DE3138249A1 - Kunstharz-impraegnierter piezokeramikkoerper - Google Patents

Description

• Kunstharz-imorä#riierter Piezokeramikkörper.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Piezokeramikkörper, wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
• Seit Jahrzehnten ist die Verwendung von lamellenförmigen Keramikatreifen und von Keramikfolien bekannt, z.B.
• für Bimorph-Biegestreifen bzw. für Membranfolien. Beiden Ausführungsformen piezoelektrischer Keramik aus beispielsweise Bariumtitanat oder Blei-Zirkonattitanat ist gemeinsam, daß die Materialstärke der Streifen oder Folien sehr gering ist und sogar kleiner als 0,1 mm seinkann. Für ein Keramikmaterial sind derartige Dickenabmessungen außergewöhnlich. Dennoch hat man derartige Streifen und Folien für technische Produkte weiterverarbeitet und/oder direkt verwendet.
• Für die Verwendung von dünnen piezokeramischen Streifen od. Folien mußte stets wesentliche Rücksicht auf deren Brüchigkeit genommen werden, ohne daß man trotz vielseitiger Bestrebungen dieses Problem zufriedenstellend lösen konnte.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dünne piezokeramische Streifen oder Folien, d.h. das dazu verwendete Keramikmaterial, derart zu behandeln, daß deren bzw. dessen Brüchigkeit entscheidend verringert oder beseitigt ist, die Verwendbarkeit der Streifen und Folien jedoch dadurch nicht eingeschränkt wird.
• Diese Aufgabe wird mit Piezokeramik nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, die die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 hat. Weitere Ausgez staltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus Unteranspriichen hervor.
• Die Erfindung sieht eine als Imprägnierung zu bezeichnende Behandlung der Piezokeramik-Streifen oder -Folien vor, und zwar mit einem solchen an sich bekannten#Kunstharz, das nach Durchführung der Imprägnierung in die sogenannte B-Phase gebracht werden kann. Derartige bekannte Kunstharze findet man vorzugsweise unter den ungesättigten Polyesterharzen.
• Der erwähnte B-Zustand zeichnet sich dadurch aus, daß in diesem Zustand das (in das Xeramikmaterial bereits hineinimprägnierte) Material noch nicht ausgehärtet ist, aber dennoch bereits als eine Art erstarrte Schmelze dem Keramikmaterial wesentlich höhere mechanische Stabilität verleiht. Im B-Zustand ist das Eunstherz-Material außerdem auch noch nicht klebend. Dies ist insbesondere für gute Handhabbarkeit der in Frage kommenden imprägnierten Piezokeramik-Teile von großem Vorteil, z.B. für die Justierung derselben an dem Ort, an dem sie anzubringen sind.
• Bei nachfolgender Erwärmung wird das im B-Zustand befindliche Kunstharz, das sich in der Keramik befindet, wieder mehr oder weniger flüssig und auch klebrig, härtet dann aber zu einem Duroplast aus. Die zwischenzeitlich entstehende Klebfähigkeit ist eine für Verarbeitung wie erfindungsgemäß imprägnierter Piezokeramik-Teile von besonderem Vorteil. Zum Beispiel lassen sich unter Aus nutzung dieses Vorteils dann in sehr einfacher Weise ganze Stapel aufeinanderliegender dünner Piezokeramik= Streifen miteinander ganzflächig fest verkleben, wobelvon Vorteil ist#, daß dieses zeitweise klebrige Kunstharz über die Oberfläche der Keramikteile hinweg in extrem gleichmäßiger und dünner Schicht vorliegt.
• Ein besonderes Merkmal für das Herstellungsverfahren einer erfindungsgemäßen Keramik ist, das zunächst relativ poröse Keramikmaterial in Streifenform oder als Folie zunächst mit den später notwendigen Elektroden zu versehen, und zwar insbesondere mit einem solchen Elektrodenmaterial bzw. nach einem solchen Verfahren, mit dem zu erreichen ist, daß die Poren der dann mit den Elektroden versehenen Keramik nicht verschlossen sind, d.h. für das Eindringen der Eunstharz-Imprägnierung noch verfügbar sind. Zum Beispiel empfiehlt es sich, hierfür aufgesputterte Elektroden aus z.B. Kupfer oder Nickel oder dergleichen vorzusehen.
