DE19963698A1 - Dünne poröse Schicht mit offener Porosität und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung schlägt zur Lösung der Aufgabe, eine dünne poröse Schicht zu schaffen, die eine definierte Porosität bei gleichzeitig hoher Festigkeit aufweist, eine derartige Schicht mit offener Porosität vor, hergestellt aus einem Gemisch, umfassend ein sinterfähiges Pulver mit einer vorgebbaren Größenverteilung der Pulverpartikel, wobei die gesinterte Schicht eine Dicke, die mindestens etwa dem dreifachen mittleren Durchmesser der eingesetzten Pulverpartikel entspricht, einen Porendurchmesser in einem Bereich von 0,01 bis 50 mum und eine Zugfestigkeit in einem Bereich von etwa 5 bis 500 N/mm·2· aufweist. Weiterhin schägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen dünnen porösen Schicht mit offener Porosität vor.

Description

Die Erfindung betrifft eine dünne poröse Schicht mit offener Porosität, hergestellt aus einem Gemisch umfassend sinterfä­ higes Pulver, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

In der Technik werden für die vielfältigsten Anwendungszwecke poröse Körper benötigt, die von einem strömenden Medium durchströmt werden, wobei entweder reaktive Vorgänge unter­ stützt werden sollen oder aber im strömungsfähigen Medium enthaltene Feststoffteilchen zurückgehalten, d. h. ausgefil­ tert werden sollen. Filterkörper aus keramischem Material müssen im allgemeinen wegen der Bruchgefahr relativ dick aus­ gebildet werden. Der Verwendung von Kunststoffen als Filter­ material sind üblicherweise Grenzen gesetzt durch die geringe Festigkeit und die geringe Temperaturbeständigkeit. Eine Ver­ wendung von metallischen Werkstoffen als poröse Schicht ist bekannt in Form von aus Metallfasern hergestellten Geweben oder Vliesen. Auch Filterkörper aus gepreßten und gesinterten Metallpulvern sind aus herstellungstechnischen Gründen ver­ hältnismäßig dick. Wesentlicher Grund dafür, daß derartige Filterkörper relativ dick ausgebildet werden müssen, ist, daß diese die notwendige Festigkeit, insbesondere im Hinblick auf die Werte der Zug- und Scherfestigkeit, nicht aufweisen. We­ gen der nicht zu vermindernden Dicke treten, besonders bei feinporigem Material, entsprechend große Strömungswiderstände auf.

Bei einer derartigen, von einem Medium durchströmten porösen Schicht besteht unabhängig vom verwendeten Material das Be­ dürfnis, unerwünschte Strömungswiderstände zu minimieren, so daß möglichst dünne Schichtdicken anzustreben sind, sowie diesen Schichten eine ausreichende Festigkeit zu geben. Aus metallischem Gewebe oder Vlies lassen sich zwar entsprechend dünne Schichten, beispielsweise in einer Dicke von etwa 100 µm, herstellen. Diese sind jedoch wenig fest, weisen ver­ hältnismäßig große Poren und hinsichtlich der Porosität große Toleranzen auf. Da zur Herstellung derartiger Gewebe und Vliese entsprechend dünne und daher auch teure Drähte verwen­ det werden müssen, sind die hieraus hergestellten Gewebe und Vliese entsprechend teuer.

Aus EP 0 525 325 B1 ist ein Verfahren zum Herstellen von po­ rösen, metallischen Sinterwerkstücken bekannt, bei dem zu­ nächst ein Metallpulver in einer Trägerflüssigkeit suspen­ diert wird, die aus einem in einem Lösemittel aufgelösten Bindemittel besteht und die so eingestellt ist, daß die Sus­ pension gießfähig ist. Diese Suspension wird in eine Form ge­ gossen. Anschließend wird das Lösemittel abgedampft, so daß durch das verbleibende Bindemittel das Metallpulver in der durch die Form vorgegebenen Geometrie verfestigt wird und ei­ nen handhabbaren Grünkörper bildet. Nach dem Trennen aus der Form wird der Grünkörper in üblicher Weise gesintert. Dieses vorbekannte Verfahren ist vorzugsweise zur Herstellung von verhältnismäßig dickwandigen Sinterteilen vorgesehen, die sich aufgrund ihrer Geometrie besser durch einen Gießvorgang als im herkömmlichen Verfahren durch ein Pressen eines Me­ tallpulvers in eine Form herstellen lassen. Dünnschichtige, offene, poröse Teile lassen sich mit diesem Verfahren nicht herstellen. Mittels dieses Verfahrens hergestellte dünne Schichten sind brüchig, sie weisen keine ausreichenden Fe­ stigkeiten auf.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine dünne po­ röse Schicht sowie ein Verfahren zur deren Herstellung zu schaffen, die eine definierte Porosität und ausreichende Fe­ stigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine dünne poröse Schicht mit offe­ ner Porosität gelöst, welche hergestellt ist aus einem Ge­ misch umfassend ein sinterfähiges Pulver mit einer vorgebba­ ren Größenverteilung der Pulverpartikel, wobei die gesinterte Schicht eine Dicke, die mindestens etwa dem dreifachen mitt­ leren Durchmesser der eingesetzten Pulverpartikel entspricht, wobei vorzugsweise die Dicke in einem Bereich von etwa dem 3- bis 25-fachen, weiter bevorzugt dem 3- bis 10-fachen des Durchmessers der Pulverpartikel liegt, einen definierten Po­ rendurchmesser in einem Bereich von etwa 0,01 bis 50 µm und eine Zugfestigkeit in einem Bereich von etwa 5 bis 500 N/mm², bevorzugt 20 bis 400 N/mm², weiter bevorzugt 50 bis 300 N/mm², gemessen in Anlehnung an DIN EN 10002, aufweist.

