DE19635748A1 - Keramische und insbesondere piezoelektrische Mono- oder Multifilamentfasern und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
Keramische und insbesondere piezoelektrische Mono- oder Multifilamentfasern und Verfahren zu deren HerstellungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Keramikfasern
und insbesondere keramische Fasern, bevorzugt mit
piezoelektrischen und/oder ferroelektrischen Eigenschaften, die
sich in Bündeln mit Hilfe eines Sol-Gelverfahrens,
Multifilamentschmelzspinnen und anschließender Pyrolyse
herstellen lassen. Besonders interessant sind dabei
Faserdurchmesser ab dem nicht mehr lungengängigen Bereich bis zu
ca. 100 µm, da die Verringerung des Durchmessers auf die
genannten Bereiche einen "Quantensprung" in den
piezoelektrischen Eigenschaften von mit den Fasern hergestellten
Piezofaserverbundwerkstoffen erwarten läßt. Des weiteren bezieht
sich die Erfindung insbesondere auf die Herstellung sehr langer,
also kontinuierlich hergestellter Fasern mit ausgezeichneten
Zugfestigkeiten, die sich erstmals durch das nachstehend
beschriebene quasi-kontinuierliche Gesamtherstellungsverfahren
mit den genannten mechanischen Eigenschaften erzeugen lassen.
In der Literatur und Patentliteratur wurde die Herstellung von
polykristallinen, keramischen Strukturfasern seit Anfang der
70er Jahre verfolgt und beschrieben [A. Borer et al.: US Patent
3.760.049; 18. Sept. 1973; M.G. Sowman: US Patent 3.795.524; 5.
März 1974; A.K. Dhingra, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 294,
411-417 (1980)].
Über ferroelektrische Funktionsfasern wie z. B. die Blei-
Zirkonat-Titanat (PZT) Faser wurde erst Anfang der 90er Jahre
berichtet [V.K. Seth: US Patent 4.921.328; 1. Mai 1990; K.C.
Chen et al.: US Patent 5.072.035; 10. Dez. 1991; U. Selvaraj et
al.: J. Mat. Res., Vol. 7, No. 4, 992(1992). Das Interesse an
dünnen PZT-Fasern geht zurück auf Untersuchungen von R.E.
Newnham, der anhand von PZT-Stäben (400 bis 840 µm im Durch
messer), die ausgerichtet in einer Polymermatrix eingebettet
wurden, hervorragende piezoelektrische Eigenschaften für
Ultraschallwandler und Sonare messen konnte [R.E. Newnham et
al.: J. Am. Ceram. Soc. Vol. 64, No. 1, 5-9 (1981)]. In dieser
Arbeit konnte gezeigt werden, daß der hydrostatische
piezoelektrische Koeffizient mit abnehmenden
Stäbchendurchmessern zunimmt. Jedoch ist die angewandte
Herstellungsmethode der Extrusion, wie auch die heute für
kommerziell erhältliche US-Wandler angewendete "dice and
fill"-Methode auf die Herstellung von Stäbchen von ca. 100 µm im
Durchmesser nach unten hin begrenzt.
S. Yoshikawa et al. beschreiben in Ferroelectrics, Vol. 154,
325-330 (1994) die Herstellung von Fasern im Multifilamentmodus
mit reiner Perowskit-Struktur und einem Durchmesser von 30 µm.
Die Fasern wurden aus einem erwärmten Sol heraus versponnen und
auf einer Drehtrommel nach Verstrecken gesammelt. Nach
Zerschneiden wurden 10 cm lange Einzelfasern 10 Minuten lang auf
750 bis 1250°C erhitzt, wobei Fasern mit bis zu 55 MPa
Zugfestigkeiten erhalten wurden. Erreicht wurden Dichten bis zu
90%. Nachteil des Verfahrens sind die unkontrollierbaren
rheologischen Eigenschaften des Sols, das nicht stabil ist und
sich nur in einem sehr engen Temperatur- und Zeitfenster
verspinnen läßt. Desweiteren müssen die von Yoshikawa et al.
beschriebenen Fasern bei Temperaturen < 1200°C verdichtet werden.
