DE19709691A1 - Verfahren zur Herstellung eines strukturierten keramischen Körpers mit zumindest teilweise separierten Teilstrukturen - Google Patents

Description

Strukturierte funktionskeramische Schichten aus Piezokeramik, Ferroelektrika oder keramischen Leuchtstoffen werden für ortsauflösende Anwendungen als Sensor- oder Aktorarrays benö­ tigt. Zur Strukturierung werden durchgehende Schichten in la­ teral nebeneinander angeordnete Einzelelemente zerlegt. Bei keramischen Dünnschichten können dazu aus der Mikroelektronik bekannte lithographische Verfahren angewendet werden. Bei ke­ ramischen Dickschichten mit einer Dicke von mehr als 100 µm kann die Strukturierung nach der Schichterzeugung meist nur durch mechanisches Trennen, wie beispielsweise Sägen, erfol­ gen.

Des weiteren sind keramische Verfahren bekannt, bei denen die keramische Rohmasse in strukturierte Kunststoffmatrizen ge­ gossen wird. Während des Sinterns verbrennt diese Kunststoff­ matrize oder verflüchtigt sich anderweitig, wobei die Matri­ zenform weitgehend in der gegossenen Keramik als Negativform erhalten bleibt. Diese Technik ist jedoch technologisch auf­ wendig und damit kostenintensiv.

Ein weiteres Problem bei bekannten strukturierten keramischen Schichten besteht darin, daß die zunächst aufgetrennten kera­ mischen Einzelelemente keinen Zusammenhalt besitzen, so daß die Struktur auf irgendeine Weise fixiert werden muß, bei­ spielsweise durch Befestigung auf einem Substrat oder durch Auffüllen der Zwischenräume mit einem Hilfsstoff.

Weiterhin sind zur Herstellung strukturierter Keramik­ schichten auch integrierte Verfahren bekannt. Durch gerichte­ tes anisotropes Aufdampfen von Alkalihalogenidleuchtstoffen auf vorstrukturierte Substrate werden Leuchtstoffschichten erhalten, die Strukturversetzungen aufweisen. Diese Art der Strukturierung ist jedoch für die meisten Keramiken nicht ge­ eignet und führt außerdem zu Einzelelementen, die ungenügend durch nur geringe Abstände voneinander getrennt sind.

Verschiedene Verfahren zur Herstellung von Keramik- Kunststoff-Composites mit unterschiedlicher Konnektivität sind einem Übersichtsartikel von V.F.Janas und A.Safari in J.Am.Ceram.Soc. 78[11], (1995), Seiten 2945 bis 2955 zu ent­ nehmen. Dabei werden zumeist keramische Formkörper in Kunst­ stoff eingebettet und zum Keramik-Kunststoff-Composite verar­ beitet. Dies kann durch Überziehen von Keramikpartikeln, ke­ ramischen Fasern oder keramischen Folien mit Kunststoff (Coating) und gegebenenfalls anschließende Coextrusion erfol­ gen. In keinem Fall wird dabei jedoch ein monolithischer ke­ ramischer Körper mit Strukturierung erhalten, sondern besten­ falls Mischkörper mit maximalen mechanischen Belastbarkeit, die der von gefülltem Kunststoff entspricht.

Eine weitere Möglichkeit, die ebenfalls in dem genannten Übersichtsartikel angeführt ist, besteht darin, ein Gewebe aus einem organischen Material mit einer flüssigen kerami­ schen Masse oder einem Precursor davon zu tränken und das or­ ganische Material anschließend wieder auszubrennen. Weiterhin können durch Verweben von mit keramischen Partikeln gefüllten Kunststoffasern Gewebe erzeugt werden, aus denen der organi­ sche Bestandteil wieder ausgebrannt werden kann, wobei eine keramische Gewebestruktur verbleibt. Diese Verfahren sind je­ doch aufwendig und ermöglichen nur das Herstellen bestimmter Strukturen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfa­ ches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines mo­ nolithischen keramischen Körpers mit Strukturierung anzuge­ ben, dessen Strukturen einen hohen Entkopplungsgrad und damit anisotrope Eigenschaften aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ge­ hen aus den Unteransprüchen hervor.

Grundlegendes Konzept des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, Grünkörper mit keramischen Abstandsstrukturen darauf zu erzeugen und anschließend mehrere dieser Grünkörper zu einem größeren Grünkörper zu vereinigen und zu sintern, wobei ein strukturierter keramischer Körper erhalten wird, der zumin­ dest teilweise separierte Teilstrukturen aufweist. Diese Teilstrukturen entsprechen den ursprünglichen Grünkörpern, wobei die Abstandsstrukturen die Kopplung zwischen den Teil­ strukturen im insgesamt monolithischen keramischen Körper darstellen.

