DE10313847B4 - Process for the production of ceramic moldings with a sudden structure gradient and ceramic moldings with a sudden structural gradient - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Herstellung keramischer Formkörper aus mindestens zwei Schichten,
die
– ganz
oder teilweise übereinander
angeordnet sind,
– eine
gleiche oder unterschiedliche Dicke aufweisen
– und sich
jeweils in mindestens einem Strukturmerkmal durch eine sprunghafte Änderung
des Strukturmerkmals von mindestens 10% unterscheiden,
bei
dem
– eine
Suspension aus keramischen Pulvermaterialien hergestellt wird,
– in einer
Elektrophoresevorrichtung
a. eine Elektrode mit einem elektrisch
leitfähigen
Fasergebilde in Form eines Gewirkes, Gestrickes, Geleges, Filzes oder
Vlieses kontaktiert oder
b. eine Elektrode aus einem elektrisch
leitfähigen
Fasergebilde in Form eines Gewirkes, Gestrickes, Geleges, Filzes oder
Vlieses hergestellt und anschließend auf das leitfähige Fasergebilde
ein weiteres Fasergebilde mit anderer Faserstruktur und/oder Faseranordnung
aufgebracht wird,
– dann
auf elektrophoretischem Wege die suspendierten keramischen Pulver
auf und in dem oder den Fasergebilden unter vollständiger Auffüllung aller
Hohlräume
in dem oder den Fasergebilden abgeschieden werden
– und zur...Process for producing ceramic shaped bodies from at least two layers, which
Are arranged completely or partially above one another,
- Have the same or different thickness
- and each differ in at least one structural feature by a sudden change in the structural feature of at least 10%,
in which
A suspension of ceramic powder materials is produced,
- in an electrophoresis device
a. contacting an electrode with an electrically conductive fiber structure in the form of a knitted, knitted, laid, felt or nonwoven fabric or
b. an electrode is produced from an electrically conductive fiber structure in the form of a knitted, knitted, laid, felt or nonwoven fabric and subsequently a further fiber structure with a different fiber structure and / or fiber arrangement is applied to the conductive fiber structure,
- Then by electrophoresis, the suspended ceramic powders are deposited on and in the fiber or the fiber structures with complete filling of all cavities in the fiber or the structures
- and to ...
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Keramik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper mit sprunghaftem Strukturgradienten und keramischer Formkörper mit sprunghaftem Strukturgradienten, wie sie beispielsweise als Filter, Brennerelemente, Katalysatorträger oder Wärmedämmplatten zur Anwendung kommen können.The This invention relates to the field of ceramics and relates to Process for producing ceramic shaped bodies with a sudden structural gradient and ceramic molding with an abrupt structural gradient, as for example as a filter, Burner elements, catalyst carrier or thermal insulation panels can be used.
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.The Electrophoresis is one of the four basic electrokinetic phenomena next to 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)).The Electrophoretic shaping is a low cost process which used for many years to 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 u. a., Key Engineering Mat. 132-136, 2013 (1997); N. Koura u. a., 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.Especially This shaping method is suitable for producing uniform particle layers with high green densities (50-60% of 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
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
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 is common that either dense moldings 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
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, u. a., Acta mater. 49, 1189-1197 (2001) is the production of carbon fiber reinforced Aluminum oxide matrix composites based on nickel-coated Carbon fibers that over infiltrated an electrophoretic deposition process 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, ein Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper mit sprunghaftem Strukturgradienten anzugeben, die die unterschiedlichsten Werkstoffeigenschaften in einem Formkörper vereinen können, sowie einen derartigen Formkörper.Of the Invention is based on the object, a process for the preparation ceramic molding to indicate with a sudden structural gradient, the most diverse Combine material properties in a molding, as well as such a shaped body.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The The object is achieved by the invention specified in the claims. Trainings are Subject of the dependent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers aus mindestens zwei Schichten, die
- – ganz oder teilweise übereinander angeordneten sind,
- – gleiche oder unterschiedlicher Dicke aufweisen
- – und sich jeweils in mindestens einem Strukturmerkmal sprunghaft durch eine Änderung des Strukturmerkmals von mindestens 10% unterscheidenden, wird
- – eine Suspension aus keramischen Pulvermaterialien hergestellt,
- – in einer Elektrophoresevorrichtung
- a. eine Elektrode mit einem elektrisch leitfähigen Fasergebilde in Form eines Gewirkes, Gestrickes, Geleges, Filzes oder Vlieses kontaktiert oder
- b. eine Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen Fasergebilde in Form eines Gewirkes, Gestrickes, Geleges, Filzes oder Vlieses hergestellt und anschließend auf das leitfähige Fasergebilde ein weiteres Fasergebilde mit anderer Faserstruktur und/oder Faseranordnung aufgebracht,
- – dann werden auf elektrophoretischem Wege die suspendierten keramischen Pulver auf und in dem oder den Fasergebilden unter vollständiger Auffüllung aller Hohlräume in dem oder den Fasergebilden abgeschieden
- – und es wird zur Realisierung einer zweiten oder dritten abgeschiedenen Schicht die Abscheidung auf der ganzen oder teilweisen Oberfläche der ersten oder zweiten Schicht mit den gleichen oder anderen keramischen Materialien fortgesetzt, wobei andere keramische Materialien durch Wechseln der Suspension eingebracht werden
- – und anschließend wird nach der Trocknung des Grünkörpers die Sinterung zu einem Formkörpern durchgeführt.
