DE10313847A1 - Shaped ceramic body with irregular structure gradient, e.g. useful for filter, comprises at least two layers partially or completely one on another, with changing structural characteristic at transition between layers - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Keramik und betrifft keramische Formkörper mit sprunghaftem Strukturgradienten, wie sie beispielsweise als Filter, Brennerelemente, Katalysatorträger oder Wärmedämmplatten zur Anwendung kommen können und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.The invention relates to the Field of ceramics and relates to shaped ceramic bodies with a sudden structural gradient, as for example as a filter, burner elements, catalyst support or thermal insulation panels can be used and a process for their preparation.
Die Elektrophorese ist eines der vier grundlegenden elektrokinetischen Phänomene neben dem Strömungspotenial, der Elektroosmose und dem Sedimentationspotential. Unter Elektrophorese wird die Wanderung elektrisch geladener Partikel in einem elektrischen Feld verstanden. Auf den Gebieten der klassischen Keramik und der Hochleistungskeramik wird die elektrophoretische Abscheidung oberflächlich geladener Pulverpartikel aus wässrigen oder nichtwässrigen Suspensionen im Gleichspannungsfeld an eine Elektrode vielfältig als defektarmes Formgebungsverfahren angewandt.Electrophoresis is one of the four basic electrokinetic phenomena besides the flow potential, electroosmosis and sedimentation potential. Under electrophoresis is the migration of electrically charged particles in an electrical Field understood. In the fields of classical ceramics and the High-performance ceramics, the electrophoretic deposition is superficially charged Powder particles from aqueous or non-aqueous Suspensions in the DC field to an electrode manifold as low-defect forming method applied.
Die elektrophoretische Formgebung ist ein preisgünstiges Verfahren, welches seit vielen Jahren genutzt wird, um keramische Grünkörper und Schichten mit unterschiedlichen Formen für Anwendungen als Keramik/Keramik- und Metall/Keramik-Komposite oder für dünne oder dicke Schichten für elektronische Anwendungen zu erzeugen (P. Sarkar u.a., J. Am. Ceram. Soc., 79 1987 (1996); L. Vandeperre u.a., Key Engineering Mat. 132–136, 2013 (1997); N. Koura u.a., J. Ceram. Soc. Jpn, Int. Edition 104, 810 (1996)).Electrophoretic shaping is a cheap Process that has been used for many years to produce ceramic Green body and Layers of different shapes for applications as ceramic / ceramic and metal / ceramic composites or for thin or thick layers for electronic applications Sarkar et al., J. Am. Ceram. Soc., 79, 1987 (1996); L. Vandeperre et al., Key Engineering Mat. 132-136, 2013 (1997); N. Koura et al., J. Ceram. Soc. Jpn, Int. Edition 104, 810 (1996)).
Besonders geeignet ist dieses Formgebungsverfahren zur Erzeugung von gleichmäßigen Partikelschichten mit hohen Gründichten (50–60 % der theoretischen Werkstoffdichte) und einstellbarer Dicke. Grundvoraussetzungen für die elektrophoretische Abscheidung sind dabei stets stabile Suspensionen aus Pulverteilchen, die eine ausreichende Oberflächenladung tragen müssen, um im elektrischen Feld zur Abscheidungselektrode transportiert werden zu können. Die Partikel können dabei positiv oder negativ geladen sein und wandern je nach Ladung zur Kathode oder Anode.This shaping method is particularly suitable for the production of uniform particle layers with high green densities (50-60 % of the theoretical material density) and adjustable thickness. basic requirements for the Electrophoretic deposition are always stable suspensions from powder particles which have to carry a sufficient surface charge to be transported in the electric field to the deposition electrode to be able to. The particles can be positively or negatively charged and migrate depending on the charge to the cathode or anode.
In der
Die Erzeugung dünner, dichter keramischer Schichten
auf Edelmetallen über
die Elektrophorese wird in der
Die Abscheidung dichter Keramikteile
aus wässrigen
Suspensionen wird in der
In der WO 9523246 wird die elektrophoretische Abscheidung defektfreier Metalloxidschichten aus kolloidalen Solen beschrieben. Die elektrolytische Zersetzung des im Sol enthaltenen Wassers oberhalb einer Spannung von 3 V wird aufgrund der Entstehung von Gasblasen an den Elektroden während der Abscheidung und der damit zusammenhängenden Bildung von Lücken, Fehlstellen und unebenen Schichten ebenfalls als problematisch dargestellt und dadurch vermieden, dass ein Strom von Gasblasen über das Substrat geleitet wird, um den entstehenden Wasserstoff vom Substrat zu entfernen.In WO 9523246, the electrophoretic Deposition of defect-free metal oxide layers from colloidal sols described. The electrolytic decomposition of the sol contained in the sol Water above a voltage of 3 V is due to the formation of gas bubbles at the electrodes during the deposition and the related Formation of gaps, Defects and uneven layers also presented as problematic and avoided by passing a stream of gas bubbles across the substrate, to remove the resulting hydrogen from the substrate.