Unter sinterfähigen Pulvern im Sinne der Erfindung werden Pulver verstanden, hergestellt aus Metallen, Metalloxyden, Keramiken und/oder Kunststoffen. Verwendbare metallische Pul­ ver im Sinne der Erfindung sind nicht nur Pulver aus reinen Metallen, sondern auch Pulver aus Metallegierungen und/oder Pulvermischungen aus unterschiedlichen Metallen und Metalle­ gierungen zu verstehen. Dazu gehören insbesondere Stähle, vorzugsweise Chrom-Nickel-Stähle, Bronzen, Nickelbasislegie­ rungen wie Hastalloy, Inconel oder dergleichen, wobei Pulver­ mischungen auch hochschmelzende Bestandteile enthalten kön­ nen, wie beispielsweise Platin oder dergleichen. Das verwen­ dete Metallpulver und seine Teilchengröße ist vom jeweiligen Einsatzzweck abhängig. Bevorzugte Pulver sind die Legierungen 316 L, 304 L, Inconel 600, Inconel 625, Monel und Hastalloy B, X und C.

Durch das genannte Verhältnis zwischen der Schichtdicke und dem Partikeldurchmesser ist sichergestellt, daß immer mehrere Lagen von Partikeln übereinander angeordnet sind und durchge­ hende Löcher, die größer als der gewünschte Porendurchmesser sind, vermieden werden. Durchgehende Löcher können hierdurch vermieden werden. Die Korngröße und damit der Durchmesser der einsetzbaren Pulverpartikel liegt in einem Bereich von 0,05 µm bis 150 µm, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,5 µm bis 100 µm, noch mehr bevorzugt in einem Bereich von 0,5 µm bis 6 µm.

Hierdurch werden vorteilhafterweise Inhomogenitäten und Hohl­ räume in der dünnen porösen Schicht vermieden. Es ist also möglich, die Größe der Porosität bis zu einem gewissen Grad über die Teilchengröße des eingesetzten sinterfähigen Pulvers zu beeinflussen.

Vorzugsweise beträgt die Dicke der erfindungsgemäßen Schicht maximal etwa 500 µm, bevorzugt liegt sie in einem Bereich von etwa 5 bis 300 µm, noch mehr bevorzugt 5 bis 18 µm. Derart dün­ ne Schichten mit ausreichender Festigkeit waren bislang nicht herstellbar. Die erfindungsgemäße Schicht weist vorteilhafter Weise sowohl ausgesprochen geringe Strömungswiderstände bei Durchströmung derselben mit flüssigen oder gasförmigen Medien als auch eine dabei ausreichend hohe Festigkeit bzw. Steif­ heit auf. Es kann vorgesehen sein, die erfindungsgemäße Schicht ohne einen Trägerkörper als Folien oder Membran ein­ zusetzen oder aber fest mit einem Trägerkörper zu verbinden. Die erfindungsgemäße Schicht paßt sich vorteilhafterweise aufgrund ihrer noch vorhandenen Flexibilität auch einer un­ ebenen, beispielsweise gekrümmten Auflage hervorragend an.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die dünne poröse Schicht selbsttragend. Selbsttragend im Sinne der Erfindung bedeutet, daß die erfindungsgemäße Schicht ohne jeglichen Trägerkörper verwendet werden kann und dabei nicht bricht oder brüchig wird. So ist es beispielsweise möglich, Folien­ blätter herzustellen und diese in mehreren Schichten überein­ andergelegt und gegebenenfalls auf die Anwendungsbedürfnisse zugeschnitten zu verwenden. Durch die selbsttragenden Eigen­ schaften der erfindungsgemäßen Folie ist es vorteilhafterwei­ se möglich, erfindungsgemäße Schichten als Filter- bzw. Kata­ lysatormaterialien dort einzusetzen, wo bisher beispielsweise papierähnliche Materialien verwendet wurden. Denn die erfin­ dungsgemäßen dünnen porösen Schichten aus sinterfähigen Pul­ vern sind bekannten Schichten aus Papier bzw. papierähnlichen Materialien für ähnliche Anwendungen insoweit überlegen, als sie deutlich höhere Standzeiten, bessere Rückspüleigenschaf­ ten und einen erweiterten Anwendungsbereich, insbesondere im Hinblick auf die möglichen Temperaturen und pH-Werte, aufwei­ sen.