• Mit der Erfindung erreicht man eine wesentlich erhöhte mechanische Festigkeit der Keramik, und zwar einesteils durch zusätzliche innere Versteifung des Keramikgefüges und andererseits durch gleichmäßigere Verteilung auf die Keramik (während deren Verwendung) einwirkender mechanischer Kräfte. Die Brüchigkeit derartiger dünner Keramikteile nach der Erfindung ist ganz wesentlich verringert.
• Die Erfindung hat auch darüber hinaus Vorteile, die die elektrischen Eigenschaften betreffen. Nach der Erfindung imprägnierte Keramik hat ganz erheblich geringere Neigung zu Spitzen- und Glimmentladung. Sie hat daher erhöhte elektrische Durchschlagfestigkeit.
• Für die Herstellung von lamellierten Piezokeramik-Körpern aus erfindungsgemäßen imprägnierten Keramikstreifen bzw.
• -folien ergibt sich eine wesentliche Verringerung der Produktionszeiten dadurch, daß die miteinander zu wrerbindenden Keramikteile für sich keinen zusätzlichen Klebstoff- Auftrag benötigen.
• Unter Verwendung piezoelektrischer Keramik nach der Erfindung sind sogenannte suzzer und Piezokeramik-TeIefonmembranen hergestellt worden. Die Blechmembran, die Keramikfolie und die Anschlußdrähte der auf der Folie befindlichen Elektroden werden aufeinandergeschichtet und anschließend unter Hitze-Einwirkung zusammengepreßt.
• Dabei härtet die Imprägnierung der Keramik aus und verklebt dieselbe auf der einen Seite mit der Blechmembran und auf der anderen Seite mit den Anschlußdrähten. Eine andere wichtige Anwendung der Erfindung ist die rationelle Herstellung von Piezo-Zündkopplern nach der DE-Offenlegungsschrift 30 15 301 (VPA 80 P 7046) und von Piezo-Tastenelementen nach der DE-Patentschrift 23 14 420 (VPA 73/7030). Bei diesen Anwendungsfällen wird der einzelne erfindungsgemäß imprägnierte piezoelektrische Keramikstreifen zwischen die Lagen des Umhüllungsmaterials gelegt. Dieses Laminat wird unter Druck- und Hitze-Einwirkung ausgehärtet. In diesem speziellen Falle kann sogar ein eventueller Überschuß an Kunstharz - d.h. sofern ein solcher überhaupt auftritt - vom Umhüllungsmaterial aufgesogen werden und wird nicht über die Ränder herausgequetscht. Prinzipiell läßt. sich unter Anwendung der Erfindung für solche genannten Bauelemente eine wesentlich größere Auswahl an Umhüllungamaterialien verwenden.
• Mit der Erfindung können auch mehrere1 derartige Piezo Zündkoppler bildende Keramikplättchen zu einem einzigen Koppler verbunden werden, in dem die einzelnen Plättchen mechanisch parallelgeschaltet sind und elektrisch entweder parallel oder in Reihe geschaltet werden können, je nachdem ob hoher Strom oder hohe Spannung aus dem Zündkoppler abgenommen werden soll.
• Ein weiteres Anwendungsgebiet piezoelektrischer Dünnschicht-Streifen sind Piezo-Elongatoren und Transducer- Arrays. Die erfindungsgemäß imprägnierten (bereits zuvor mit Metall-Elektroden versehenen) Keramikfolien werden entweder direkt aufeinander oder mit nichtaktiven, neutralen Zwischenstreifen aus anderem Material aufeinandergelegt. Die einzelnen Streifen können während des Aufeinanderschichtens zwecks Justierung leicht gegeneinander verschoben werden. Unter Hitze- und Druckanwendung wird der ganze Stapel dann zu einem Verbund miteinander verklebt.
• Dabei hat sich gezeigt, daß Lufteinschlüsse im Kunstharz verbleiben und nicht in die Keramikfolie eindringen, wo sie elektrische Störungen verursachen können. Ein solcher unter Anwendung der Erfindung hergestellter Elongator hat wesentlich erhöhte mechanische Festigkeit und weit größere elektrische Durchschlagfestigkeit.