Auch die DE-PS 43 32 831 C1 der Fraunhofer-Gesellschaft
beschreibt die Erzeugung von PZT-Keramikfasern mit Hilfe des
Sol-Gel-Verfahrens durch Extrudieren, wobei man bis zu 600 m
lange Gelfasern erhalten kann. Diese Fasern wurden in
aufgewickeltem Zustand innerhalb einer Stunde auf 660°C erhitzt,
wobei man PZT-Keramikfasern mit einem Durchmesser von 10 µm
erhielt. Die Gefügeausbildung und die mechanischen Eigenschaften
der so erzeugten Fasern sind nicht befriedigend.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, keramische Mono- oder
Multifilamentfasern auf Basis von PbMO₃ bereitzustellen, die in
gesintertem Zustand nicht nur ausgezeichnete ferroelektrische
beziehungsweise piezoelektrische Eigenschaften, sondern auch
ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aufweisen. Aufgabe der
vorliegenden Erfindung ist weiterhin die Bereitstellung eines
Verfahrens, mit dem sich derartige verbesserte Fasern erzeugen
lassen.
Die Aufgabe wird gelöst durch Bereitstellung von Fasern gemäß
Anspruch 1 sowie durch die Bereitstellung von Verfahren gemäß
den Ansprüchen 7, 10 und 14.
Geeignet für die vorliegende Erfindung sind alle bleihaltigen
Zusammensetzungen auf der Basis von PbMO₃, die zumindest
teilweise in die Perowskit-Struktur überführt werden können,
worin also das Element "M" die "B"-Position im Perowskit-Gitter
besetzen kann. Dabei kann es sich um ein einziges oder eine
Kombination mehrerer Metalle handeln, wobei letztere ein und
dieselbe oder aber unterschiedliche Wertigkeiten aufweisen
können. Beispiele sind Zinn, Titan, Zirkonium, Hafnium, Lanthan,
Vanadium, Niob, Magnesium, Tantal, Wolfram, Molybdän, Mangan,
Antimon, Chrom, Nickel, Eisen, Zink, Scandium, Silicium,
Germanium, Tellur, Aluminium und Kobalt. In besonders
bevorzugten Systemen wird die "B"-Position von Zirkonium und
Titan, ggf. zusätzlich von Lanthan, von Magnesium und von Niob,
von Zink, Niob und Titan oder von Zirkon, Titan, Niob und
Magnesium besetzt. Das System kann zusätzlich dotiert sein,
beispielsweise mit einem oder mehreren der Elemente Niob,
Lanthan, Magnesium, Scandium, Wolfram, Strontium, Zinn, Barium,
Calcium, Wismuth, Antimon, Tantal, Fluor und Hafnium.
Die Gelfaservorstufen für die erfindungsgemäßen Fasern können
beispielsweise wie in der deutschen Patentschrift DE 43 32 831
(Glaubitt et al.) über eine Sol-Gel-Route synthetisiert werden.
Das Sol wird dabei aus Alkoholaten, ggf. zusammen mit weiteren
Alkoholen, mit Carbonsäuren und Bleicarboxylaten umgesetzt, und
die flüchtigen Anteile werden entfernt. Blei und ggf. ein
weiteres Element kann unter Umständen in Form eines Oxids
eingesetzt werden. Aus den genannten Ausgangsverbindungen
entsteht eine Flüssigkeit, die man durch Abziehen flüchtiger
Bestandteile in eine klare, hochviskose Flüssigkeit und ggf. in
einen bei Raumtemperatur spröden, pulverisierbaren Feststoff mit
organischen Anteilen überführen kann. Durch Erhitzen kann dieser
Feststoff ggf. wieder flüssig gemacht werden.