Es wird dabei ein mechanisch ausreichend stabiler keramischer Körper erhalten, der einer Weiterverarbeitung für verschie­ denste Anwendungen zugänglich ist. Das Verfahren umfaßt aus­ schließlich einfach durchzuführende Einzelschritte. Bezüglich der Auswahl des keramischen Materials für die Grünkörper ist das Verfahren unbeschränkt. Über die Art und Ausbildung der Abstandsstrukturen läßt sich der Entkopplungsgrad der Teil­ strukturen im strukturierten keramischen Körper einstellen. Eine weitere Einstellmöglichkeit bietet das Verfahren durch die verwendeten Bedingungen, unter denen die Grünkörper mit den Abstandsstrukturen zu einem größeren Grünkörper vereinigt und anschließend gesintert werden.

Als keramischer Grünkörper wird ein Körper mit Raumform ver­ standen, der im wesentlichen aus feinteiligen keramischen Partikeln oder Partikeln der Vorläuferverbindungen aufgebaut ist. Zur Verbesserung des Zusammenhalts der Grünkörper können diese einen organischen Binder umfassen, in dem die festen Partikel eingebettet sind. Je nach Art und Menge des zuge­ setzten Binders weisen die Grünkörper weiche; elastische oder flexible Eigenschaften auf.

Der äußeren Form nach können die Grünkörper Grünfolien sein, die beispielsweise durch Foliengießen, Folienziehen oder Ex­ trudieren hergestellt sein können. Grünkörper können aber auch aus Grünfolien durch Schneiden oder Stanzen hergestellte streifen- bis faserförmige Grünkörper sein. Faserförmige Grünkörper können durch Spinnen oder Extrudieren einer kera­ mischen Rohmasse mit relativ hohem Binderanteil hergestellt werden. Doch auch beliebige andere Raumformen sind für die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten keramischen Grünkör­ per denkbar und möglich.

Für einen keramischen Körper mit anisotropen Eigenschaften werden jedoch Grünkörper eingesetzt, die zumindest in einer räumlichen Dimension der späteren Größe des gewünschten strukturierten keramischen Körpers entsprechen. Zur Herstel­ lung eines keramischen Körpers mit anisotropen Eigenschaften sind also eher flächige Grünkörper wie beispielsweise Folien, oder auch langgestreckte streifen- oder faserförmige Grünkör­ per geeignet.

Die Abstandsstrukturen umfassen statistische oder geometri­ sche Muster auf zumindest einer der Hauptoberflächen des Grünkörpers. Die Größe bzw. Höhe der Abstandsstrukturen über der Oberfläche des Grünkörpers ist gering relativ zur Größe des Grünkörpers. Die genaue Größe bzw. Höhe der Ab­ standsstrukturen richtet sich nach dem gewünschten Grad der Entkopplung der Teilstrukturen. Anders ausgedrückt, ist die einzustellende Größe der Abstandsstrukturen abhängig davon, wie stark die Teilstrukturen des strukturierten keramischen Körpers voneinander separiert sein sollen.

Auch die Anzahl bzw. der Flächenanteil der Abstandsstrukturen relativ zur Oberfläche des Grünkörpers wird in Abhängigkeit vom gewünschten Entkopplungsgrad gewählt. Da meist jedoch ein hoher Entkopplungsgrad angestrebt wird, sind die Ab­ standsstrukturen so ausgestaltet, daß sie bei minimalem Flä­ chenanteil relativ zur Oberfläche des Grünkörpers einen mini­ malen mittleren Abstand zueinander aufweisen. Dies wird vor­ zugsweise mit einer feinen Strukturierung erreicht.

Die Herstellung der Abstandsstrukturen kann integriert mit der Herstellung der Grünkörper erfolgen. Beispielsweise kön­ nen die Abstandsstrukturen durch Aufprägen auf eine noch hin­ reichend plastisch verformbare Grünfolie oder einen anderen Grünkörper erfolgen. Auch können die Grünfolien direkt in ei­ ner mit einer negativen Abstandsstruktur versehenen Gießform bzw. auf einer entsprechenden Unterlage als Matrize herge­ stellt werden. Eine geeignete Struktur kann beispielsweise bereits mit einer Unterlage bzw. Gießform mit einer ausrei­ chend hohen Rauhigkeit erreicht werden.

Werden Grünkörper eingesetzt, die nicht mehr ausreichend pla­ stisch verformbar sind so können die Abstandsstrukturen auch aufgedruckt werden. Dazu sind pastenartige druckbare Kera­ mikzusammensetzungen geeignet, die aus gleichem oder unter­ schiedlichem Material wie die Grünkörper bestehen können.