• Hergestellt wird eine wie erfindungsgemäß imprägnierte Keramik z.B. dadurch, daß die bereits mit den erwähnten Metall-Elektrodenschichten versehenen Streifen, Folien oder dergleichen aus Keramikmaterial in das im Handel erhältliche flüssige Kunstharz getaucht werden, diese Teile mit der Kunstharz-Flüssigkeit besprüht werden oder dergleichen. Im Einzelfall kann es empfehlenswert sein, das flüssige Kunstharz auf geringere Viskosität zu verdünnen und das Verdünnungamittel dann abzudampfen. Es hat sich gezeigt, daß es für bereits wesentlich erhöhte Festigkeit schon weitgehend ausreichend ist, wenn oberflächennahe Schichtanteile der Streifen, Folien oder dergleichen in der Weise durchtränkt sind. Für noch weiter erhöhte elektrische Durchschlagfestigkeit empfiehlt es sich aber, durch die gesamte Dicke des Keramikmaterials hindurchgehende Imprägnierung zu erreichen.
• Die Figur zeigt ein Plättchen 1 aus gesinterter Piezokeramik, auf deren in der Figur oberen Oberfläche zwei Elektroden 2 und 3 aus aufgesputtertem Metall zu sehen sind. Dieses Metall ist z.B. eine 3-Schichtfolge aus Chrom, Platin und Gold. Derartige Elektroden haben noch eine erhebliche Porosität. Nach der Anbringung der Elektroden 2, 3 (und entsprechender Gegenelektroden auf der Unterseite) wird das vorgesehene Kunstharz aufgebracht. Dies kann z.B. durch Eintauchen des Plättchens 1 erfolgen. Das Kunstharz kann auch aufgesprüht sein Gegebenenfalls ist das Kunstharz mit Lösungsmittel verdünnt, das man nachfolgend zum Trocknen abdampfen läßt.
• Das Kunstharz wird dann in die bereits erwähnte B-Phase übergeführt. Entsprechend der Imprägnierung ist das Kunstharz einerseits tief in die Poren der Keramik ein gezogen und bildet andererseits noch einen ganz dünnen oberflächlichen Film auf dem Plättchen 1.
• Fig.2 zeigt ein als Elongator zu verwendendes Laminat 11, das aus mehreren aufeinanderliegenden, miteinander verklebten Piezokeramikatreifen, die mit den erwähnten Elektroden-Metallisierungen 12 versehen sind. Das Verkleben erfolgt unter Einwirkung von Druck und Wärme auf das Paket aus imprägnierten, zunächst noch in der B-Phase des Kunstharzes befindlichen Streifen 1.
• Fig.3 zeigt einen Piezokeramikstreifen 21, dessen Umhül lung 22 unter Wärmeeinwirkung und mit Andrücken auf dem imprägnierten, zunächst noch in der B-Phase des Kunstharzes befindlichen Streifen 1 angeklebt ist.
• 4 Patentansprüche 3 Fituren Leerseite

Claims (4)

1. Patentansprüche: Piezokeramikkörper, insbesondere in der Form dünner ~#trei£en, Folien oder dergleichen, g e k e n n z e i chn e t dadurch, daß das Keramikinaterial nach Anbringen der jeweils vorgesehenen Elektroden-Metallisierung2n (2, 3) am Pie#zokeramikkörper (1) mit einem Kunstharz imprägniert ist, das sich dann in dem Zustand der B-Phase befindet.
2. 2. Piezokeramikkörper nach Anspruch 1, g e k e n n -z e i c h n e t dadurch, daß die Elektroden-Metallisierungen (2, 3) wesentliche Porosität aufweisen, durch die hindurch das imprägnierende Kunstharz in das Keramikmaterial eingedrungen ist.
3. 3. Verwendung eines Piezokeramikkörpers nach Anspruch.1 oder 2 für mit Druck- und Wärme-Anwendungen miteinander verklebtes Laminat (11) aus Piezokeramik-Folien und/oder -Streifen.
4. 4. Verarbeitung eines Piezokeramikkörpers nach Anspruch 1 oder 2 für ein mit vorgesehener Umhüllung (22) versehenes Piezokeramikelement (21).