In einer besonderen Ausführungsform wird das Spinnsol mit
Perowskit-Keimen der gesuchten chemischen End-Zusammensetzung
angereichert, beispielsweise in einer Menge von 0,1 bis
5 Masse-%.
Falls das Sol bei Raumtemperatur in festem Zustand vorliegt,
wird es zum Verspinnen wieder verflüssigt. In einer bevorzugten
Ausführungsform, dem System Blei-Zirkon-Titan-Sauerstoff, läßt
sich das bei Raumtemperatur feste Sol bei 110 bis 150°C,
bevorzugt bei 120 bis 130°C, schmelzen. Das flüssige Sol kann
durch eine Düsenplatte mit Bohrungen extrudiert werden. Dabei
kann es sich um die Extrusion von Monofilamenten oder
Multifilamenten mit z. B. bis zu etwa 500 oder sogar 5000 Fasern
und mehr handeln. Je nach gewünschtem Durchmesser der fertigen
keramischen, ggf. piezoelektrischen und/oder ferroelektrischen
Faser wird der Durchmesser der Bohrungen für die Düsenplatte
gewählt, beispielsweise 0,1 bis 1,0 mm, bevorzugt 0,5 mm. Das
Extrudieren erfolgt vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 100
und 180°C bei einem Druck von beispielsweise 0,11 MPa bis
10 MPa.
Die extrudierten Fasern werden über eine Trockenstrecke,
beispielsweise von 0,5 bis 5 in und vorzugsweise von 1,0 bis
2,0 m Länge, geführt und sodann auf eine Rolle oder dergleichen
aufgenommen und bei Bedarf verstreckt. Dabei läßt sich der
Faserdurchmesser durch die Wickelgeschwindigkeit bzw. das
Verstrecken einstellen. Beim Extrudieren durch Bohrungen mit den
oben aufgeführten Durchmessern läßt sich der Faserdurchmesser
der Gelfaser auf einen Bereich zwischen 5 und 150 µm einstellen.
Dafür sollte die Wickelgeschwindigkeit bei 1 bis 500 m/min,
bevorzugt 20 bis 150 m/min liegen.
Die Separierung von Einzelfasern kann durch eine leistenförmige
Anordnung der Spinndüsen erreicht und durch Aufbringen einer
lösungsmitteldurchlässigen pyrolysierbaren Schlichte unterstützt
werden.
Nach dem Verspinnen werden die Fasern unter Berücksichtigung der
Trocknungsschwindung einzeln bzw. im Bündel oder auch unter
Zusammenführung mehrerer Bündel mit bis zu 2000 Einzelfasern
abgewickelt und pyrolysiert. Sie können dabei in einer
Ausführungsform kontinuierlich durch einen Pyrolyseofen
durchgezogen werden. Fig. 1 stellt beispielhaft einen solchen
Pyrolyseofen von der Seite (A) und von vorne (B) dar, durch den
die Gelfaser oder das Gelfaserbündel 2 bevorzugt von unten nach
oben von der unteren Wickeltrommel 6 auf die obere
Wickeltrommel 1 geführt wird. Dabei durchläuft die Faser oder
das Faserbündel ein Rohr oder eine Kapillare oder dergleichen,
beispielsweise aus Al₂O₃ (in Fig. 1 mit 0 bezeichnet). Der
Innendurchmesser wird nach der Anzahl der Filamente im
Faserbündel gewählt und kann beispielsweise 5 mm Innendurchmesser
bei 8 mm Außendurchmesser betragen, aber auch deutlich größer
sein. Da die Fasern in Axialrichtung bei der Pyrolyse um ca. 40%
schwinden, muß dies bei der Übersetzung der jeweiligen
Wickeltrommeln 1 und 6 berücksichtigt werden. Die
Fasertransportgeschwindigkeit hängt vom Material und von den
gewählten Pyrolysetemperaturen ab und kann beispielsweise im
Bereich von 5 mm bis 50 m/h liegen. Bevorzugt ist die in Fig. 1
dargestellte Ausführungsform, in welcher mit dem Antrieb 7 die
obere Wickeltrommel angetrieben wird, während die
Wickeltrommel 6 passiv bewegt wird.
Mit Hilfe dieses Verfahrens lassen sich die gewünschten
Festigkeitseigenschaften der Fasern erzielen, u. a.
wahrscheinlich deshalb, weil die Fasern durch den Zug der
Wickeltrommel 1 gereckt werden.
