DE3138249C2 - Kunstharz-imprägnierter Piezokeramikkörper - Google Patents

Abstract

Die Piezokeramik-Teile (1) sind nach Anbringen von zu einem gewissen Maße poröser Elektrodenbeschichtung (2, 3) mit einem Kunstharz imprägniert, das in eine B-Phase übergeführt werden kann, aus der dann eine endgültige Verfestigung des Kunstharzes mit entsprechender Verfestigung der Keramik erfolgt.

Description

25

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Piezokeramikkörper, wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist

Seit Jahrzehnten ist die Verwendung von lamellenförmigen Keramikstreifen 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 sein kann. 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 oder Folien mußte stets wesentliche Rücksicht auf deren Brüchigkeit genommen werden, ohne daß man trotz vielseitiger Bestrebungen dieses Problem zufriedenstellend lösen konnte.

Es ist 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 so oder beseitigt ist, die Weiterverarbeitbarkeit der Streifen und Folien jedoch dadurch nicht eingeschränkt wird.

Diese Aufgabe wird mit Piezokeramik nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, die die Merkmale nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus Unteransprüchen 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 den sogenannten B-Zustand gebracht werden kann. Derartige bekannte Kunstharze findet man vorzugsweise unter den ungesättigten Polyesterharzen. Hierzu sei auch auf die DE-OS 24 16 344 hingewiesen, die chemische Verbindungen angibt, die sehr gut zur Überführung in den ß-Zustand geeignet sind.

Der erwähnte ß-Zustand zeichnet sich dadurch aus, daß in diesem Zustand das (in das Keramikmaterial bereits hineinimprägnierte) Material noch nicht ausgehärtet ist aber dennoch bereits als eine Art erstarrte Schmelze dem Keramikmaterial wesentlich höhere mechanische Stabilität verleiht Im ß-Zustand ist das Kunstharz-Material außerdem auch nicht klebrig. 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 ß-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 Ausnutzung dieses Vorteils dann in sehr einfacher Weise ganze Stapel aufeinanderliegender dünner Piezokeramik-Streifen miteinander ganzflächig fest verkleben, wobei von 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 Kunstharz-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, dk die elektrischen Eigenschaften betreffen. Nach r'.cr Erfindung imprägnierte Keramik hat ganz erheMich geringere Neigung zu Spitzen- und GlimmentKdung. Sie hat daher erhöhte elektrische Durchschlagfestigkeit. Für die Herstellung von lameliierten Piezoh/ramik-Körpern aus erfindungsgemäßen imprägnieren Keramikstreifen bzw. -folien ergibt sich eine wesentliche Verringerung der Produktionszeiten d?uurch, daß die miteinander zu verbindenden Kcaniikteile für sich keinen zusätzlichen Klebstoff-Auft/ag benötigen.

Unter Verwendung piezoelektrischer Keramik nach der Erfindung sind sogenannte piezoelektrische Tongeber und Piezokeramik-Telifcnmembranen hergestellt worden. Die Blechmembrari, die Keramikfolie und die Anschlußdrähte der auf der Folie befindlichen Elektroden werden aufeir.andergeschichtet und anschließend unter Hitze-Eir.-virkung 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 3015 301 und von Piezo-Tastenelementen nach der DE-Patentschrift 23 14 420. Bei diesen Anwendungsfällen wird der einzelne ertindungsgemäß 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 Oberschuß 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 Umhüllungsmaterialien verwenden. Mit der Erfindung können auch mehrere, derartige Piezo-Zündkoppler bildende Keramikplättchen zu einem einzigen Koppler verbunden werden, in dem die einzelnen Plättchen mechanisch parallel geschaltet 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 Durch- *o schlagfestigkeit

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 *5 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 Verdünnungsmittel dann abzudampfen. Es hat sich gezeigt, daß es für bereits wesentlich erhöhte Festigkeit schon weitgehend ausreichend ist, wenn oberflächennahe Schichtanteile der Streifen oder Folien 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-Metallisierungen 2 und 3 aus aufgesputtertem Metall zu sehen sind. Dieses Metall ist z. B. eine 3-SchichtfoIge aus Chrom, Platin und Gold. Derartige Elektroden haben noch eine erhebliche Porosität Nach der Anbringung der Elektroden-Metallisierungen 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 den bereits erwähnten ß-Zustand übergeführt. Entsprechend der Imprägnierung ist das Kunstharz einerseits tief in die Poren der Keramik eingezogen und bildet andererseits noch einen ganz dünnen oberflächlichen Film auf dem Plättchen 1.

F i g. 2 zeigt ein als Elongator zu verwendendes Laminat 11, das aus mehreren aufeinanderliegenden, miteinander verklebten Piezokeramikstreifen, 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 dem ß-Zustand des Kunstharzes befindlichen Streifen 1.

Fig.3 zeigt ein Piezokeramikelement 21, dessen Umhüllung 22 unter Wärmeeinwirkung und mit Andrücken auf dem imprägnierten, zunächst noch im ß-Zustand des Kunstharzes befindlichen Streifen 1 angeklebt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Piezokeramikkörper, insbesondere in der Form dünner Streifen oder Folien, mit Kunststoff-Imprägnierung, die nach Anbringung der jeweils vorgesehenen Elektroden-Metallisierungen am Piezokeramikkörper durchgeführt ist, gekennzeichnet dadurch, daß der Kunststoff ein solches Kunstharz ist, das einen stabilen ß-Zustand hat und daß sich dieses Kunstharz im ß-Zustand befindet

2. Piezokeramikkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden-Metallisierungen (2,3) so ausgebildet sind, daß sie Poren für das Eindringen der Imprägnierung aufweisen.

3. Verwendung eines Piezokeramikkörpers nach Anspruch 1 oder 2 für ein mit Druck- und Wärme-Anwendungen miteinander verklebtes Laminat (11) aus Piezokeramik-Folien und/oder -Streifen.

4. Verwendung eines Piezokeramikkörpers nach Anspruch 1 oder 2 als ein mit vorgesehener Umhüllung (22) versehenes Piezokeramikelement (21).