Bevorzugt liegt der Bubbel-Point Druck der erfindungsgemäßen Schicht in einem Bereich von etwa 8 × 10⁶ bis 2 × 10³ Pa, be­ sonders bevorzugt in einem Bereich von etwa 8,6 × 10⁶ bis 1,7 2 × 10³ Pa, ermittelt nach DIN 30911.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Gemisch, aus welchem die dünne poröse Schicht hergestellt ist, anorganische und/oder organische Porenbildner. Hierzu eignen sich insbesondere Harnstoffe, die in kristalliner Form und damit in definierten Teilchengrößen vorliegen. Jedoch ist es auch möglich, Ammoniumcarbonat sowie andere anorganische Salze zu verwenden. Als organische Porenbildner kommen insbe­ sondere Styropor, Saccharose, Gelatinen und Tapetenkleister in Frage. Aber auch bereits im Stand der Technik bekannte Bindemittel oder Wachse, die insbesondere als Hilfsstoffe zur Verringerung der Reibung in den jeweiligen Werkzeugen in der Pulvermetallurgie verwendet werden, können Verwendung finden. Diese Bindemittel und Wachse werden jedoch nicht in den üb­ lich niedrigen Konzentrationen verwendet, sondern sind in dem Gemisch zur Herstellung der dünnen porösen Schicht in einem Anteil von mindestens etwa 5 Vol.-%, vorzugsweise mehr als 12 Vol.-% vorhanden. Die Porenbildner können sowohl in defi­ nierter Partikelform und -größe vorliegen als auch als Lösung bzw. gelöst in einem zu verwendeten Lösemittel. Bevorzugt liegen die Porenbildner jedoch in definierter Partikelform und -größe vor.

Die Porenbildner lassen sich in zwei unterschiedliche Gruppen aufteilen, nämlich einerseits in eine Gruppe derjenigen Po­ renbildner, die dem zu sinternden Gemisch als Platzhalter für die späteren Feinstporen dienen. Die andere Gruppe bilden diejenigen Porenbildner, welche als Füllstoff benutzt werden, üblicherweise um eine hohe Porosität zu erzielen. Im erstge­ nannten Fall, in welchem die Porenbildner als Platzhalter fungieren, werden die Porenbildner in einer Partikelgröße (Korngröße) verwendet, welche etwa in dem Größenbereich liegt, den die in der dünnen porösen Schicht beinhalteten Feinstporen aufweisen sollen. Ist zum Beispiel Ziel, Feinst­ poren in einem Bereich von 1 µm zu erzielen, so dürfen die Po­ renbildner nicht wesentlich über bzw. unter 1 µm groß sein. Hierdurch wird sichergestellt, daß trotz des beim Sintern des Gemisches zu der dünnen porösen Schicht auftretenden Schrumpfvorganges, der jedoch eingerechnet werden kann, die gewünschten Porengrößen erreicht werden. Die Verwendung von Porenbildnern als Füllstoff ist insbesondere dann empfehlens­ wert, wenn erfindungsgemäße dünne poröse Schichten mit nied­ rigen Dichten und einem extrem hohen Durchfluß erhalten wer­ den sollen. Gemäß der Erfindung ist es auch möglich, als Po­ renbildner Gemische, insbesondere der vorgenannten Substan­ zen, auch unterschiedlicher Dichte und/oder Größe zu verwen­ den. Insbesondere sind auch Kombinationen von Porenbildnern im Gemisch gemäß der Erfindung vorgesehen, in welchem die Po­ renbildner sowohl als Platzhalter als auch als Füllstoff die­ nen.