In einer alternativen Ausführungsform, die sich vor allem für
das gleichzeitige Pyrolysieren einer Vielzahl weniger langer
Fasern eignet, werden die Fasern diskontinuierlich pyrolysiert.
Fig. 3 zeigt beispielhaft einen entsprechenden Pyrolyseofen von
der Seite (A) und von vorne (B). Dabei wird die Schwerkraft für
das Erreichen der gewünschten mechanischen Eigenschaften
genutzt, indem die Fasern, vorzugsweise im größeren Bündel 17,
bevorzugt von einer Rolle 16, entweder langsam in die Kammer 18
eines bereits aufgeheizten Pyrolyseofens 19 abgesenkt werden
oder aber die Kammer des Pyrolyseofens, in die die Fasern von
oben hineinhängen, mit einem entsprechenden Temperaturgradienten
aufgeheizt wird. Auch hierbei stehen die Fasern unter Zug, was
zur gewünschten Festigkeit zumindest beiträgt.
Die Fasern können für diese Verfahrensvariante an einer
Aufhängung befestigt, beispielsweise eingespannt oder angeklebt
werden.
In einer bevorzugten, ebenfalls in Fig. 1 verdeutlichten
Ausführungsvariante wird ein kontinuierlicher Gasstrom mit einer
Geschwindigkeit von z. B. 1 bis 100 l/h (je nach Durchmesser des
Pyrolyse-Rohres) von oben oder von unten durch das Pyrolyse-Rohr
geleitet. In Fig. 1 erkennt man eine Düse 5, durch die der
Gasstrom in das Pyrolyse-Rohr eingeführt wird. Ganz besonders
bevorzugt ist es dabei, Stickstoff oder ein Edelgas wie Argon
mit einem Sauerstoffpartialdruck von 1×10-6 bis 0,05 MPa, ganz
besonders zwischen 5 Pa und 21 kPa, einzusetzen. Wenn der
Gasstrom im Gleichlauf mit den Fasern erfolgt, stützt er die
mechanisch schwache Gelfaser, deren organische Bestandteile bei
der Pyrolyse zunächst teilweise aufgeschmolzen werden, bevor sie
thermisch zersetzt werden. Die Gefahr eines Abreißens der Faser
wird dadurch stark verringert. Alternativ kann der Gasstrom auch
in Gegenrichtung zum Faserlauf erfolgen. Dies hat die ebenfalls
erwünschte Folge, daß der Abtransport der Pyrolysegase schneller
vonstatten geht. Je nach Festigkeit der jeweiligen Gelfaser und
der Volatilität der Pyrolysegase wird der Fachmann die zu
bevorzugende Variante auswählen. Insbesondere bei Verwendung
einer der vorgenannten Gasmischungen kann man sehr lange,
rißfreie keramische Fasern erhalten, die nach der Pyrolyse
entweder aufgewickelt werden oder direkt in einen
nachgeschalteten Sinterofen überführt werden können.
Die Sinterung ist erforderlich, wenn die Keramikfasern optimale
ferroelektrische und/oder piezoelektrische Eigenschaften
aufweisen sollen.