- Are arranged completely or partially above one another,
- - have the same or different thickness
- - And in each case in at least one structural feature suddenly by a change in the structural feature of at least 10% different, is
- A suspension made of ceramic powder materials,
- - in an electrophoresis device
- a. contacting an electrode with an electrically conductive fiber structure in the form of a knitted, knitted, laid, felt or nonwoven fabric or
- b. an electrode made of an electrically conductive fiber structure in the form of a knitted, knitted, laid, felt or fleece and then applied to the conductive fiber structure another fiber structure with different fiber structure and / or fiber arrangement,
- - Then, the suspended ceramic powders are deposited on and in the one or more fiber structures with complete filling of all cavities in the fiber or the structures by electrophoresis
- - And it is the realization of a second or third deposited layer deposition on the whole or partial surface of the continued first or second layer with the same or other ceramic materials, wherein other ceramic materials are introduced by changing the suspension
- - And then the sintering is carried out after the drying of the green body to a shaped bodies.
Vorteilhafterweise werden keramische pulverförmige Materialien mit Partikelgrößen zwischen 10 nm und 3 μm eingesetzt, wobei noch vorteilhafterweise keramische pulverförmige Materialien mit Partikelgrößen zwischen 10 nm und 250 nm eingesetzt werden.advantageously, become ceramic powdery Materials with particle sizes between 10 nm and 3 μm used, even more advantageously ceramic powdery materials with particle sizes between 10 nm and 250 nm are used.
Weiterhin vorteilhafterweise wird eine Suspension mit einer Feststoffbeladung von 0,1 bis 65 Ma.-% eingesetzt.Farther Advantageously, a suspension with a solids loading from 0.1 to 65% by weight.
Und auch vorteilhafterweise werden der Suspension aus den keramische Materialien bekannte Dispergierhilfsmittel, Polyelektrolyte, Ionen und/oder andere bekannte Materialien zugegeben.And also advantageously, the suspension of the ceramic Materials known dispersing aids, polyelectrolytes, ions and / or other known materials added.
Vorteilhaft ist es auch, 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.Advantageous It is also used when using an electrically conductive fiber structure is made of carbon or carbon containing materials or made of electrically conductive Plastics or consists of a fiber material, which by a surface treatment with electrically conductive material has been provided.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die elektrophoretische Abscheidung unter Anlegen einer Gleichspannung durchgeführt wird.Also it is advantageous if the electrophoretic deposition under Applying a DC voltage is performed.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Abscheidung unter konstanter Spannung im Bereich von 5 bis 500 V durchgeführt wird.Farther It is advantageous if the deposition under constant tension in the range of 5 to 500V is performed.
Und vorteilhaft ist es auch, wenn die Abscheidung unter konstanter Stromstärke im Bereich von 5 bis 100 mA durchgeführt wird.And It is also advantageous if the deposition under constant current in the range of 5 to 100 mA performed becomes.
Von Vorteil ist es auch, wenn zur vollständigen oder teilweisen Erhaltung des Fasergebildes im keramischen Formkörper die Sinterung in inerter oder reduzierender Atmosphäre oder unter Vakuum durchgeführt wird.From It is also an advantage if for complete or partial conservation of the fiber structure in the ceramic molding sintering in inert or reducing atmosphere or performed under vacuum becomes.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn das Fasergebilde bei der Sinterung oder in einem der Sinterung vorangestellten thermischen Behandlungsschritt oxidativ entfernt wird.Farther It is advantageous if the fiber structure in the sintering or in a sintering preceded thermal treatment step is removed oxidatively.