Eine weitere Möglichkeit der Herstellung dichter
Aluminiumoxidformkörper
aus wässrigen
Dispersionen wird in der
In der
Die Herstellung keramischer Körper mit
konischen Poren über
elektrophoretische Formgebung wird in der
In der WO 0186030 werden elektrisch leitfähige Fasern oder Bündel von Fasern genutzt, um elektrophoretisch aus nichtwässrigen Suspensionen keramische Partikel darauf abzuscheiden und auf diese Weise poröse keramische Hohlmembranen herzustellen. Der hohle Kern der Membranen entsteht dabei durch das im Anschluss an die elektrophoretische Abscheidung durchgeführte Ausbrennen der Faser oder des Faserbündels. Die Hohlmembranen können aus Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid bestehen. Die Porosität der Membranen kann durch Zusatz von Ruß, Kohlenstoff, Graphit, unterschiedliche Polymerpulver oder cellulosebasierende Pulver, die den keramischen Ausgangspulvern zugegeben werden, eingestellt werden.In WO 0186030 are electrically conductive Fibers or bundles used by fibers to electrophoretically non-aqueous Suspensions ceramic particles deposit on it and on this Way porous produce ceramic hollow membranes. The hollow core of the membranes arises from the subsequent electrophoretic Deposition carried out Burning out the fiber or fiber bundle. The hollow membranes can be made Alumina or zirconia exist. The porosity of the membranes can by adding carbon black, Carbon, graphite, different polymer powder or cellulose-based Powders that are added to the ceramic starting powders set become.
Allen angeführten Veröffentlichungen ist gemeinsam, dass entweder dichte Formkörper oder Schichten oder ausschließlich poröse Formkörper oder Schichten per elektrophoretischer Abscheidung hergestellt werden. Im Falle poröser Formkörper oder Schichten kann die Einstellung der Porosität entweder durch die bei der Elektrolyse des Wassers entstehenden Gase oder durch das Ausbrennen partikulärer oder faserförmiger Kohlenstoff- oder kohlenstoffhaltiger Materialien erfolgen.All cited publications are common, that either dense molded body or layers or exclusively porous Moldings or Layers are prepared by electrophoretic deposition. In case of porous Moldings or Layers can be used to adjust the porosity either by the at Electrolysis of the water resulting gases or by burning out particulate or fibrous Carbon or carbonaceous materials.
Auf die Herstellung laminierter Grünkörper über Elektrophorese wird in der WO 9848084 eingegangen. Keramische Schichten unterschiedlicher Zusammensetzungsverhältnisse von Al2O3/ZrO2 werden in aufeinanderfolgenden Schritten in Schichtdicken von 20 bis 40 μm und 30 bis 50 μm auf einer Elektrode aus einer organischen Suspension heraus abgeschieden. Die Dichten der abgeschiedenen Schichten betragen dabei bis zu 70 % der theoretischen Dichte. Zur Abscheidung der jeweils nachfolgenden Schicht muss die Suspension gewechselt werden.The production of laminated green bodies by electrophoresis is discussed in WO 9848084. Ceramic layers of different composition ratios of Al 2 O 3 / ZrO 2 are deposited in successive steps in layer thicknesses of 20 to 40 μm and 30 to 50 μm on an electrode made of an organic suspension. The densities of the deposited layers amount to up to 70% of the theoretical density. In order to separate the respective subsequent layer, the suspension must be changed.
In C. Kaya, u.a., Acta mater. 49, 1189–1197 (2001) wird die Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten Aluminiumoxidmatrixkompositen auf der Basis von nickelbeschichteten Kohlenstofffasern, die über einen elektrophoretischen Abscheidungsprozess unter Vakuum infiltriert wurden, berichtet. Diese Technik erlaubt den keramischen Partikeln sehr effektiv die Zwischenräume zwischen den Einzelfasern auszufüllen. Die keramischen Partikel müssen dabei entweder als Solpartikel oder nanoskalige Pulverteilchen vorliegen, um ein Eindringen in die Faserstrukturen zu ermöglichen. Die Nickelbeschichtung verleiht den Kohlenstofffasern eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und gute Benetzbarkeit.In C. Kaya, et al., Acta mater. 49, 1189-1197 (2001) becomes the production of carbon fiber reinforced alumina matrix composites based on nickel-coated carbon fibers, which have a electrophoretic deposition process infiltrated under vacuum were reported. This technique allows the ceramic particles very effective the gaps between the individual fibers. The ceramic particles need present either as sol particles or nanoscale powder particles, to allow penetration into the fiber structures. The nickel coating gives the carbon fibers excellent electrical conductivity and good wettability.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, keramische Formkörper mit sprunghaftem Strukturgradienten anzugeben, die die unterschiedlichsten Werkstoffeigenschaften in einem Formkörper vereinen können und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.The invention is based on the object, ceramic moldings indicate with a sudden structural gradient, the most diverse material properties in a shaped body can unite and a process for their preparation.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The task is through in the claims specified invention solved. Further developments are the subject of the dependent claims.