Möglich ist es auch, die Grünkörper mit einem organischen Überzug zu versehen, in dem feste Keramikpartikel enthalten sind. Dazu kann der Grünkörper mit einer organischen Masse überzogen sein, die einen geringen Füllkörperanteil aus kera­ mischen Partikeln enthält. Möglich ist es auch, die Grünkör­ per mit einer weichen und zum Beispiel klebrigen organischen Schicht zu versehen und in diese nachträglich feste Keramik­ partikel einzubringen, so daß sie an der Oberfläche des Grün­ körpers haften. Mit diesem Verfahren wird eine statistische Verteilung der Abstandsstrukturen auf den Grünkörpern er­ zielt.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der Abstandsstruktu­ ren besteht darin, die Grünkörper und insbesondere die Grün­ folien entlang strukturierter Kanten, beispielsweise durch Stanzen oder Schneiden mit einer strukturierten Klinge zu zerteilen. Vorzugsweise erfolgt das Zerteilen dabei so, daß kleinere Grünkörper in Form schmaler Streifen mit struktu­ rierten Schnittkanten entstehen.

Vorteilhaft ist es auch, mehrere dieser Verfahren zur Her­ stellung von Abstandsstrukturen miteinander zu kombinieren, und beispielsweise auf einer Grünfolie Abstandsstrukturen aufzubringen und diese anschließend mit einer strukturierten Klinge in streifenförmige kleinere Grünkörper zu zerteilen. Auf diese Weise werden Grünkörper erhalten, die auf sämtli­ chen Oberflächen mit Abstandsstrukturen versehen sind. Mit diesen Grünkörpern kann ein strukturierter keramischer Körper erhalten werden, dessen Teilstrukturen entlang sämtlicher Oberflächen von benachbarten Teilstrukturen separiert sind.

Mehrere in solcher Art vorbehandelte Grünkörper werden an­ schließend miteinander zu einem Verbund vereinigt. Dies kann durch Bündeln, Stapeln oder sonstiges Übereinanderschichten erfolgen. Ein fester Verbund wird erhalten, wenn dabei ein ein- oder mehrachsiger Preßdruck bei gegebenenfalls erhöhter Temperatur auf den Verbund einwirkt. Durch Variation der Pa­ rameter Druck und Temperatur während des Verpressens kann au­ ßerdem der Entkopplungsgrad der Teilstrukturen zumindest teilweise eingestellt werden. Eine höhere Entkopplung wird dabei mit geringerem Druck und/oder geringerer Temperatur er­ zielt. Das Verpressen kann beispielsweise ein Laminieren un­ ter milden Laminierbedingungen umfassen. Möglich ist es auch, streifen- oder faserförmige Grünkörper mit Abstandskörpern zu versehen, zu einem Strang zu bündeln und diesen durch eine geeignet geformte konische Öffnung oder eine entsprechend en­ ge Düse zu extrudieren.

Das Verpressen von Grünkörpern mit Abstandskörpern zu einem Verbund kann auch in einer formgebenden Matrize oder einer Preßform erfolgen.

Das Sintern des Verbundes zum keramischen Körper kann auf herkömmliche und auf die Keramik optimierten Bedingungen be­ züglich verwendeter Umgebungsatmosphäre beim Sintern und Tem­ peraturprogramm bzw. Temperaturverlauf durchgeführt werden. Es können von dem eingesetzten Keramikmaterial der Grünkörper abhängige optimale Sinterbedingungen gewählt werden, um bei­ spielsweise einen in den Teilstrukturen optimal dichten kera­ mischen Körper mit angepaßter Gefügestruktur und daher opti­ malen keramischen Eigenschaften zu erhalten. Je nach einge­ setzter Keramik können die keramischen Eigenschaften bei­ spielsweise bezüglich eines hohen piezo- oder pyroelektri­ schen Effekts, hoher optischer Transluzenz bis Transparenz oder bezüglich guter wärme- oder stromleitender Eigenschaf­ ten, hoher Dielektrizitätskonstante oder allgemein niedriger Defektdichte optimiert werden.

Besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß während des gesamten Sinterprozesses zwischen den Grünkörpern ausreichende Zwischenräume verbleiben, die ein ungestörtes, schnelles und vollständiges Entbindern ermöglichen. Das heißt, die bei der Zersetzung des Binders entstehenden gas­ förmigen Produkte können schnell nach außen geführt werden. Dadurch ist es möglich, die Entbinderung mit größeren Auf­ heizraten durchzuführen und Materialfehler zu vermeiden.