Das Sintern der Keramikfasern erfolgt vorzugsweise ebenfalls
durch das kontinuierliche Führen der Einzelfaser oder der Multi
filamente durch ein Rohr. Erfindungsgemäß wurde festgestellt,
daß hierfür Temperaturen im Bereich von 650 bis 1400°C möglich,
800 bis 1000°C aber meist ausreichend bzw. bevorzugt sind, um
ein dichtes Gefüge zu erhalten. Die Atmosphäre im Ofenraum
selbst ist bevorzugt stationär und weist einen PbO-Partialdruck
auf. Das Rohr ist bevorzugt durch eine Verengung im Eintritts-
und Austrittsbereich ein quasigeschlossener Bereich. Fig. 2
zeigt schematisch einen solchen Sinterofen von der Seite (A) und
von vorne (B). Die Verengung der Rohrenden kann durch durch
bohrte Teflonstopfen 15 bewirkt werden, durch die das
Faserbündel gezogen wird. Bevorzugt sind dem Ofenrohr Kühlfallen
für die Kondensation von gasförmigem PbO vor- und
nachgeschaltet, was in Fig. 2 durch die Kühlschlangen 10 und 12
dargestellt ist. Diese können beispielsweise aus Kupfer
bestehen. Dadurch wird das Austreten von PbO-Dampf in die
Umgebung verhindert. Der PbO-Partialdruck kann beispielsweise
durch Einmischen der entsprechenden Menge an gasförmigem PbO in
die Ofenraumatmosphäre erzielt werden. Eine PbO-Verarmung der
Atmosphäre durch Kondensation kann durch einen z. B. 0,1 bis
15 Mol-% betragenden PbO-Überschuß in der Faserzusammensetzung
kompensiert werden. Zusätzlich oder alternativ kann eine PbO-haltige
Beschichtung auf die Innenseite der Ofenkammer
appliziert werden. Bei ausreichender Zufuhr von PbO aus der
Faser bzw. der Ofenkammer-Innenschicht kann sich ggf. ein
ausreichendes Gleichgewicht des PbO-Partialdrucks in der
Sinteratmosphäre ausbilden, so daß auf die Zufuhr von
gasförmigem PbO in den Ofenraum verzichtet werden kann.
Die Fasertransportgeschwindigkeit ist allerdings bei gekoppelter
Pyrolyse-Sinter-Anordnung (kontinuierliches Pyrolysieren wie in
Fig. 1 dargestellt) durch die Pyrolyse-Geschwindigkeit
festgelegt.
Die nach der Sinterung resultierenden Faserdurchmesser betragen
für durch Bohrungen von 0,1 bis 1,0 mm extrudierte Gelfasern 3
bis 100 µm, bevorzugt 5 bis 30 µm, wobei, wie bereits vorstehend
erwähnt, durch Verstreckung eine Feineinstellung erzielt werden
kann.
Die Gefügeentwicklung (Größe, Morphologie) der Fasern kann durch
die Veränderungen des PbO-Gehaltes und/oder Dotierungen mit
Elementen wie La, Nb, Mg, Sn, etc., ferner der Sintertemperatur
und/oder der Sinterdauer verändert werden. Die Korngrößen liegen
meist im Bereich von 0,1 µm bis 1000 µm, bevorzugt im Bereich
von 0,3 bis 10 µm. Nach 5stündiger Sinterung bei 850°C in PbO-haltiger
Luftatmosphäre beträgt die mittlere Korngröße z. B.
1,8 µm.
Sowohl der Pyrolyse- als auch der Sinterofen können induktiv
oder widerstands- oder mikrowellenbeheizt sein. Die Länge der
Brennkammer ist variabel und kann den Umständen entsprechend
z. B. 20 cm lang oder auch 10 m lang sein.
Nach Pyrolyse und Sinterung erhält man mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren überraschend hohe Zugfestigkeiten im Bereich von über
100 MPa bis ungefähr 150 MPa, die weit über denen der
diskontinuierlich liegend pyrolysierten und gesinterten Fasern
liegen.
In einem sich an die Sinterung anschließenden
Beschichtungsschritt kann durch kontinuierliche Benetzung des
Faserbündels oder der separierten Einzelfasern eine
thermoplastische oder duroplastische Polymerschicht mit einer
Dicke von 1 bis 200% des Faserdurchmessers auf die
Faseroberfläche aufgebracht werden.
Wird das Spinnsol mit Perowskit-Keimen angereichert, die in
einem gestreckten Habitus entlang kriostallographisch
bevorzugter Achsen vorliegen, welche sich durch einen hohen
elektromechanischen Kopplungsfaktor auszeichnen, werden diese
durch den Spinnprozeß entlang der Gelfaserachse ausgerichtet.