Der erfindungsgemäße keramische Formkörper mit sprunghaftem Strukturgradienten besteht aus mindestens zwei ganz oder teilweise übereinander angeordneten Schichten gleicher oder unterschiedlicher Dicke, wobei der Übergang zwischen den Schichten jeweils durch mindestens ein sprunghaft geändertes Strukturmerkmal charakterisiert ist.The ceramic molding according to the invention with leaky structure gradient consists of at least two whole or partially over each other arranged layers of equal or different thickness, wherein the transition between the layers, each by at least one step change Characteristic feature is characterized.
Vorteilhafterweise bestehen die mindestens zwei Schichten aus dem gleichen keramischen Material oder aus unterschiedlichen keramischen Materialien.Advantageously, the at least two exist Layers of the same ceramic material or different ceramic materials.
Weiterhin vorteilhafterweise beträgt die Bedeckung der mindestens ersten Schicht von der mindestens zweiten Schicht zwischen 20 und 100 %.Further advantageously, the coverage is the at least first layer of the at least second layer between 20 and 100%.
Es ist auch von Vorteil, wenn die Schichtdicken mindestens 1 um betragen.It is also beneficial if the Layer thicknesses at least 1 um.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn der sprunghafte Übergang der Struktur der Schichten durch eine Änderung von mindestens 10 % eines Strukturmerkmales oder einer sich aus einem Strukturmerkmal ergebenden Eigenschaft gekennzeichnet ist.It is also advantageous if the erratic transition the structure of the layers by a change of at least 10% a structural feature or a structural feature resulting property is characterized.
Auch vorteilhaft ist es, wenn die Strukturänderungen hinsichtlich der Porosität und/oder der Dichte und/oder der Porenstruktur vorliegen.It is also advantageous if the structural changes in terms of porosity and / or the density and / or the pore structure.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers wird eine Suspension aus keramischen pulverförmigen Materialien hergestellt. Die keramischen pulverförmigen Materialien sind vorteilhafterweise ZrO2, Al2O3, TiO2, Y2O3, SiC, SiO2, Si3N4, AlN, Mullit, Cordierit, PZT, BaTiO3, SnO2, YBaCu sowie Gemische dieser Materialien.In the method according to the invention for producing a ceramic shaped body, a suspension of ceramic powdery materials is produced. The ceramic powdery materials are advantageously ZrO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , Y 2 O 3 , SiC, SiO 2 , Si 3 N 4 , AlN, mullite, cordierite, PZT, BaTiO 3 , SnO 2 , YBaCu and mixtures thereof Materials.
In einer Elektrophoresevorrichtung wird dann eine Elektrode mit einem elektrisch leitfähigen Fasergebilde kontaktiert oder eine Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen Fasergebilde hergestellt. Danach wird entweder auf das leitfähige Fasergebilde ein weiteres Fasergebilde mit anderer Faserstruktur und/oder Faseranordnung aufgebracht oder nicht. Anschließend wird die Abscheidung der suspendierten keramischen Pulver auf elektrophoretischem Wege auf und in dem oder den Fasergebilden unter im wesentlichen vollständiger Auffüllung aller Hohlräume in dem oder den Fasergebilden durchgeführt. Zur Realisierung der mindestens zweiten oder dritten Schicht ganz oder teilweise auf der Oberfläche der ersten oder zweiten Schicht wird dann die Abscheidung mit den gleichen oder anderen keramischen Materialien fortgesetzt, wobei andere keramische Materialien durch Wechseln der Suspension eingebracht werden. Anschließend wird nach der Trocknung des Grünkörpers die Sinterung zu einem Formkörper durchgeführt.In an electrophoresis device, an electrode is then contacted with an electrically conductive fiber structure or an electrode made of an electrically conductive fiber structure. Thereafter, either another fiber structure with a different fiber structure and / or fiber arrangement is applied to the conductive fiber structure or not. Subsequently, the deposition of the suspended ceramic powders is carried out by electrophoresis on and in the fiber structure (s), with substantially complete filling of all voids in the fiber structure (s). In order to realize the at least second or third layer completely or partially on the surface of the first or second layer, the deposition is then continued with the same or other ceramic materials, wherein other ceramic materials are introduced by changing the suspension. Subsequently, after the drying of the green body, the sintering is carried out to form a shaped body.
Auch vorteilhaft ist es, wenn die keramischen pulverförmigen Materialien Partikelgrößen zwischen 10 nm und 3 μm, besonders vorteilhaft zwischen 10 und 250 nm, aufweisen.It is also advantageous if the ceramic powdery Materials particle sizes between 10 nm and 3 μm, particularly advantageous between 10 and 250 nm.
Vorteilhaft ist es auch, wenn eine Suspension auf der Grundlage von polaren organischen Lösungsmitteln oder Wasser eingesetzt wird, wobei die Suspension vorteilhafterweise eine Feststoffbeladung von 0,1 bis 65 Ma.-% aufweist.It is also advantageous if a Suspension based on polar organic solvents or water is used, the suspension advantageously has a solids loading of 0.1 to 65 wt .-%.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden der Suspension aus den keramischen Materialien bekannte Dispergierhilfsmittel, Polyelektrolyte, Ionen und/oder andere bekannte Materialien zugegeben, wobei auch über eine pH-Wert-Einstellung die Stabilität der Suspension beeinflusst werden kann.Also advantageously be the suspension of the ceramic materials known dispersing aids, Added polyelectrolytes, ions and / or other known materials, being also over a pH adjustment influences the stability of the suspension can be.
Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn ein elektrisch leitfähiges Fasergebilde eingesetzt wird, das aus Kohlenstoff oder kohlenstoffenthaltenden Materialien oder aus elektrisch leitfähigen Kunststoffen oder aus einem Fasermaterial besteht, welches durch eine Oberflächenbehandlung mit elektrisch leitfähigem Material versehen worden ist.It is also beneficial if an electrically conductive Fiber structure is used, which consists of carbon or carbon-containing Materials or made of electrically conductive plastics or a fibrous material which passes through a surface treatment with electrically conductive Material has been provided.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn ein Fasergebilde eingesetzt wird, welches ein Gewirk, ein Gestrick, ein Gelege, ein Filz oder ein Vlies ist.Furthermore, it is advantageous if a fiber structure is used, which is a knitted fabric, a knitted fabric, a scrim, a felt or a fleece is.
Und es ist auch vorteilhaft, wenn die elektrophoretische Abscheidung unter Anlegen einer Gleichspannung durchgeführt wird, wobei die Abscheidung unter konstanter Spannung im Bereich von 5 bis 500 V oder unter konstanter Stromstärke im Bereich von 5 bis 100 mA durchgeführt werden kann.And it is also beneficial if the electrophoretic deposition under application of a DC voltage carried out is, wherein the deposition under constant stress in the range of 5 to 500 V or under constant current in the range of 5 to 100 mA performed can be.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn zur vollständigen oder teilweisen Erhaltung des Fasergebildes im keramischen Formkörper die Sinterung in inerter oder reduzierender Atmosphäre oder unter Vakuum durchgeführt wird.Furthermore, it is advantageous if to the full or partial preservation of the fiber structure in the ceramic molding body Sintering in an inert or reducing atmosphere or under vacuum.
Und ebenfalls ist es von Vorteil, wenn das Fasergebilde bei der Sinterung oder in einem der Sinterung vorangestellten thermischen Behandlungsschritt oxidativ entfernt wird.And it's also an advantage when the fiber structure is sintered or sintered preceded thermal treatment step removed by oxidation becomes.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, keramische Formkörper anzugeben, die aufgrund der sprunghaften Übergänge hinsichtlich ihrer Struktur auch sprunghafte Übergänge in ihren Werkstoffeigenschaften aufweisen und damit in einem Formkörper beispielsweise auch gegensätzliche Eigenschaften vereinen können. So kann beispielsweise eine Schicht des Formkörpers gasdurchlässig sein und die zweite oder eine weitere Schicht gasdicht ausgebildet worden sein. Oder eine Schicht ist durchscheinend und die andere Schicht opak. Oder die eine Schicht ist bei vollständiger oder teilweiser Erhaltung des Fasergebildes gut elektrisch leitfähig und die andere Schicht ist elektrisch isolierend. Oder die eine Schicht ist gut wärmeleitfähig und die andere Schicht ist thermisch isolierend usw..By the solution according to the invention it is possible ceramic shaped bodies due to the transient transitions in their structure also sudden transitions in their material properties have and thus in a molding, for example, also opposite properties can unite. For example, a layer of the molding may be gas-permeable and the second or another layer has been formed gastight his. Or one layer is translucent and the other layer opaque. Or the one layer is in complete or partial preservation fiber structure well electrically conductive and the other layer is electrically insulating. Or the one layer is well thermally conductive and the other layer is thermally insulating etc ..
Dabei kann auch eine vergleichsweise geringe sprunghafte Änderung eines Strukturmerkmales von 10 % zu vergleichsweise großen Auswirkungen auf eine Eigenschaft führen. Beispielsweise kann die Änderung in der Porosität von 10 % dazu führen, dass die Schicht mit der um 10 % erhöhten Porosität nun nicht mehr durchscheinend sondern opak ist. Oder eine elektrisch isolierende Schicht weist eine Porosität von 0 und eine Dichte, die der theoretischen Schichtmaterialdichte entspricht, auf und die anschließende Schicht durch noch geringfügiges Vorhandensein von Kohlenstoff- oder kohlenstoffenthaltenden Fasern weist eine um 10 % geringere Dichte und eine elektrische Leitfähigkeit auf. Derartige drastische Eigenschaftsänderungen können für den Einsatz derartiger Materialien sehr große Bedeutung haben.It can also be a comparatively small leap change of a structural feature of 10% to comparatively large effects lead a property. For example, the change in porosity of 10% cause that the layer with increased by 10% Porosity now no longer translucent but opaque. Or an electric one insulating layer has a porosity of 0 and a density that corresponds to the theoretical layer material density, on and the subsequent Layer by still minor Presence of carbon or carbon containing fibers has a 10% lower density and electrical conductivity on. Such drastic property changes can be made for the use of such materials very big Have meaning.