Es ist möglich, den Sintervorgang bei anderen und insbesonde­ re niedrigeren Sintertemperaturen durchzuführen, um in den Teilstrukturen eine gewünschte Korngröße, Gefügestruktur und/oder eine gewünschte Dichte einzustellen. Diese kann je nach Verwendungszweck des keramischen Körpers stark von der optimalen bzw. maximalen Dichte abweichen. Auf diese Weise kann auch ein insgesamt hochporöser keramischer Körper erhalten werden.

Der nach dem Sintern erhaltene keramische Körper weist einen zur Handhabung des Körpers ausreichende mechanische Festig­ keit auf. Diese kann ausreichend sein, den keramischen Körper noch nach dem Sintern einer formgebenden Behandlung zu unter­ ziehen und beispielsweise in Scheiben zu zerteilen, bei­ spielsweise durch Sägen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der kera­ mische Körper nach dem Sintern mit einem funktionsunterstüt­ zenden Material aufgefüllt. Die ausgeprägt anisotrope offene Porosität des Körpers erleichtert dabei die Befüllung mit ei­ nem vorzugsweise fluiden Material. Ist die Keramik beispiels­ weise eine optische Keramik mit hoher Transluzenz und insbe­ sondere eine Leuchtstoffkeramik, so wird als funktionsunter­ stützendes Material vorzugsweise ein Material mit gewünschten optischen Eigenschaften ausgewählt. Um die anisotropen opti­ schen Eigenschaften des keramischen Körpers zu verstärken, kann das funktionsunterstützende Material beispielsweise gute Reflexionseigenschaften aufweisen, um beispielsweise die Lichtleitung nahezu ausschließlich innerhalb der Teilstruktu­ ren durchzuführen und letztere optisch voneinander zu entkop­ peln. Eine Entkopplung kann auch mit einem hochstreuenden feindispersen Material, beispielsweise mit einem Pigment durchgeführt werden. Auch die gute Reflexionswirkung metalli­ scher Partikel kann dazu ausgenutzt werden.

Ein besonders einfaches Auffüllen der offenen Zwischenräume zwischen den separierten Teilstrukturen gelingt mit einem fluiden Material. Ein feinteiliger Füllstoff zum Auffüllen der Zwischenräume im keramischen Körper kann dann in dem fluiden Material dispergiert sein. Vorzugsweise wird dazu ein Gießharz verwendet. Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn ein Reaktionsharz verwendet wird, das die Keramik gut benetzt. Auf diese Weise ist ein einfaches Befüllen aufgrund entste­ hender Kapillarkräfte möglich. Ein Befüllen ist dabei ohne äußeren Druck durch einfaches Eintauchen in das gegebenen­ falls gefüllte Reaktionsharz möglich. Weniger dünnflüssige oder schlechter benetzende Füllmaterialien können unter Druck in die Zwischenräume eingebracht werden.

Weitere gewünschte Eigenschaften, die mit Hilfe des funkti­ onsunterstützenden Materials in die Zwischenräume zwischen den Teilstrukturen eingebracht werden, können sein:
geringe Licht-, Wärme- oder Stromleitfähigkeit, hohe oder niedrige Dielektrizitätskonstante, hohe oder niedrige Dichte und damit hohe oder niedrige Impedanz, geeignet angepaßtes Elastizitätsmodul, was insbesondere für piezoelektrische Ke­ ramik wichtig ist, da ein mit funktionsunterstützendem Mate­ rial gefüllter keramischer Körper aus Piezokeramik ein piezo­ keramisches Komposit darstellt.

Möglich ist es jedoch auch, nur eine Harzmatrix zum Auffüllen zu verwenden bzw. ein funktionsunterstützendes Material zu verwenden, mit dem die mechanische Festigkeit des keramischen Körpers erhöht wird. Auf diese Weise wird die Weiterbehand­ lung und insbesondere die Formgebung des keramischen Körpers erleichtert, insbesondere das Zersägen oder Zerteilen.

In Scheiben zerteilte keramische Körper können die anisotro­ pen Eigenschaften parallel zur Hauptoberfläche aufweisen. Das bedeutet, daß entlang dieser Richtung die geringsten Änderungen der gewünschten Eigenschaften im keramischen Körper bzw. in der Scheibe auftritt. Diese Achse kann beispielsweise ent­ lang der längsten räumlichen Abmessung des Körpers bzw. der Scheibe verlaufen.