Der erfindungsgemäße keramische Formkörper, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist, weist Schichten mit unterschiedlicher Porosität und/oder Dichte und/oder Porenstruktur auf.Of the ceramic according to the invention Moldings, produced by the process according to the invention has layers with different porosity and / or Density and / or pore structure.
Vorteilhafterweise bestehen die mindestens zwei Schichten aus dem gleichen keramischen Material oder aus unterschiedlichen keramischen Materialien.advantageously, The at least two layers consist of the same ceramic Material or different ceramic materials.
Ebenfalls vorteilhafterweise beträgt die Bedeckung der mindestens ersten Schicht von der mindestens zweiten Schicht zwischen 20 und 100%.Also is advantageously the covering of the at least first layer of the at least second Layer between 20 and 100%.
Weiterhin vorteilhafterweise betragen die Schichtdicken mindestens 1 μm.Farther advantageously, the layer thicknesses are at least 1 μm.
Und auch vorteilhafterweise sind die keramischen Materialien ZrO2, Al2O3, TiO2, Y2O3, SiC, SiO2, Si3N4, AlN, Mullit, Cordierit, PZT, BaTiO3, SnO2, YBaCu, sowie Gemische dieser Materialien.And also advantageously, the ceramic materials 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 of these materials.
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 be. 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.there can also be a comparatively small step change of a structural feature of 10% to comparatively large effects lead a property. For example, the change in porosity lead by 10% that the layer with the 10% increased porosity now not more translucent but opaque. Or an electrically insulating one Layer has a porosity of 0 and a density equal to the theoretical layer material density corresponds to, 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.Due to the abrupt change in the structure of the shaped bodies, the density, the porosity and / or the pore structure at the spatial transition is changed abruptly from one layer to the other. The jump height can be controlled by choice of fiber formation and deposition conditions, as well as which structural features or properties resulting from structural features should be changed by leaps and bounds.
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.at 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 also be changed with another fiber structure Fiber structure and fiber assembly laminated or assembled be.
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, such as Also known according to the prior art, have the highest possible stability, which, for example, by adding known dispersing aids can be achieved. In addition to a high stability, the suspension should also known a relatively low viscosity exhibit.
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 Completely 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.there In this case, the fiber structure in front of the membrane or on the Membrane each arranged in front of the deposition electrode. In the event of of watery 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 insertion the electrodes in the suspension to perform a vacuum treatment so 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.To the application of the electrical DC voltage to the electrodes the deposition of the ceramic materials and the simultaneous Infiltration of the fiber structure. This is either a constant Voltage or a constant current 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.To the possible complete Infiltration of the fiber structure is either 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.at sintering under oxidizing conditions or sintering preceded thermal treatment under oxidizing conditions becomes a complete one Burning out the fibers reached. As a result, are on Place the burnt fibers each cavities, making 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 can be carried out under an inert or reducing atmosphere or under vacuum and thus a complete Burning out of the fiber material can be completely or partially prevented, whereby the production of a molded article with a sudden transition in density and / or porosity is 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 the use of, for example, laminated composite different Fiber structure with respect to different fiber type, fiber diameter, fiber shape, fiber spacing are also other 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% of Structural feature or property resulting from a structural feature to understand.
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.Of the erratic transition takes place 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 including individual layers the total porosity be.
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 is determined by 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 metrologically detectable and evaluable.
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 are set by the sintering. The Sintering conditions are 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.From It is particularly advantageous in the method according to the invention that a molding having a or a plurality of discontinuous structural gradients in a deposition process can be realized.
Im Weiteren wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.in the Furthermore, the invention will be explained in more detail in several embodiments.
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. Piano) 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 Piano) 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 pro Be 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 voltage of U = 30 V over a period of 20 min carried out, wherein the electrodes were again poled so that the deposition took place on the electrode with the nonwoven fabric. The resulting green body was removed after deposition from the electrode, dried and at 1450 ° C sintered in air. The fibers were made of the ceramic material burned out. The sintered body pointed a ca. 2 mm thick porous Layer with a porosity of 22%, the perfect of a 1 mm thick dense layer was covered. Both layers immediately adjoined each other without cracking were firmly connected.
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