Durch die sprunghafte Änderung der Struktur der Formkörper wird in erster Linie die Dichte, die Porosität und/oder die Porenstruktur am räumlichen Übergang von einer Schicht auf die andere sprunghaft geändert. Die Sprunghöhe kann durch Wahl der Fasergebilde und Abscheidebedingungen gesteuert werden, ebenso, welche Strukturmerkmale oder sich aus Strukturmerkmalen ergebende Eigenschaften sprunghaft geändert werden sollen.By the sudden change the structure of the moldings is primarily the density, the porosity and / or the pore structure at the spatial transition Changed from one layer to another. The jump height can be controlled by choice of fiber structure and deposition conditions, as well, which structural features or structural features resulting properties are to be changed abruptly.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in eine Elektrophoresevorrichtung zwei Elektroden, beispielsweise aus Edelmetall oder Graphit, eingeführt, wobei die Form der Elektroden beliebig und in Abhängigkeit von dem gewünschten Formkörper gewählt werden kann. Abscheidungselektrode ist eine Elektrode, die eine dem Vorzeichen nach entgegengesetzte Ladung im Vergleich zur Oberflächenladung der in der Suspension befindlichen Partikel besitzt. Die Elektrode, auf der die Abscheidung erfolgt, wird aus einem leitfähigen Fasergebilde hergestellt oder ist mit einem solchen leitfähigen Fasergebilde ganz oder teilweise bedeckt. Das leitfähige Fasergebilde kann aus Kohlenstoff oder kohlenstoffenthaltenden Materialien oder aus elektrisch leitfähigen Kunststoffen oder aus einem Fasermaterial bestehen, welches durch eine Oberflächenbehandlung mit elektrisch leitfähigem Material versehen worden ist.In the method according to the invention In an electrophoresis device two electrodes, for example made of precious metal or graphite, introducing the shape of the electrodes arbitrarily and in dependence from the desired Moldings are chosen can. Deposition electrode is an electrode that has a sign opposite charge compared to surface charge has the particles in the suspension. The electrode, The deposition takes place from a conductive fiber structure or is completely or partially with such a conductive fiber structure partially covered. The conductive Fiber structure may be made of carbon or carbon containing materials or electrically conductive Plastics or consist of a fiber material, which by a surface treatment with electrically conductive Material has been provided.
Das leitfähige Fasergebilde kann dabei auch mit einem weiteren Fasergebilde veränderter Faserstruktur und Faseranordnung laminiert oder zusammengesetzt sein.The conductive fiber structure can thereby also with a further fiber structure of modified fiber structure and fiber arrangement laminated or assembled.
Die Suspension aus den keramischen pulverförmigen Materialien soll, wie auch nach dem Stand der Technik bekannt, eine möglichst hohe Stabilität aufweisen, was beispielsweise durch Zugabe von bekannten Dispergierhilfsmitteln erreicht werden kann. Neben einer hohen Stabilität sollte die Suspension ebenfalls bekanntermaßen eine relativ niedrige Viskosität aufweisen.The suspension of the ceramic powdery materials should, as well known in the prior art, have the highest possible stability, which can be achieved, for example, by adding known dispersing aids. In addition to high stability, the suspension should also be known to be relatively low Have viscosity.
Bezüglich der Partikelgröße der keramischen pulverförmigen Materialien ist darauf zu achten, dass diese in Abhängigkeit von der Größe der Faserzwischenräume auszuwählen sind. In jedem Fall sollten auch feinere Partikel enthalten sein, um möglichst alle Hohlräume möglichst vollständig auszufüllen.Regarding the particle size of the ceramic powdery Materials must be taken into account that these depend on are to be selected from the size of the fiber spaces. In any case, even finer particles should be included in order to be as possible all cavities preferably Completed fill.
Für
den Fall, dass eine wässrige
Suspension verwendet wird, ist es ebenfalls von Vorteil, eine gemäß
Dabei wird das Fasergebilde in diesem Fall vor der Membran oder auf der Membran jeweils vor der Abscheidungselektrode angeordnet. Im Falle von wässrigen Suspensionen erfolgt die Abscheidung an der der Abscheidungselektrode abgewandten Seite der Membran. Um in diesem Fall eine gleichzeitige Abscheidung von Partikeln an der Membran und der Elektrode zu verhindern, wird der Raum zwischen Membran und Elektrode, an der die Abscheidung erfolgen würde, mit einem Ausgleichselektrolyten ohne Feststoffgehalt gefüllt.In this case, the fiber structure in this Fall in front of the membrane or on the membrane before the deposition electrode arranged. In the case of aqueous Suspensions, the deposition takes place at the deposition electrode opposite side of the membrane. In this case, a simultaneous deposition of particles on the membrane and the electrode is prevented the space between the membrane and the electrode at which the deposition would be done filled with a balance electrolyte without solids content.
Es ist von Vorteil, nach dem Einführen der Elektroden in die Suspension eine Vakuumbehandlung durchzuführen, damit die möglichst vollständige Entgasung des Fasermaterials und der Suspension erreicht wird.It is beneficial after inserting the electrodes in the suspension to carry out a vacuum treatment, so that the possible complete degassing of the fiber material and the suspension is achieved.