Möglich ist es jedoch auch, den gegebenenfalls gefüllten ke­ ramischen Körper so zu zerteilen, daß die Anisotropie verti­ kal zu einer der Hauptoberflächen eingestellt ist. Besteht der keramische Körper beispielsweise aus faser- oder strei­ fenförmigen Teilstrukturen, so wird dies durch Zerteilung quer zu diesen Teilstrukturen möglich. Beispielsweise kann so eine punktförmig gerasterte Scheibe erhalten werden, bei der die keramischen Teilstrukturen die Rasterpunkte bilden, die bei minimalem Rasterabstand dennoch vollständig voneinander getrennt sind. Ein solcher Art gerasterter keramischer Körper ist in Abhängigkeit von der verwendeten Keramik für viele An­ wendungen geeignet. Aus Leuchtstoffkeramik aufgebaut kann er als zweidimensional auflösender Strahlenwandlerschirm dienen. Aus Piezokeramik dagegen kann ein zweidimensionales Sensor­ feld aufgebaut werden, während aus einer pyroelektrischen Ke­ ramik ein Pyrodetektorarray gefertigt werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen und der dazugehörigen zehn Fig. näher erläutert.

Die Fig. 1 bis 3 stellen mit Abstandsstrukturen versehene Grünkörper im schematischen Querschnitt dar.

Fig. 4 zeigt einen Grünkörper mit Trennungslinie in der Draufsicht.

Fig. 5 zeigt einen mit strukturierter Klinge geschnittenen Grünkörper in perspektivischer Darstellung.

Fig. 6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Grünkörper mit strukturierten Bruchkanten.

Die Fig. 7 und 8 stellen schematische Querschnitte durch Grünkörperverbunde dar.

Fig. 9 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen keramischen Körper und

Fig. 10 zeigt im schematischen Längsschnitt einen mit funk­ tionsunterstützendem Material ausgefüllten kerami­ schen Körper.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Grünkörper GK mit darauf aufgebrachten Abstandsstrukturen AS. Der Grün­ körper ist von beliebiger Raumform und beispielsweise als Grünfolie mit einer Dicke von 20 µm bis 2 mm ausgebildet. Die Abstandsstrukturen AS sind ebenfalls aus keramischem Material ausgebildet, welches dem Material des Grünkörpers GK entspre­ chen kann oder von diesem verschieden ist. Die Abstandsstruk­ turen AS sind auf zumindest einer, vorzugsweise jedoch auf allen Hauptoberflächen des Grünkörpers aufgebracht. Sie wei­ sen beispielsweise eine Breite von 2 µm bis 5 mm bei einer Höhe von 2 µm bis 200 µm auf. Sie können aufgedruckt, einge­ prägt oder bei der Folienherstellung von einer Matrize abge­ formt sein. Die in der Figur idealisiert dargestellten Ab­ standsstrukturen AS können auch von einer ausreichend rauhen Oberfläche gebildet werden, wenn diese von einer entsprechend rauhen Unterlage abgeformt oder mit einem entsprechend ausge­ bildeten Stempel eingeprägt ist.

Fig. 2 zeigt eine weitere Möglichkeit, Abstandsstrukturen AS auf die Oberfläche eines Grünkörpers GK aufzubringen. In ei­ ner Kunststoffmasse, beispielsweise einem Reaktionsharz, wer­ den dazu keramische Partikel homogen dispergiert, wobei ein geringer Füllgrad von beispielsweise 2 bis 10 Volumenprozent eingehalten wird. Diese gefüllte Kunststoffmasse wird an­ schließend auf die Oberfläche eines Grünkörpers GK in mög­ lichst dünner, dem Durchmesser der Keramikpartikel entspre­ chender Schichtdicke auf zumindest einer der Hauptoberflächen aufgebracht. Dieses Verfahren ist vorzugsweise für faserför­ mige keramische Grünkörper geeignet, wobei letztere ganzflä­ chig mit einer die Abstandsstrukturen AS enthaltenden organi­ schen Schicht OS überzogen werden können. Als Ergebnis wird ein Grünkörper erhalten, der zumindest auf der Hauptoberflä­ che in gleichmäßiger Verteilung Abstandsstrukturen AS in Form keramischer Partikel aufweist.

Fig. 3 zeigt eine Variante des in Fig. 2 dargestellten Ver­ fahrens, bei dem auf dem Grünkörper auf zumindest einer Ober­ fläche zunächst eine viskose und gegebenenfalls klebrige or­ ganische Schicht OS in geringer Schichtdicke aufgebracht wird. Auf dieser weichen oder klebrigen Schicht OS werden an­ schließend keramische Partikel gleichmäßig verteilt, die die Abstandsstruktur AS des Grünkörpers bilden. Nach Härtung der organischen Schicht OS sind diese fest mit dem Grünkörper verbunden.

