 800°C einem elektrischen Feld ausgesetzt wurde. Das Ausgangsmaterial umfasst ein erstes Material aus der Gruppe der Cuprate.
Insbesondere wurde das verdichtete Bauteil mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Alle Merkmale, Ausführungsformen und Wirkungen des eingangs beschriebenen Verfahrens gelten entsprechend auch für den Gegenstand. Umgekehrt gelten alle hier aufgeführten Merkmale, Ausführungsformen und Wirkungen ebenso für das Verfahren.
Der Gegenstand kann das Bauteil sein, beispielsweise ein keramischer Supraleiter. Der Gegenstand kann neben dem Bauteil weitere Elemente umfassen.
Das verdichtetes Bauteil umfasst ein Material aus der Gruppe der Cuprate. Typischerweise weist es eine mittlere Korngröße des verdichteten Bauteils auf, die um einen Faktor F größer ist als eine mittlere Korngröße des Ausgangsmaterials, wobei gilt: F < 5, insbesondere F < 2, bevorzugt F < 1,25. Typischerweise ist es anhand seiner Eigenschaften als verdichtetes bzw. gesintertes Bauteil erkennbar. In einer Ausgestaltung weist das Bauteil eine mittlere Korngröße zwischen 0,8 µm und 20 µm, bevorzugt zwischen 1 µm und 10 µm, auf.
In einer Ausgestaltung ist das Bauteil ein keramischer Supraleiter. Ein keramischer Supraleiter ist ein keramisches Material, dessen elektrischer Widerstand beim Erreichen bzw. Unterschreiten der Sprungtemperatur abrupt gegen null strebt. Insbesondere ist das Bauteil ein Hochtemperatursupraleiter. Es hat sich gezeigt, dass Supraleiter auf beschriebene Weise besonders einfach und mit geringem technischem Aufwand herstellbar sind.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Gegenstand ein Elektromagnet und das Bauteil ist als Spulenwicklung des Elektromagneten angeordnet. Der Elektromagnet kann durch die äußerst geringen widerstandsbedingten Verluste eines Supraleiters hohe Magnetfelder mit geringem Energieeinsatz erzeugen. Insbesondere der Elektromagnet ein Gleichstrommagnet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Gegenstand eine Einrichtung zur Erzeugung von Licht. Der Gegenstand ist so ausgestaltet, dass das Bauteil zwecks Emission von Licht einer elektrischen Spannung und/oder einem elektrischen Feld ausgesetzt werden kann. Der Gegenstand kann eine Energieversorgungseinrichtung zum Aussetzen des Bauteils einer elektrischen Spannung und/oder einem elektrischen Feld umfassen. Der Gegenstand kann so eingerichtet sein, dass das Bauteil bei der Erzeugung von Licht eine Temperatur unterhalb von 0°C aufweist.
Ein weiterer Aspekt ist die Verwendung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten verdichteten Bauteils oder eines erfindungsgemäßen Gegenstands zur Erzeugung von Licht, bei dem das Bauteil einer elektrischen Spannung und/oder einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, so dass das Bauteil Licht emittiert. Insbesondere erfolgt dies bei einer Temperatur unterhalb von 0°C. Alle Merkmale, Ausführungsformen und Wirkungen des eingangs beschriebenen Verfahrens und des Gegenstands gelten entsprechend auch für die Verwendung.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung auch anhand von Figuren näher erläutert. Merkmale der Ausführungsbeispiele können einzeln oder in einer Mehrzahl mit den beanspruchten Gegenständen kombiniert werden, sofern nichts Gegenteiliges angegeben wird. Die beanspruchten Schutzbereiche sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
Es zeigen:

1: ein Verfahren zum Herstellen eines verdichteten Bauteils,
2: eine erste Ausführungsform eines Bauteils,
3: eine zweite Ausführungsform eines Bauteils, und
4: eine dritte Ausführungsform eines Bauteils.