Nach dem Anlegen der elektrischen Gleichspannung an die Elektroden erfolgt die Abscheidung der keramischen Materialien und die gleichzeitige Infiltration des Fasergebildes. Dabei wird entweder eine konstante Spannung oder eine konstante Stromstärke angelegt. In jedem Fall ist für die gewünschte Dicke der Abscheidung und die jeweils verwendeten Materialien eine Haltezeit von Spannung oder Stromstärke auszuwählen, welche entweder bekannt ist oder durch eine geringe Anzahl an Versuchen jeweils ermittelt werden kann.After applying the electrical DC voltage is applied to the electrodes, the deposition of the ceramic Materials and the simultaneous infiltration of the fiber structure. In this case, either a constant voltage or a constant current is applied. In any case, is for the desired Thickness of the deposition and the materials used in each case Hold time of voltage or current to select which either known is or determined by a small number of experiments each can be.
Nach der möglichst vollständigen Infiltration des Fasergebildes wird entweder mit dem gleichen keramischen Material weiter abgeschieden, so dass auf dem infiltrierten Fasergebilde eine dichte Deckschicht aus dem gleichen Material entsteht. Es kann aber auch die Suspension gewechselt werden und nach auch nur teilweiser Infiltration des Fasergebildes mit dem ersten keramischen Material die vollständige Infiltration mit einem zweiten keramischen Material erfolgen und danach beispielsweise durch Wechseln der Suspension eine Deckschicht aus einem dritten Material aufgebracht werden.After the most complete infiltration of the Fibrous material is either made with the same ceramic material further deposited, leaving on the infiltrated fiber structure a dense top layer of the same material is formed. But it can also the suspension can be changed and after only partially Infiltration of the fiber structure with the first ceramic material the complete Infiltration with a second ceramic material and then, for example, by changing the suspension a cover layer be applied from a third material.
Überraschenderweise kann durch die weitere Abscheidung nach der vollständigen Infiltration des Fasergebildes eine homogene Deckschicht erzeugt werden, die eine Gründichte von 50 bis 70 % der theoretischen Dichte aufweisen kann, und die durch eine nachfolgende Sinterung in eine dichte Schicht überführt werden kann.Surprisingly can by further deposition after complete infiltration of the Fasergebildes a homogeneous cover layer are generated, the one green density from 50 to 70% of the theoretical density, and by a subsequent sintering be converted into a dense layer can.
Bei der Sinterung unter oxidierenden Bedingungen oder einer der Sinterung vorangestellten thermischen Behandlung unter oxidierenden Bedingungen wird ein vollständiges Ausbrennen der Fasern erreicht. Infolge dessen befinden sich an Stelle der ausgebrannten Fasern jeweils Hohlräume, wodurch dieser Teil des Formkörpers eine deutlich andere Porosität und/oder Dichte und/oder Porenstruktur aufweist, als der andere Formkörperteil. Die Dicken der jeweiligen Schichten richten sich nach der Art und den geometrischen Abmessungen des Fasermaterials, nach den Suspensionseigenschaften, den Eigenschaften der keramischen Materialien und nach den Abscheideparametern.During sintering under oxidizing Conditions or one of the sintering preceded thermal Treatment under oxidizing conditions will be a complete burnout reaches the fibers. As a result, instead of the burned out fibers each have cavities, causing this part of the molding a significantly different porosity and / or density and / or pore structure, than the other Form part of the body. The thicknesses of the respective layers depend on the type and the geometric dimensions of the fiber material, according to the suspension properties, the Properties of the ceramic materials and according to the deposition parameters.
Ebenso kann der Sinterprozess unter inerter oder reduzierender Atmosphäre oder unter Vakuum durchgeführt werden und dadurch ein vollständiges Ausbrennen des Fasermaterials ganz oder teilweise verhindert werden, wodurch die Herstellung eines Formkörpers mit einem sprunghaften Übergang in der Dichte und/oder der Porosität möglich wird.Likewise, the sintering process under inert or reducing atmosphere or under vacuum and thereby a complete burnout the fiber material are wholly or partially prevented, whereby the production of a shaped body with a jumpy transition in density and / or porosity becomes possible.
Durch den Einsatz von beispielsweise laminiert zusammengesetzten unterschiedlichen Fasergebilden bezüglich unterschiedlicher Faserart, Faserdurchmesser, Faserform, Faserabstand sind ebenfalls weitere Möglichkeiten gegeben, Formkörper mit sprunghaften Änderungen der Porenstruktur und/oder der Porosität anzugeben.By using, for example laminated composite fiber structure with respect to different Fiber type, fiber diameter, fiber shape, fiber spacing are also More options given, shaped body with sudden changes indicate the pore structure and / or the porosity.
Bezüglich der sprunghaften Änderung ist zu sagen, dass damit erfindungsgemäß eine Änderung um mindestens 10 % eines Strukturmerkmales oder einer sich aus einem Strukturmerkmal ergebenden Eigenschaft zu verstehen ist.Regarding the erratic change is to say that according to the invention, a change of at least 10% a structural feature or a structural feature to understand resulting property.