Für die Ausführungen gemäß der Fig. 2 und 3 werden vor­ zugsweise keramische Partikel mit einem Durchmesser von 2 µm bis 50 µm verwendet, was insbesondere für die vorteilhafte Verwendung als Abstandsstrukturen bei faserförmigen kerami­ schen Grünkörpern als Abstandsstruktur ausreichend ist.

Fig. 4 zeigt in schematischer Draufsicht einen beispielswei­ se als Folie ausgebildeten Grünkörper GK mit einer darin an­ gedeuteten Trennungslinie TL. Wird der Grünkörper GK nun ent­ lang dieser Trennungslinie TL in kleinere und beispielsweise streifenförmige Teile zerschnitten, so entstehen strukturier­ te Schnittkanten, die Abstandsstrukturen aufweisen. Zur Er­ zeugung dieser Schnittkanten kann beispielsweise eine struk­ turierte Klinge zum Schneiden, Stanzen oder Scheren verwendet werden.

Fig. 5 zeigt einen solchen streifenförmigen Grünkörper, der hier zwei strukturierte Schnittkanten mit Erhebungen auf­ weist, die Abstandsstrukturen AS des Grünkörpers GK darstel­ len. Beim Ausschneiden solcher Grünkörper mit strukturierten Schnittkanten aus einem größeren Grünkörper, beispielsweise einer Grünfolie, werden Abstände zwischen den Trennlinien TL eingehalten, die ungefähr der Foliendicke entsprechen oder beispielsweise zwischen 50 µm und 5 mm gewählt werden.

Fig. 6 zeigt wiederum einen schematischen Querschnitt durch einen Grünkörper GK, in dem mehrere Trennlinien TL angedeutet sind. Diese Trennlinien verlaufen quer durch den Grünkörper entlang von Korngrenzen der den keramischen Grünkörper GK aufbauenden Keramikrohmasse. Insbesondere bei Grünkörpern mit geringem oder gar keinem Binderanteil, die spröde sind und keine Plastizität oder Elastizität aufweisen, lassen sich in vorteilhafter Weise Brüche entlang solcher natürlich vorgege­ bener Trennlinien TL erzeugen. Als Ergebnis können ebenfalls streifenförmig strukturierte Grünkörper mit strukturierten Bruchkanten erhalten werden, deren Erhebungen Abstandsstruk­ turen der zum Beispiel streifenförmigen Grünkörper GK dar­ stellen.

Da die Ausführungsbeispiele gemäß der Fig. 1 bis 3 Verfah­ ren darstellen, die insbesondere zum Erzeugen von Ab­ standsstrukturen AS auf großflächigen Grünkörpern GK geeignet sind und die Ausführungen gemäß der Fig. 4 bis 6 Verfahren zum Strukturieren von Bruch- oder Schnittkanten darstellen, lassen sich in einfacher Weise zwei oder mehr dieser Verfah­ ren an einem Grünkörper realisieren. Dementsprechend können auf einem großflächigen Grünkörper GK zunächst oberflächlich Abstandsstrukturen AS aufgebracht werden und derselbe Grün­ körper anschließend in kleinere und beispielsweise streifen­ förmige Grünkörper GK zerteilt werden, die strukturierte Schnitt- oder Bruchkanten aufweisen. Auf diese Weise werden zum Beispiel streifenförmige Grünkörper erhalten, die auf vier Hauptoberflächen Abstandsstrukturen AS aufweisen.

Zum Herstellen eines keramischen Körpers werden anschließend mehrere der mit Abstandsstrukturen AS versehenen Grünkörper GK zu einem Verbund angeordnet und vereinigt.

Zum Herstellen des Verbunds werden die Grünkörper übereinan­ der geschichtet, gestapelt oder gebündelt. In Abhängigkeit von der Form der Grünkörper kann ein solcher Verbund auch re­ gelmäßig aufgebaut sein. Sind diese beispielsweise folienar­ tig, so besteht der Verbund beispielsweise aus einem Stapel, der ohne weiteres Dazutun bereits eine äußerst regelmäßige Anordnung der mit Abstandsstrukturen versehenen Grünkörper darstellt. Bei streifenförmiger Zerteilung von Grünfolien entstehen kleinere streifenförmige Grünkörper mit rechtecki­ gem Querschnitt, die zum Herstellen eines Verbunds nur paral­ lel zueinander ausgerichtet werden und im Verbund eine gleichmäßige aber ungeordnete Verteilung aufweisen. Fig. 7 zeigt einen solchen Verbund im Querschnitt quer zur Längsach­ se der Grünkörper GK. Diese unregelmäßige Anordnung bewirkt zusammen mit den in der Fig. 7 nicht dargestellten Abstands­ strukturen, deren Größe in Wirklichkeit ja bis zu zwei Grö­ ßenordnungen unter dem Durchmesser der Grünkörper liegt, daß zwischen den Grünkörpern GK Hohlräume HR verbleiben. Der di­ rekte Kontakt von einzelnen Grünkörpern untereinander erfolgt ausschließlich über Kanten oder Abstandsstrukturen, so daß die maximale Kontaktfläche zwischen zwei benachbarten Grün­ körpern minimal ist und einen Bruchteil ihrer zueinanderwei­ senden Oberflächen ausmacht.