1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Herstellen eines verdichteten Bauteils 10. Ein Ausgangsmaterial 20 wird einem elektrischen Feld 12 ausgesetzt. Dabei wirkt, insbesondere zu Beginn der Wirkung des elektrischen Feldes 12, eine Temperatur T unterhalb von 800°C auf das Ausgangsmaterial 20. Die Temperatur T entspricht typischerweise der Raumtemperatur. Mit anderen Worten wird das Bauteil weder vor noch während der Wirkung des elektrischen Feldes 12 erwärmt. Das elektrische Feld 12 wirkt für eine Zeitdauer t von etwa 30 Sekunden. Es wird kein Druck aufgebracht, sodass das Ausgangsmaterial 20 dem elektrischen Feld 12 unter dem herrschenden Atmosphärendruck P ausgesetzt wird. Die elektrische Feldstärke wird, ausgehend von 0 und/oder bis zu einem Maximalwert von 1 kV/cm, kontinuierlich erhöht.
2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines Ausgangsmaterials 20 zur Herstellung eines verdichteten Bauteils. Das Ausgangsmaterial 20 umfasst einen dritten Bereich 28, der eine homogene Mischung aus einem ersten Material 14 aus der Gruppe der Cuprate und einem zweiten Material 16 umfasst. Insbesondere besteht das Ausgangsmaterial 20 aus dem dritten Bereich 28. Das zweite Material 16 unterscheidet sich vom ersten Material 14 und enthält insbesondere kein Cuprat. Durch geeignete Beimengungen des zweiten Materials 16 können gezielt Eigenschaften des verdichteten Bauteils eingestellt werden. Gleichzeitig ist eine Verdichtung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Ausgangsmaterials 20. Das Ausgangsmaterial 20 umfasst einen ersten Bereich 24 und einen zweiten Bereich 26, die in Form von Schichten ausgestaltet sind und unmittelbar aneinander angrenzen. Der erste Bereich 24 ist aus dem ersten Material 14 aus der Gruppe der Cuprate hergestellt. Der zweite Bereich 26 ist aus dem zweiten Material 16 hergestellt, das sich vom ersten Material 14 unterscheidet und insbesondere kein Cuprat enthält. Die Beschichtung des ersten Bereichs 24 mit dem zweiten Material 16 kann so erfolgen, dass Eigenschaften des verdichteten Bauteils auf gewünschte Weise beeinflusst werden. Beispielsweise kann eine Farbtemperatur des emittierten Lichts auf gewünschte Weise eingestellt werden.
4 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Ausgangsmaterials 20. Das Ausgangsmaterial 20 umfasst einen zweiten Bereich 26, der sandwichartig zwischen zwei insbesondere gleichartig ausgestalteten ersten Bereichen 24 angeordnet ist. Insbesondere besteht das Ausgangsmaterial 20 aus den genannten Bereichen 24 und 26. Auch hier ist der erste Bereich 24 aus dem ersten Material 14 aus der Gruppe der Cuprate hergestellt und der zweite Bereich 26 ist aus dem zweiten Material 16 hergestellt, das sich vom ersten Material 14 unterscheidet und insbesondere kein Cuprat enthält. Die ersten Bereiche 24 und der zweite Bereich 26 sind in aufeinanderliegenden Schichten angeordnet.
Die in den schematischen 2 bis 4 gezeigten Schichtdicken sowie deren Verhältnisse sind nicht maßstäblich. Die Bereiche 14 und 16 können gleiche oder unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Die Schichtdicke des ersten Bereichs 14 kann größer, kleiner oder gleich der Schichtdicke des zweiten Bereich 16 sein.
Bezugszeichenliste

10: Bauteil
20: Ausgangsmaterial
14: Erstes Material
16: Zweites Material
24: Erster Bereich
26: Zweiter Bereich
28: Dritter Bereich
T: Temperatur
t: Zeitdauer
P: Atmosphärendruck

Claims

Verfahren zum Herstellen eines verdichteten Bauteils (10), bei dem ein Ausgangsmaterial (20), umfassend ein erstes Material (14) aus der Gruppe der Cuprate, bei einer Temperatur (T) unterhalb von 800°C einem elektrischen Feld (12) ausgesetzt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) geringer ist als 100°C, insbesondere geringer als 50°C.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (20) dem elektrischen Feld (12) für eine Zeitdauer (t) von weniger als 10 min, bevorzugt weniger als 1 min, ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (20) dem elektrischen Feld (12) unter Atmosphärendruck (P) ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld (12) eine elektrische Feldstärke größer als 50 V/cm aufweist, wobei die elektrische Feldstärke insbesondere zwischen 100 V/cm und 5 kV/cm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (20) einen Massenanteil zwischen 0% und 50% eines zweiten Materials (16) aufweist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (16) ein elektrisch isolierendes Material, insbesondere ein keramisches Material wie beispielsweise Aluminiumoxid, ist.
Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Bereich (24), insbesondere zumindest eine erste Schicht, des Ausgangsmaterials (20) im Wesentlichen aus dem ersten Material (14) besteht und zumindest ein zweiter Bereich (26), insbesondere zumindest eine zweite Schicht, des Ausgangsmaterials (20) im Wesentlichen aus dem zweiten Material (16) besteht.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein dritter Bereich (28) des Ausgangsmaterials (20) eine vorzugsweise im Wesentlichen homogene Mischung aus dem ersten Material (14) und dem zweiten Material (16) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Korngröße des verdichteten Bauteils (10) um einen Faktor F größer ist als eine mittlere Korngröße des Ausgangsmaterials (20), wobei gilt: F < 5, insbesondere F < 2, bevorzugt F < 1,25.
Gegenstand, umfassend ein verdichtetes Bauteil (10), das dadurch hergestellt wurde, dass ein Ausgangsmaterial (20), umfassend ein erstes Material (14) aus der Gruppe der Cuprate, bei einer Temperatur (T) unterhalb von 800°C einem elektrischen Feld (12) ausgesetzt wurde.
Gegenstand nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) ein keramischer Supraleiter ist.
Gegenstand nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand ein Elektromagnet ist und das Bauteil (10) als Spulenwicklung des Elektromagneten angeordnet ist.
Gegenstand nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) eine mittlere Korngröße zwischen 0,8 µm und 20 µm, bevorzugt zwischen 1 µm und 10 µm, aufweist.
Gegenstand nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand eine Einrichtung zur Erzeugung von Licht ist, wobei der Gegenstand so ausgestaltet ist, dass das Bauteil (10) zwecks Emission von Licht einer elektrischen Spannung und/oder einem elektrischen Feld ausgesetzt werden kann.