Der sprunghafte Übergang erfolgt erfindungsgemäß entweder an der Grenzfläche zweier unterschiedlicher Fasergebilde im Grünkörper oder an der Grenzfläche zwischen dem Fasergebilde im Grünkörper und der darüberliegenden faserfreien Schicht, die im gesinterten Zustand eine dichte Schicht bilden wird.The erratic transition is carried out according to the invention either at the interface two different fiber structures in the green body or at the interface between the fiber structure in the green body and the overlying fiber-free layer, which in the sintered state a dense layer will form.
Bezüglich der Strukturmerkmale
Porosität, Dichte
und Porenstruktur soll erfindungsgemäß folgendes verstanden werden:
Unter
der Porosität
soll erfindungsgemäß die Gesamtporosität der einzelnen
Schichten verstanden werden, die sich aus der offenen und geschlossenen Porosität zusammensetzen.With regard to the structural features porosity, density and pore structure, the following is to be understood according to the invention:
According to the invention, porosity is to be understood as meaning the total porosity of the individual layers, which are composed of the open and closed porosity.
Die Dichte soll die äußere Werkstoffdichte der einzelnen Schichten einschließlich der Gesamtporosität sein.The density should be the outer material density of the including individual layers the total porosity his.
Die Porenstruktur einer Schicht wird von der Rundheit der Poren und/oder den Aspektverhältnissen der Poren und/oder der Ausrichtung der Poren und/oder dem Porendurchmesser bestimmt.The pore structure of a layer becomes from the roundness of the pores and / or the aspect ratios the pores and / or the orientation of the pores and / or the pore diameter certainly.
Die Richtung, Form und Größe der Poren im Formkörper wird dabei von der Anordnung der Fasern im Grünkörper vorgegeben.The direction, shape and size of the pores in the molding is determined by the arrangement of the fibers in the green body.
Alle diese Daten der Strukturmerkmale Porosität, Dichte und Porenstruktur sind messtechnisch erfass- und auswertbar.All these data of the structural features porosity, density and pore structure are metrological can be detected and evaluated.
Die nach der Abscheidung durchzuführende Trocknung kann vorteilhafterweise noch von einem weiteren thermischen oxidierenden Behandlungsschritt gefolgt werden, in dem die organischen Bestandteile des Suspensionsmediums, des Dispergierhilfsmittels und das Fasergebilde entfernt werden.The drying to be carried out after the deposition can advantageously still of a further thermal oxidizing Treatment step followed, in which the organic components the suspension medium, the dispersing aid and the fiber structure be removed.
Die Werkstoffeigenschaften werden durch die Sinterung eingestellt. Die Sinterbedingungen sind dabei für die gewünschten Eigenschaften einzustellen.The material properties become set by the sintering. The sintering conditions are included for the desired To set properties.
Von besonderem Vorteil ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, dass ein Formkörper mit einem oder mehreren sprunghaften Strukturgradienten in einem Abscheidungsprozess realisiert werden kann.Of particular advantage is it at the method according to the invention, that a shaped body with one or more abrupt structural gradients in one Deposition process can be realized.
Im weiteren wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.In the following, the invention is attached several embodiments explained in more detail.
Beispiel 1example 1
Zur elektrophoretischen Infiltration wurde ein Kohlenstoff-Weichfilz (SIGRATHERM, Fa. SGL Carbon) mit einer Dicke von 10 mm und einem Flächengewicht von 1050 g/m2 auf die Größe von 25 × 25 × 10 mm3 zugeschnitten und mittels Leit-Kohlenstoff (Fa. Plano) auf eine ebene Platinelektrode geklebt. Die so präparierte Elektrode wurde parallel zu einer zweiten Platinelektrode in einer Elektrophoresezelle angeordnet, wobei der Abstand zwischen den beiden Elektroden 25 mm betrug. Danach wurde die Elektrophoresezelle mit einer keramischen Suspension gefüllt, die durch Dispergieren von 150 g ZrO2 TZ-3Y (TOSOH Corp.) in 150 g Ethanol (98 %ig, unvergällt) unter Zugabe von 2 g Benzoesäure und anschließendem 30 min Rühren hergestellt wurde. Zur Entlüftung des Filzes und der Suspension wurde die gesamte Elektrophoresezelle in einem Vakuum < 5000 Pa evakuiert.For electrophoretic infiltration, a carbon soft felt (SIGRATHERM, Fa. SGL Carbon) was cut with a thickness of 10 mm and a basis weight of 1050 g / m 2 to the size of 25 × 25 × 10 mm 3 and using Leit carbon (Fa Plano) glued on a flat platinum electrode. The thus-prepared electrode was placed in parallel to a second platinum electrode in an electrophoresis cell, the distance between the two electrodes being 25 mm. Thereafter, the electrophoresis cell was filled with a ceramic suspension prepared by dispersing 150 g of ZrO 2 TZ-3Y (TOSOH Corp.) in 150 g of ethanol (98%, undegraded) with the addition of 2 g of benzoic acid followed by stirring for 30 minutes , To vent the felt and the suspension, the entire electrophoresis cell was evacuated in a vacuum <5000 Pa.