Fig. 8 zeigt einen Verbund von faserförmigen Grünkörpern GK, die an der Oberfläche Abstandsstrukturen AS in Form von dar­ auf aufgebrachten keramischen Partikeln aufweisen. Der zum Beispiel runde Querschnitt der faserförmigen Grünkörper GK ermöglicht hier eine sehr regelmäßige Anordnung der Grünkör­ per zueinander, was in Fig. 8 auch angedeutet ist.

Vor dem Sintern der zu einem Verbund angeordneten Grünkörper GK kann die Struktur des Verbundes durch Verpressen, Laminie­ ren oder sonstige thermisch/mechanische Einwirkung verdichtet und somit verfestigt werden. Dies kann durch ein- oder mehrachsiges Verpressen und gegebenenfalls auch in einer formgebenden Preßmatrize durchgeführt werden.

Die gegebenenfalls verfestigten und verdichteten Verbünde werden anschließend auf herkömmliche Weise gesintert. Dabei kommt es zu einer Verdichtung der keramischen Masse innerhalb der Grünkörper GK, die bis zu 100 Prozent der theoretischen Dichte betragen kann. Aufgrund der geringen Kontaktfläche zwischen benachbarten Grünkörpern, die maximal dem Flächenan­ teil der Abstandsstrukturen AS auf der Oberfläche der Grün­ körper GK ausmacht, tritt beim Sintern zwischen den Grünkör­ pern GK eine nur geringfügige Verdichtung ein, so daß die durch die Abstandsstrukturen AS vorgegebenen Mindestabstände zwischen benachbarten Grünkörpern sich nur teilweise reduzie­ ren, so daß auch im gesinterten keramischen Körper die durch die ehemaligen Grünkörper vorgegebenen Teilstrukturen weitge­ hend voneinander separiert bleiben. Lediglich an den Kontakt­ punkten zwischen den Abstandsstrukturen zweier benachbarter Grünkörper bzw. zwischen den Abstandsstrukturen eines Grün­ körpers und der Oberfläche eines benachbarten Grünkörpers sintern diese zusammen und bilden insgesamt einen monolithi­ schen keramischen Körper, der allerdings zwischen den Teil­ strukturen bzw. zwischen den durch direkten Kontakt erfolgten Verbindungen Hohlräume aufweist.

Fig. 9 stellt einen schematischen Querschnitt durch einen so erhaltenen keramischen Körper dar, der beispielsweise durch Stapeln und Sintern von folienartigen Grünkörpern erhalten wurde. Die Darstellung gemäß Fig. 9 kann auch einem aus ke­ ramischen Fasern hergestellten keramischen Verbund entspre­ chen, wobei hier der Querschnitt parallel zur Hauptachse der Fasern belegt wurde. Ein solcher keramischer Körper weist be­ reits eine erhebliche mechanische Festigkeit auf, so daß er bereits für einige Anwendungen zugänglich ist.

Vorzugsweise wird der keramische Körper in den Hohlräumen zwischen den separierten Teilstrukturen mit einem funktions­ unterstützenden Material FM gefüllt. Fig. 10 zeigt aus­ schnittsweise anhand eines schematischen Querschnitts durch einen solchen zwischen zwei Teilstrukturen TS gebildeten Hohlraum die Befüllung mit einem beispielsweise dispersen funktionsunterstützenden Material FM. Zum besseren Be- und Ausfüllen des Hohlraums ist der feindisperse Füllstoff in ei­ ner organischen Matrix, beispielsweise einem Reaktionsharz dispergiert und bildet mit diesem zusammen das funktionsun­ terstützende Material FM. Auch eine organische Matrix alleine kann ein funktionsunterstützendes Material FM darstellen.