Das in dem Gemisch enthaltene sinterfähige Pulver besteht aus kugelförmigen und/oder spratzigen Partikeln. Bei der Verwen­ dung von kugelförmigen Pulverteilchen ist eine gleichmäßige Verteilung des sinterbaren Pulvers sowie der gegebenenfalls weiterhin in dem Gemisch vorhandenen Substanzen, insbesondere Porenbildnern, gewährleistet, daß Verhakungen der sinterfähi­ gen Pulverpartikel nicht gegeben sind. Spratzige sinterfähige Pulver ermöglichen andererseits, erfindungsgemäße Schichten niedriger Dichte und mit relativ großen Poren zu erhalten bei gleichzeitiger hoher Festigkeit, da diese spratzigen Partikel mehr und damit festere Bindungen zu benachbarten spratzigen Partikeln ausbilden als dies der Fall bei Verwendung von ku­ gelförmigen Partikeln ist. Es ist vorgesehen, daß das sinter­ fähige Pulver zumindest teilweise aus Kurzfasern besteht. Hier kommen vorzugsweise Metallfasern in Betracht, die mit Durchmessern zwischen 0,1 und 250 µm, bevorzugt 1 µm bis 50 µm, und in einer Länge von wenigen µm bis zur Millimetergröße, bevorzugt in einem Bereich von 0,1 bis 500 µm, zur Verfügung stehen, wobei durch Mischung von sinterbaren Partikeln in Fa­ serstruktur mit sinterbaren Partikeln in Kugelstruktur in Verbindung mit den suspendierten Porenbildnern sich je nach dem geforderten Einsatzzweck sehr dünne gesinterte offenpori­ ge Schichten mit definierter Porosität herstellen lassen. Es läßt sich auf diese Weise die Permeabilität der Schicht erhö­ hen.

In einer weiteren Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Schicht einen gradierten Aufbau auf. Dies bedeutet, daß in einer einzelnen dünnen porösen Schicht auf einer Seite der­ selben kleinere Poren vorliegen als auf der dieser Seite ent­ gegengesetzten weiteren Seite der porösen Schicht. Durch ei­ nen gradierten Aufbau kann der Strömungswiderstand der dünn­ porigen Schicht exakt auf die benötigten Bedürfnisse abge­ stellt werden. Dadurch, daß auf der Seite der erfindungsge­ mäßen Schicht mit dem kleineren Porendurchmesser die eindrin­ genden Partikel zurückgehalten werden, das durchströmende Gas oder die durchströmende Flüssigkeit bei Durchströmen jedoch im Bereich der größeren Porendurchmesser auf der entgegenge­ setzten Seite der Schicht diese leichter durchströmt, weisen derartige gradierte Schichten vorteilhafterweise im Vergleich zu nichtgradierten Schichten deutlich reduzierte Strömungswi­ derstände auf. Bevorzugt ist ein gradierter Aufbau in einer einzigen Schichtlage. Hierdurch werden Produktionszeiten und -kosten eingespart. Darüber hinaus ergeben sich keine Ablöse- bzw. Verbindungsprobleme, beispielsweise bei Alterung, wie Undichtigkeiten.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstel­ lung einer dünnen porösen Schicht mit offener Porosität, bei dem das sinterfähige Pulver mit einer vorgegebenen Größenver­ teilung der Pulverpartikel zusammen mit Partikeln vorgegebe­ ner Größe als Porenbildner in einer Trägerflüssigkeit suspen­ diert wird, die in wenigstens einer Schicht auf den Träger­ körper aufgebracht, getrocknet und die so gebildete Grün­ schicht gesintert wird. Beim Sintern einer aus einem sinter­ fähigen Pulver, vorzugsweise einem Metallpulver, gebildeten Grünschicht verbinden sich die einzelnen Pulverteilchen fest miteinander, wobei zwischen den Pulverteilchen Freiräume ver­ bleiben, die in bezug auf die Dicke der gesinterten Schicht eine offene Porosität ergeben, so daß die Schicht für strö­ mende Medien durchlässig wird.

Nach dem Sinterprozeß kann die Schicht entweder vom Träger abgenommen werden, oder sie wird zusammen mit diesem weiter­ verarbeitet. Insbesondere aufgrund der nach dem Sinterschritt zwischen dem Trägerkörper und der Schicht erzielbaren festen Verbindung, soweit der Trägerkörper Verbindungen mit dem sin­ terfähigen Pulver einzugehen vermag, wobei die Haftung noch durch Einsatz von besonders hoch sinteraktiven metallischen Komponenten um das 3- bis 8-fache verbessert werden kann, lassen sich beispielsweise Filterkerzen auf einfache Art und Weise in einem einzigen Verfahrensschritt, also ohne erst ge­ trennt die gesinterte Schicht ohne Trägerkörper herzustellen und erst dann auf eine Filterkerze aufzubringen, herstellen.