Die elektrophoretische Abscheidung des keramischen Materials wurde bei einer konstanten Stromstärke von I = 10 mA über einen Zeitraum von 20 min durchgeführt. Dazu wurden die Elektroden so gepolt, dass die Abscheidung an der Elektrode mit dem Kohlenstofffilz erfolgte. Nach der Abscheidung wurde der entstandene Grünkörper von der Elektrode entfernt, getrocknet und an Luft nach folgendem Regime gesintert: 1 Stunde bei 500 °C, dann 1 Stunde bei 900 °C, dann 1 Stunde bei 1500 °C. Bei der Sinterung wurde der Kohlenstofffilz aus dem keramischen Material ausgebrannt. Der gesinterte Körper wies eine ca. 7 mm starke poröse Schicht mit einer Porosität von 45 % auf, die vollkommen von einer ca. 2 mm starke dichten Schicht mit einer geschlossenen Porosität < 1 % bedeckt war. Beide Schichten grenzten unmittelbar rissfrei aneinander und waren fest miteinander verbunden.The electrophoretic deposition of the ceramic material was at a constant current of I = 10 mA over a period of 20 minutes. These were the electrodes poled so that the deposition on the electrode with the carbon felt took place. After deposition, the resulting green body of The electrode is removed, dried and air in the following regime sintered: 1 hour at 500 ° C, then 1 hour at 900 ° C, then 1 hour at 1500 ° C. During sintering, carbon felt became ceramic Burned out material. The sintered body had an approx. 7 mm thick porous Layer with a porosity of 45%, the perfect of a ca. 2 mm thick dense layer covered with a closed porosity <1%. Both layers immediately adjoined each other without cracking and were firmly connected.
Beispiel 2Example 2
Aus einem Flachsfaservlies (Fa. FLAXOPROPP GmbH) mit einer Dicke von 4 mm und einem Flächengewicht von 665 g/m2 wurde eine Probe der Größe 30 × 30 × 4 mm3 herausgeschnitten. Die Probe wurde unter Stickstoffatmosphäre bei 1600 °C pyrolysiert. Nach der Pyrolyse wurde ein Kohlenstofffaservlies der Abmessungen 23 × 23 × 3 mm3 und einer Masse von 0,12 g erhalten. Dieses wurde gemäß Beispiel 1 zur elektrophoretischen Infiltration auf eine Platinelektrode aufgeklebt und in eine Elektrophoresezelle eingebracht. Für die keramische Suspension wurden 100 g ZTA-Pulver TZ-3Y20A (TOSOH Corp.) in 150 g Ethanol (98%-ig, unvergällt) unter Zugabe von 1,5 g Benzoesäure dispergiert und 30 min gerührt.From a flax fiber fleece (FLAXOPROPP GmbH) with a thickness of 4 mm and a basis weight of 665 g / m 2 , a sample of size 30 × 30 × 4 mm 3 was cut out. The sample was pyrolyzed under nitrogen atmosphere at 1600 ° C. After pyrolysis, a carbon fiber nonwoven fabric of dimensions 23 × 23 × 3 mm 3 and a mass of 0.12 g was obtained. This was adhered to a platinum electrode according to Example 1 for electrophoretic infiltration and introduced into an electrophoresis cell. For the ceramic suspension, 100 g of ZTA powder TZ-3Y20A (TOSOH Corp.) was dispersed in 150 g of ethanol (98%, undegraded) with the addition of 1.5 g of benzoic acid and stirred for 30 minutes.
Die elektrophoretische Abscheidung des keramischen Materials wurde bei einer konstanten Spannung von U = 30 V über einen Zeitraum von 20 min durchgeführt, wobei die Elektroden wiederum so gepolt wurden, dass die Abscheidung auf der Elektrode mit dem Faservlies erfolgte. Der entstandene Grünkörper wurde nach der Abscheidung von der Elektrode entfernt, getrocknet und bei 1450 °C an Luft gesintert. Dabei wurden die Fasern aus dem keramischen Material ausgebrannt. Der gesinterte Körper wies eine ca. 2 mm starke poröse Schicht mit einer Porosität von 22 % auf, die vollkommen von einer ca. 1 mm starken dichten Schicht bedeckt war. Beide Schichten grenzten unmittelbar rissfrei aneinander und waren fest miteinander verbunden.The electrophoretic deposition of the ceramic material was at a constant stress of U = 30V over a period of 20 min, with the electrodes in turn were poled so that the deposition on the electrode with the Nonwoven fabric was made. The resulting green body was after deposition from the electrode, dried and stored at 1450 ° C in air sintered. The fibers were made of the ceramic material burned out. The sintered body had a ca. 2 mm thick porous Layer with a porosity of 22%, the perfect of an approx. 1 mm thick dense Layer was covered. Both layers immediately bordered crack-free together and were firmly connected.
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