Durch heterogene Keimbildung und/oder Temperaturgradienten
während der kontinuierlichen Pyrolyse und Sinterung können
Kristallwachstum und Orientierung der ursprünglich
polykristallin vorliegenden Kristallite durch epitaktisches
Aufwachsen auf den eingebrachten Keimen zu langgestreckten,
faserförmigen, einkristallinen Bereichen mit der gewünschten
kristallographischen Orientierung führen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer
Ausführungsbeispiele erläutert und ergänzt.
Ein hydrolysiertes und kondensiertes Sol der Zusammensetzung
1/3 Pb(OAc)₂×2/3 PbO×ZrO0,53Ti0,47O0,6(OH)1,2(OOCEt)1,6 wird bei
125°C und einem Druck von 1,5 MPa durch eine Fünfloch-Düsenplatte
mit jeweils 500 µm Düsendurchmesser extrudiert. Nach
einer Trockenstrecke von 1,8 m werden die Fasern auf einer
rotierenden Trommel mit einer Geschwindigkeit von 50 m/min
aufgenommen und auf einen Faserdurchmesser von ca. 50 µm
verstreckt. Die frisch versponnenen Gelfasern werden bei
Raumtemperatur und ca. 50%iger Luftfeuchte 24 Stunden auf der
Aufnehmerrolle bei reduziertem Rollenradius (um Schwindung der
Fasern zu ermöglichen) getrocknet. Im folgenden wird die
Faserrolle unter dem Pyrolyseofen eingespannt, der
Faserbündelanfang durch den Ofen gefädelt und an der oberen
Führungsrolle befestigt. Nach Aufheizen des Ofens auf 600°C mit
1,5 K/min wird das Gelfaserbündel mit einer Geschwindigkeit der
oberen Rolle von 15 mm/h durch den Ofen gezogen, wobei die
untere Rolle unter Berücksichtigung der Faserlängenschwindung
von 40% eine Geschwindigkeit von ca. 25 mm/h hat. Der
Fasertransport wird durch einen Stickstoffstrom von 9 l/h
unterstützt. Der Sauerstoffgehalt im Stickstoff-Transportgas
beträgt 450 vpm. Die sich der Pyrolyse anschließende Sinterung
erfolgt bei einer Temperatur von 900°C und einer konstanten
Fasertransportgeschwindigkeit von 40 mm/h. Die Einzelfasern des
Bündels zeigen nach der Sinterung einen Durchmesser von ca.
30 µm. Die Gefügedichte beträgt größer 98%, die Korngrößen
liegen bei 2 bis 4 µm. Chemische Analyse, röntgenographische und
energiedispersive Spektroskopie verifizieren die gewünschte
Stöchiometrie Pb (Zr0,53Ti0,47)O₃.
Ein Sol der Zusammensetzung wie in Beispiel 1 mit Zusatz von
0,012 mol Niobethylat und 0,012 mol gelöstem MgO wird bei einer
Temperatur von 130°C und einem Druck von 1,0 MPa im 15
Filamentmodus versponnen und nach einer Trockenstrecke von 1,2 m
mit 120 m/min auf Durchmesser von ca. 15 µm verstreckt und
aufgewickelt. Unter den Pyrolysebedingungen von Beispiel 1 führt
die Sinterung bei 950°C mit einer Fasertransportgeschwindigkeit
von 55 mm/h zu einem Einzelfaserdurchmesser von ca. 9 µm mit
nahezu dichtem (< 95%) Gefüge der Zusammensetzung
Pb(Zr0,53Ti0,446Nb0,012Mg0,012)O₃. Die aus dem Sinterofen
austretenden Fasern werden durch einen Kamin separiert, der mit
einem kontinuierlich gemischten Epoxidharz/Härtergemisch benetzt
wird. Dadurch werden die Einzelfasern mit einer
Epoxidharzschicht versehen. In einem anschließenden Schritt
werden die Faserbeschichtungen thermisch bei 130°C gehärtet,
bevor die Fasern wieder zu einem Bündel zusammengeführt werden.