Es besteht eine Abhängigkeit zwischen der Teilchengröße ei­ nerseits und der erzielbaren Porengröße der fertig gesinter­ ten Schicht andererseits. Darüber hinaus ist auch die mecha­ nische Festigkeit einer porösen gesinterten Schicht von der Teilchengröße abhängig und zwar in der Weise, daß die mecha­ nischen Festigkeitseigenschaften größer werden, je feiner die verwendeten Pulverteilchen sind. Da der Durchflußwiderstand je nach Medium (flüssig oder gasförmig) auch von der Dicke der fertig gesinterten Schicht abhängig ist, ergibt sich so­ mit Problem, daß poröse Schichten mit größeren Porengrößen eine geringere mechanische Festigkeit aufweisen, als eine po­ röse Schicht gleicher Dicke mit nur kleiner Porengröße, so daß dies bei großer Porengröße nur durch eine Erhöhung der Schichtdicke und damit einer Erhöhung des Durchflußwiderstan­ des ausgeglichen werden kann.

Dieses Problem kann nun mit Hilfe des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens dadurch gelöst werden, daß die sinterbaren Pulver zu­ sammen mit Partikeln vorgebbarer Größe bzw. Größenverteilung als Porenbildner in der Trägerflüssigkeit suspendiert werden, die dann in wenigstens einer Schicht auf den Trägerkörper aufgebracht, getrocknet und gesintert werden. In einem weite­ ren Verfahrensschritt kann dann die gesinterte Schicht vom Trägerkörper abgenommen werden oder aber es kann vorgesehen sein, daß der Trägerkörper mit der gesinterten Schicht, bei­ spielsweise durch den Sinterprozeß selbst, fest verbunden ist. Durch die Zugabe der Porenbildner ist es möglich eine definierte Porengröße zu erzielen. Da durch die in der Sus­ pension und damit entsprechend in der aufgetragenen dünnen Schicht verteilten Partikel des sinterbaren Pulvers und die Porenbildner sich nur in Form einer Gitterstruktur berühren können, ist es möglich, über die Größe oder aber auch Größen­ verteilung der Porenbildner praktisch unabhängig von der Grö­ ße und Größenverteilung des sinterbaren Pulvers eine defi­ nierte Porenstruktur vorzugeben. Das bedeutet aber auch, daß Größe und Größenverteilung des sinterbaren Pulvers aus­ schließlich und gezielt im Hinblick auf die mechanische Fe­ stigkeit ausgewählt werden können, also sehr feinteilige Sin­ terpulver eingesetzt werden können, während die Porenbildner gezielt im Hinblick auf die gewünschte Porosität ausgewählt werden.

Da sowohl das sinterfähige Pulver, bevorzugt Metallpulver, als auch die Porenbildner in einer Trägerflüssigkeit suspen­ diert werden, gelingt es trotz unterschiedlicher Dichte der Materialien und bei entsprechender Konsistenz der Suspension für die Porenbildner auch Teilchen aus Materialien mit gerin­ gerer Dichte als den Stoffen des sinterfähigen Pulvers gleichmäßig verteilt zu suspendieren und so eine Schicht auf einen Trägerkörper auszutragen, in der als Porenbildner vor­ gesehene Partikel entsprechend gleichmäßig verteilt sind.

Werden als Porenbildner Materialien verwendet, die als Platz­ halter dienen, müssen diese unter Hitzeeinwirkung, d. h. beim Sinterprozeß, vorzugsweise rückstandslos verdampfen und ge­ genüber dem Material des sinterbaren Pulvers auch bei Sinter­ temperaturen inert bleiben, so daß hier keine chemischen Re­ aktionen zwischen dem Material der Porenbildner und dem sin­ terfähigen Material, in der Regel einem Metall, auftreten.

Als Trägerflüssigkeit können insbesondere bei Temperaturen unter 100°C verdampfbare Lösemittel wie Ethanol, Methanol, Toluel, Trichlorethylen, Diethylether sowie niedermolekulare Aldehyde und Ketone Verwendung finden. Als Bindemittel können Wachse, Schellack, aber auch insbesondere polymere Verbindun­ gen eingesetzt werden, wobei bevorzugt Polyalkylenoxide oder Polyglykole, insbesondere Polyethylenglykole Verwendung fin­ den. Polyalkylenoxide und -glykole werden vorzugsweise als Polymere und/oder Copolymere mit mittleren Molekulargewichten in einem Bereich 100 bis 500.000 g/mol, bevorzugt 1.000 bis 350.000 g/mol, noch mehr bevorzugt 5.000 bis 6.500 g/mol, verwendet.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der Anteil an Porenbildnern in der Sus­ pension in etwa dem vorgegebenen Porenvolumen der zu erzeu­ genden porösen Schicht entspricht. Damit ist es möglich, bei­ spielsweise bei einem sehr feinen und damit hoch sinterakti­ ven sinterbaren Pulver über volumetrische Vorgaben bei Kennt­ nis der Größe der Teilchen der Porenbildner eine definierte Porosität der zu erzeugenden porösen Schicht vorzugeben.