Für ein konkretes Ausführungsbeispiel wird ein Leuchtstoff­ pulver, beispielsweise (Y, Gd)₂O₃ : Eu in eine keramische Grün­ folie in einer Dicke von 5 µm bis 2000 µm insbesondere von 50 bis 500 µm überführt. Mit einem strukturierten Ziehschuh kön­ nen auf der Grünfolie Pfade von einer Dicke von 2 µm bis 100 µm und insbesondere von 2 µm bis 50 µm beidseitig ausgezogen werden, die als Abstandsstrukturen AS fungieren (siehe Fig. 1). Vorzugsweise senkrecht zur Richtung der beispielsweise streifenförmigen Pfade wird die Grünfolie (Grünkörper GK) in streifenförmige Segmente zerteilt, wahlweise mit einer struk­ turierten oder unstrukturierten Schneide. Die Breite der streifenförmigen Segmente beträgt 50 bis 2000 µm und insbe­ sondere 100 bis 1000 µm. Die Länge der streifenförmigen Seg­ mente entspricht der Breite der Grünfolie.

Die solcher Art mit Abstandsstruktur AS versehenen streifen­ förmigen Grünkörper GK werden anschließend ohne zusätzlichen Abstandshalter gestapelt und wahlweise unter geringem Druck zwischen 1 Pa und 10 MPa und insbesondere zwischen 1 Pa und 0,1 MPa verpreßt und gesintert, vorzugsweise drucklos an Luft. Der entstehende keramische Körper (Sinterkörper) wird anschließend mit einer Pigment/Reaktionsharzmatrix verfüllt, die als funktionsunterstützendes Material FM dient. Bei­ spielsweise werden dazu Titandioxidpigmente in Epoxidharz dispergiert und die Infiltrierung durch Eintauchen des kera­ mischen Körpers in diese Dispersion vorgenommen, wobei Kapil­ larkräfte das Eindringen der Dispersion in die Hohlräume er­ leichtern, bis diese vollständig mit funktionsunterstützendem Material FM befüllt sind (siehe Fig. 10). Anschließend wird der befüllte keramische Körper vorzugsweise vertikal zur Ori­ entierung der streifenförmigen Teilstrukturen TS zersägt, wo­ bei scheibenförmige keramische Körper erhalten werden, die eine beispielsweise der Fig. 7 entsprechende Struktur auf­ weisen. Die keramischen Teilstrukturen sind weitgehend von­ einander separiert, wobei die Hohlräume dazwischen vollstän­ dig mit funktionsunterstützendem Material FM ausgefüllt sind.

Ein solcher scheibenförmiger Körper wird insbesondere als Strahlenwandlerschirm und in Verbindung mit einem Photodetek­ tor als Röntgendetektor eingesetzt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung strukturierter keramischer Kör­ per, bei dem keramische Grünkörper (GK) mit darauf aufgebrachten keramischen Abstandsstrukturen (AS) erzeugt werden und bei dem anschließend mehrere der mit keramischen Abstandsstruktu­ ren versehenen Grünkörper zu einem Grünkörperverbund verei­ nigt und gemeinsam zu einem strukturierten keramischen Körper gesintert werden, der zumindest teilweise separierte Teil­ strukturen (TS) aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Erzeugen der keramischen Abstandsstrukturen (AS) ein Aufprägen oder Aufdrucken dieser Abstandsstrukturen auf keramische Grünfolien (GK) umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, oder 2, bei dem das Erzeugen der keramischen Abstandsstrukturen (AS) ein Schneiden oder Stanzen von keramischen Grünfolien (GK) mit einer strukturierten Klinge umfaßt, wobei streifenförmige Grünkörper mit strukturierten Schnittkanten entstehen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Erzeugen der keramischen Abstandsstrukturen (AS) ein Überziehen keramischer Grünkörper (GK) mit einem Kunst­ stoff umfaßt, in den keramische Partikel dispergiert sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die mit keramischen Abstandsstrukturen (AS) versehe­ nen Grünkörper (GK) unter Druck zum Grünkörperverbund verei­ nigt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Kopplungsgrad und der Abstand der Teilstrukturen (TS) des strukturierten keramischen Körpers durch zumindest eine der Maßnahmen eingestellt werden:
Variation von Geometrie und Verteilung der Abstandsstrukturen
Variation des Druckes beim Verpressen zum größeren Grünkör­ perverbund.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der strukturierte keramische Körper nach denk Sintern zwischen den Teilstrukturen (TS) mit einem funktionsunter­ stützenden Material (FM) aufgefüllt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die keramischen Grünkörper (GK) aus einem Leuchtstoff bestehen und bei dem zum Auffüllen mit funktionsunter­ stützendem Material (FM) ein Material mit hoher Lichtstreu­ wirkung verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das funktionsunterstützende Material (FM) zum Auffül­ len in einer Reaktionsharzmatrix dipergiert ist.

10. Verwendung eines nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellten strukturierten keramischen Körpers als struktu­ rierter Strahlungsbildwandler zum ortsaufgelösten Strahlungs­ nachweis, insbesondere in bildgebenden medizinischen Verfah­ ren.