Keramische Endlosfasern in Bündeln mit bis zu 500 und mehr
Monofilamenten aus Sol-Gel abgeleiteten Gelfasermultifilamenten
lassen sich also durch kontinuierliche Pyrolyse herstellen und
durch Sintern in die gewünschte Kristallstruktur mit den
gewünschten elektrischen Eigenschaften überführen. Bevorzugt
besitzen sie Faserdurchmesser zwischen 3 und 100 µm und ein nach
dem Sintern polykristallines Gefüge mit Korngrößen zwischen 0,1
und 1000 µm, die durch Keimbildner und kontrolliertes
Kristallwachstum in bevorzugten kristallographischen Richtungen
orientiert werden können. Das Verfahren zur Umwandlung der
Gelfasern in keramische Fasern umfaßt einen kontinuierlichen
Pyrolyseschritt der Faser bei Temperaturen bis etwa 700°C in
einem Durchlaufofen, in dem bevorzugt ein N₂-Gasstrom mit
definiertem Sauerstoffpartialdruck, ganz besonders bevorzugt von
5×10-6 bis 0,021 MPa, und einem Volumenstrom von bevorzugt 1 bis
100 l/h in der oder gegen die Faserrichtung geführt wird. In
einem zweiten Schritt der Temperaturbehandlung, der in einem in
Serie über bzw. unter dem Pyrolyseofen angeordneten
Durchlaufsinterofen stattfinden kann, kann die Faser unter
PbO-Partialdruckkontrolle in sauerstoffhaltigen Atmosphären,
vorzugsweise in Luft, bei Temperaturen bis 1400°C, bevorzugt bis
1000°C gesintert werden.
Claims (19)
1. Keramische Mono- oder Multifilamentfasern auf der Basis
PbMO₃,
worin M ein metallisches Element oder eine anteilige Kombination verschiedener metallischer Elemente bedeutet, das/die die "B"-Position im Perowskit-Gitter besetzen kann/können,
mit einer Zugfestigkeit von mindestens 100 MPa.
worin M ein metallisches Element oder eine anteilige Kombination verschiedener metallischer Elemente bedeutet, das/die die "B"-Position im Perowskit-Gitter besetzen kann/können,
mit einer Zugfestigkeit von mindestens 100 MPa.
2. Keramische Fasern nach Anspruch 1, zusammengesetzt aus den
Systemen Pb-Zr-Ti-O, Pb-La-Zr-Sn-Ti-O, Pb-Mg-Nb-O, Pb-Zr-Ti-
Nb-Mg-O oder Pb-Zn-Nb-Ti-O, wobei die genannten Systeme
weiterhin mit einem oder mehreren der Elemente
La, Nb, Mg, Sc, W, Sr, Sn, Ba, Ca, Bi, Sb, Ta, F oder Hf dotiert sein
können.
3. Keramische Fasern nach einem der voranstehenden Ansprüche,
worin der Faserdurchmesser 5 bis 30 Mikrometer beträgt.
4. Keramische Fasern nach einem der voranstehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
ein polykristallines Perowskit-Gefüge mit Korngrößen
zwischen 0,3 und 10 Mikrometer.
5. Keramische Fasern nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß langgestreckte, einkristalline Bereiche vorhanden sind.
6. Keramische Fasern nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet daß die Fasern piezoelektrische
und/oder ferroelektrische Eigenschaften aufweisen.
7. Verfahren zum Herstellen von keramischen Mono- oder
Multifilamentfasern auf Basis von PbMO₃, worin M ein
metallisches Element oder eine anteilige Kombination
verschiedener metallischer Elemente bedeutet, das/die die
"B"-Position im Perowskit-Gitter besetzen kann/können,
umfassend die Schritte:
- - Extrudieren eines Sols entsprechender organischer Metallverbindungen, gegebenenfalls in Kombination mit Metalloxiden, durch eine oder mehrere Spinndüsen,
- - Trocknen und Aufwickeln der entstandenen Fasern,
- - kontinuierliches Führen einer Faser oder eines Faserbündels durch die langgestreckte Kammer eines Pyrolyseofens, wobei die Faser oder das Faserbündel einer Temperatur ausgesetzt wird, die zum Entfernen des organischen Materials ausreicht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, worin die Pyrolyse mit einer
Temperatur von bis zu etwa 700°C erfolgt und die
Durchlaufgeschwindigkeit der Mono- oder Multifilamentfasern
im Bereich von 5 mm bis 50 m/h liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, worin in
Gleichrichtung mit oder in Gegenrichtung zu dem Faserlauf
Gas durch das erhitzte Rohr geleitet wird.