Die über die Trägerflüssigkeit einzustellende Konsistenz der Suspension richtet sich im wesentlichen danach, wie die Sus­ pension auf den Trägerkörper aufgetragen wird. Bei einem Gie­ ßen, gegebenenfalls mit nachfolgendem Abstreichen eines Über­ schusses von der gegossenen Suspensionsschicht, kann die Sus­ pension in einer dickflüssigen Konsistenz eingestellt werden. Bei einem sogenannten Foliengießen oder einem Aufsprühen muß eine dünnflüssige Konsistenz vorgegeben werden. Die Träger­ flüssigkeit kann durch ein mit einem verdampfbaren Lösemittel verflüssigten Bindemittel gebildet werden. Hierdurch ist si­ chergestellt, daß die Grünschicht infolge der Haftung der einzelnen Pulverteilchen untereinander über das Bindemittel eine ausreichende Festigkeit aufweist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird zur Erreichung eines gradierten Ausbaus der Schicht eine Sus­ pension verwendet, welche im Lösemittel suspendierte Poren­ bildner unterschiedlicher Dichte und/oder Größe umfaßt. Hier­ durch stellt sich bei der Aufgabe der Suspension auf den Trä­ gerkörper ein Gleichgewicht innerhalb der Schicht ein, gemäß welchem die leichteren Partikel des Porenbildners sich im oberen Bereich der Schicht ansammeln, wohingegen die schwere­ ren Partikel des Porenbildners sich eher auf der dem Träger­ körper zugewandten Seite der entstehenden Schicht ansammeln. Selbstverständlich wird dieses Gleichgewicht beeinflußt durch die Korngröße des eingesetzten sinterfähigen Pulvers. Werden nun beispielsweise als Porenbildner Partikel aus einem Mate­ rial mit unterschiedlicher Größe in der Suspension verwendet, so weist die fertiggesinterte Schicht einen Gradienten hin­ sichtlich des Porendurchmessers derselben auf. Dies ist ins­ besondere vorteilhaft, da dadurch der Strömungswiderstand weiter herabgesetzt werden kann.

In besonders zweckmäßiger Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Suspension in mehreren dünnen Teilschichten nacheinander auf den Trägerkörper aufgebracht wird. Hierbei können die einzelnen Teilschichten jeweils aus einer identischen Suspen­ sion aufgebaut werden. Es ist möglich, für die einzelnen Teilschichten jeweils Suspensionen mit unterschiedlichen Größenverteilungen für das verwendete Pulver und/oder unter­ schiedliche Teilchengeometrien und/oder unterschiedliche Pul­ ver zu verwenden. Dies erlaubt es beispielsweise, einerseits Pulver zu verwenden, die der fertiggesinterten Schicht eine besonders gute Porosität geben, andererseits ist es auch mög­ lich, wenigstens eine Schicht herzustellen, die in ihrer Zu­ sammensetzung für den Anwendungszweck besonders günstige, beispielsweise katalytische Eigenschaften aufweist.

Zweckmäßig ist es, wenn die jeweils aufgebrachte Teilschicht vor dem Aufbringen der nächsten Teilschicht zumindest ange­ trocknet wird. Hierdurch ist sichergestellt, daß die zunächst aufgebrachte Teilschicht genügend verfestigt ist, so daß sie durch das Aufbringverfahren, beispielsweise durch ein Auf­ sprühen der nächsten Teilschicht, nicht deformiert wird. An­ dererseits ist durch den verbleibenden Lösemittelanteil in der zuvor aufgetragenen, angetrockneten Teilschicht sicherge­ stellt, daß auch die nächstfolgende Teilschicht zuverlässig und mit gleicher Packungsdichte angebunden wird und die fer­ tige Grünschicht die gewünschte Festigkeit aufweist.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die jeweilige Teilschicht vor dem Aufbringen der nächsten Teilschicht gesintert wird. Dieses Verfahren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn bei einem mehrschichtigen Aufbau Pul­ ver aus unterschiedlichen gesinterten Materialien eingesetzt werden, die beispielsweise stark divergierende Sintertempera­ turen benötigen. Dadurch ist es möglich, daß zunächst die Teilschicht auf dem Trägerkörper aufgebracht wird, die das Pulver mit der höchsten Sintertemperatur enthält, und nach dem Sintern der ersten Schicht in entsprechender Reihenfolge die nächstfolgenden Teilschichten mit den jeweiligen niedri­ geren Sintertemperaturen aufgebracht und gesintert werden können. Dies hat den Vorteil, daß durch die einzelnen Sinter­ schritte die gewünschte Porosität der einzelnen Teilschichten erhalten bleibt, die verloren ginge, wenn man die Suspension mit einer derartig heterogenen Pulvermischung in einer Schicht auftragen und in einem Schritt sintern würde. Hierbei würden aufgrund der notwendigen hohen Sintertemperaturen für nur einen Anteil im Pulvergemisch die übrigen, niedrig sin­ ternden Pulveranteile dichtsintern, so daß die Porosität weitgehend verloren ginge.

Sofern der Trägerkörper zugleich auch Bestandteil des Fertig­ teils ist und dementsprechend die poröse Schicht fest mit diesem verbunden sein soll, ist in einer anderen Ausgestal­ tung vorgesehen, daß die Suspension auf wenigstens eine der Wandungen eines Trägerkörpers aus sinterfähigem Material auf­ gebracht, getrocknet und die Grünschicht anschließend auf den Trägerkörper fest aufgesintert wird. Der Trägerkörper kann hierbei seinerseits ein Sinterformteil, auch ein poröses Sin­ terformteil mit gröberer Porenstruktur sein. Die Suspension kann wiederum durch Dünnschichtgießen, Sprühen oder Tauchen auf die Oberfläche des Trägerkörpers aufgebracht werden. Die Schicht kann je nach Verwendungszweck auf der Außenwandung und/oder der Innenwandung aufgebracht werden.

Wird der Trägerkörper durch einen rohrförmigen Trägerkörper gebildet, dann ist in Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß beim Auftragen der Suspension und zumindest während eines Teils der Trockenzeit der Trägerkör­ per um die Rohrachse gedreht wird. Hierdurch ist gewährlei­ stet, daß die Schichtdicke bis zur Verfestigung der Suspen­ sion als Grünschicht auf dem Trägerkörper erhalten bleibt. Hierbei ist es zweckmäßig, insbesondere beim Dünnschicht­ gießen und beim Sprühen, daß der Suspensionsaustritt zusätz­ lich zur Rotation gegenüber der Oberfläche definiert bewegt wird.

Als Folien oder als Membran oder auf einen porösen Trägerkör­ per aufgebrachte poröse Schichten eignen sich insbesondere zur Verwendung als Filtermaterial und bei entsprechender Ein­ stellung der Porosität der porösen Schicht auch als Mikrofil­ ter. Bei undurchlässigen Trägerkörpern kann ein derartiges Bauteil bei entsprechender Zusammensetzung hinsichtlich der verwendeten Pulver und bei entsprechender Porosität auch als Katalysator oder als Membranreaktor, beispielsweise mit Pal­ ladium versetzt bzw. beschichtet, eingesetzt werden. Es ist weiterhin auch möglich, die Schicht auch als Friktionswerk­ stoff zu verwenden, beispielsweise auf Eisenbasis. Eine mög­ liche Verwendung hierfür wäre die Aufbringung auf eine Reibe­ fläche eines Synchronkörpers für Getriebe.

Die erfindungsgemäße poröse Schicht findet weiterhin Verwen­ dung in Filterrohren und Filterkerzen, die eine Länge von 10 mm bis 1.500 mm aufweisen können. Auch ist es möglich, hier­ mit Filterkerzen herzustellen, die eine poröse Beschichtung auf der Stirnseite aufweisen. Weiterhin können Filterkerzen hergestellt werden mit einem angesinterten Flansch, die keine Schweißnaht aufweisen.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, für Filter die Durchströmbarkeit bei Reduzierung der filter­ aktiven Schicht je nach Porosität zu verbessern. Durch die Reduzierung der Dicke der filteraktiven Schicht konnte der Druckverlust bei konstanter Durchströmbarkeit deutlich ge­ senkt werden.

Mit dünnen porösen Schichten entsprechend der Erfindung erge­ ben sich für Gase, beispielsweise Luft, bei einem Differenz­ druck von beispielsweise 100 mbar von 1 bis 1500 m³/hm². Für Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser, ergeben sich bei einem Differenzdruck von beispielsweise 100 mbar Durchflußraten von 0,1 bis 30 m³/hm². Der Permeabilitätskoeffizient beträgt etwa 0,002 × 10^-12 bis 3 × 10^-12 m² bei einer Schichtdicke von 50 bis 500 µm, gemessen nach DIN ISO 4022.