10. Verfahren zum Herstellen von keramischen Mono- oder
Multifilamentfasern auf Basis von PbMO₃, worin M ein
metallisches Element oder eine anteilige Kombination
verschiedener metallischer Elemente bedeutet, das/die die
"B"-Position im Perowskit-Gitter besetzen kann/können,
umfassend die Schritte:
- - Extrudieren eines Sols entsprechender organischer Metallverbindungen, ggf. in Kombination mit Metalloxiden, durch eine Vielzahl von Spinndüsen,
- - Trocknen und ggf. Aufwickeln der entstandenen Fasern,
- - Erwärmen eines Faserbündels in der langgestreckten Kammer eines Pyrolyseofens durch langsames Absenken des an einer Befestigung hängenden Faserbündels in die Kammer oder durch entsprechendes Aufheizen eines stationär von oben in die Kammer hineinhängenden Faserbündels, wobei das Faserbündel einer Temperatur ausgesetzt wird, die zum Entfernen des organischen Materials ausreicht.
11. Verfahren nach Anspruch 10, worin die Pyrolyse mit einer
Temperatur von bis zu etwa 700°C erfolgt und die
Absenkgeschwindigkeit der Fasern im Bereich von 5 mm bis
50 m/h liegt oder die Aufheizrate des Faserbündels 5 K/h bis
100 K/min beträgt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, worin Gas durch die
Kammer des Pyrolyseofens geleitet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 9 oder 12, worin der Gasvolumenstrom
1 bis 100 l/h beträgt und/oder das Gas aus Stickstoff mit
einem Sauerstoffpartialdruck im Bereich von etwa 1×10-6 bis
0,05 MPa besteht.
14. Verfahren zum Herstellen von keramischen piezoelektrischen
und/oder ferroelektrischen Mono- oder Multifilamentfasern
auf Basis von PbMO₃, worin M ein metallisches Element oder
eine anteilige Kombination verschiedener metallischer
Elemente bedeutet, das/die die "B"-Position im Perowskit-
Gitter besetzen kann/können,
worin keramische Mono- oder Multifilamentfasern, hergestellt nach einem der Ansprüche 7 bis 13, in sauerstoffhaltiger Atmosphäre in Gegenwart eines PbO-Partialdrucks gesintert werden.
worin keramische Mono- oder Multifilamentfasern, hergestellt nach einem der Ansprüche 7 bis 13, in sauerstoffhaltiger Atmosphäre in Gegenwart eines PbO-Partialdrucks gesintert werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die keramischen Mono- oder
Multifilamentfasern kontinuierlich durch die langgestreckte
Kammer eines auf etwa 800 bis 1000°C erhitzten Sinterofens
geführt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die sauerstoffhaltige Sinteratmosphäre mit
PbO-Partialdrücken von 10-30 bis 10⁵ Pa angereichert ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Anreicherung der sauerstoffhaltigen Sinteratmosphäre
mit PbO durch eine Pb-haltige Beschichtung der
Ofenkammerinnenfläche oder durch die Abgabe von
überstöchiometrischem PbO aus der Faser erzielt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, worin die
Mono- oder Multifilamentfasern in einer quasi geschlossenen
stationären Atmosphäre gesintert werden.
19. Verfahren zum Herstellen von keramischen und gegebenenfalls
piezoelektrischen Mono- oder Multifilamentfasern nach einem
der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet,
daß dem verflüssigten Sol 0,1 bis 5 Masse-% Perowskit-Keime
der entsprechenden Zusammensetzung PbMO₃ beigefügt sind, die
in einem gestreckten Habitus entlang kristallographisch
bevorzugter Achsen vorliegen, welche sich durch einen hohen
elektromechanischen Kopplungsfaktor auszeichnen.
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