Es wurde eine dünne poröse Schicht hergestellt mit einer Dic­ ke von 15 µm. Die Trägerflüssigkeit wurde hergestellt aus Iso­ propanol, in welchem 1 Gew.-%, bezogen auf die Menge des ein­ gesetzten Pulvers, eines Polyethylenglykols mit einem mittle­ rem Molekulargewicht von 6.000 g/mol gelöst wurde. Als Pulver wurde ein Inconel-Metallpulver verwendet, welches einen mitt­ leren Durchmesser von etwa 1 µm aufwies. Als Porenbildner wur­ de Harnstoff verwendet, der einen mittleren Durchmesser von etwa 2 µm aufwies. Die vorstehenden Komponenten wurden 3 h in einem Mischer gemischt und anschließend auf eine Kunststoffo­ lie gespritzt. Dabei betrug das Verhältnis des Pulvers zum Porenbildner etwa 1 : 1, ebenso dasjenige von Pulver zu Träger­ flüssigkeit. Die Mischung wurde bei Raumtemperatur für 24 h getrocknet und anschließend von der Kunststoffolie abgezogen und für 10 h bei bis zu 950°C im Sinterofen gesintert.

Die dabei erhaltene dünne offenporige Folie wies eine Zugfe­ stigkeit von 284 N/mm² auf. Es wies eine sehr gleichmäßige Porenstruktur auf, wobei die Poren einen mittleren Durchmes­ ser von etwa 2 µm aufwiesen. Die Porosität betrug etwa 50%.

Claims (17)

1. Dünne poröse Schicht mit offener Porosität, hergestellt aus einem Gemisch umfassend ein sinterfähiges Pulver mit ei­ ner vorgebbaren Größenverteilung der Pulverpartikel, wobei die gesinterte Schicht eine Dicke, die mindestens etwa dem dreifachen mittleren Durchmesser der eingesetzten Pulverpar­ tikel entspricht, einen definierten Porendurchmesser in einem Bereich von etwa 0,01 bis 50 µm und eine Zugfestigkeit in ei­ nem Bereich von etwa 5 bis 500 N/mm² aufweist.

2. Dünne poröse Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß diese eine maximale Dicke von etwa 500 µm aufweist.

3. Dünne poröse Schicht nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß sie selbsttragend ist.

4. Dünne poröse Schicht nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß diese einen Bubbel-Point Druck in einem Bereich von etwa 8 × 10⁶ bis 2 × 10³ Pa auf­ weist.

5. Dünne poröse Schicht nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch anorganische und/oder organische Porenbildner umfaßt.

6. Dünne poröse Schicht nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht einen gradierten Aufbau aufweist.

7. Verfahren zur Herstellung einer dünnen porösen Schicht mit offener Porosität nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schicht aus einem Gemisch umfassend sinterfähiges Pulver her­ gestellt wird, bei dem das sinterfähige Pulver mit einer vor­ gegebenen Größenverteilung der Pulverteilchen zusammen mit Partikeln vorgegebener Größe als Porenbildner in einer Trä­ gerflüssigkeit suspendiert wird, die in wenigstens einer Schicht auf einen Trägerkörper aufgebracht, getrocknet und die so gebildete Grünschicht gesintert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Porenbildner in der Suspension in etwa dem vorgege­ benen Porenvolumen der zu erzeugenden Metallschicht ent­ spricht.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerflüssigkeit durch ein mit einem Lösemittel ver­ flüssigtes Bindemittel gebildet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Erreichung eines gradierten Aufbaus der Schicht Porenbildner unterschiedlicher Dichte und/oder Größe im Lösemittel suspendiert werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Suspension in mehreren Teilschichten nacheinander auf den Trägerkörper aufgebracht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die jeweilige Teilschicht vor dem Aufbrin­ gen der nächsten Teilschicht zumindest angetrocknet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die jeweilige Teilschicht vor dem Aufbrin­ gen der nächsten Teilschicht gesintert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Suspension durch Dünnschichtgießen, Sprühen oder Tauchen auf den Trägerkörper aufgebracht wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Suspension auf wenigstens eine der Wan­ dungen eines porösen, verzugsweise rohrförmigen Trägerkörpers aus sinterfähigem Material aufgebracht, getrocknet und die so gebildete Grünschicht anschließend auf den Trägerkörper fest aufgesintert wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der rohrförmige Trägerkörper beim Auftragen der Suspension und zumindest während eines Teils der Trock­ nungszeit um die Rohrachse gedreht wird.

17. Verwendung einer dünnen porösen Schicht mit offener Poro­ sität gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 als Filtermaterial, Katalysator, Membranreaktor, Friktionswerkstoff, Filterkerze und/oder Filterrohr.