DE3812910A1 - Keramik-verbundwerkstoff und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel­ lung eines Keramik-Verbundwerkstoffs, bei dem min­ destens ein, ggf. geformtes und gesintertes, kera­ misches Substratmaterial mit mindestens einem nicht­ keramischen Kombinationsmaterial grenzflächig blei­ bend verbunden wird; außerdem betrifft die Erfin­ dung einen durch dieses Verfahren erhältlichen Kera­ mik-Verbundwerkstoff und Verwendungen desselben.

Verbundwerkstoffe aus einem keramischen Substratma­ terial und einem nichtkeramischen Kombinationsma­ terial sind bekannt. Beispielsweise werden kera­ mische Träger durch Einbetten von Metallfasern ver­ stärkt oder auch nach den bekannten CVD- bzw. PVD- Verfahren mit Metallschichten bedampft.

Die verschiedenen Materialien, die zu den bekannten Verbundwerkstoffen kombiniert werden, haben meist sehr unterschiedliche Eigenschaften; beispielsweise ist das thermische Ausdehnungsverhalten von Me­ tallen deutlich verschieden von dem keramischer Sub­ strate. Diese unterschiedlichen Eigenschaften setzen die grenzflächige Verbindung der unterschied­ lichen Materialien im Verbundwerkstoff hohen Be­ lastungen aus, die zu Haltbarkeitsproblemen führen. Es liegt auf der Hand, daß die Einsetzbarkeit von Verbundwerkstoffen stark davon abhängt, wie haltbar und belastbar diese Werkstoffe sind, so daß die ge­ nannten Probleme die Verwendung von Verbundwerk­ stoffen noch stark einschränken.

Die Erfindung setzt mit der Erkenntnis ein, daß die genannten Probleme bei herkömmlichen Verbundwerk­ stoffen davon herrühren, daß die bekannten Herstel­ lungsverfahren reine Beschichtungstechniken sind und keine kraft- und formschlüssige Verbindung des keramischen Substratmaterials mit dem nichtkera­ mischen Kombinationsmaterials entstehen lassen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Her­ stellung der eingangs genannten Keramik-Verbundwerk­ stoffe und nach einem solchen Verfahren erhältliche Verbundwerkstoffe anzugeben, die eine belastungssta­ bile, dauerhafte Verbindung der unterschiedlichen Werkstoffe ergeben.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren der ein­ gangs genannten Art erfindungsgemäß mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 ausge­ stattet. Ein nach diesem Verfahren erhältlicher Keramik-Verbundwerkstoff der im Oberbegriff des Anspruches 22 genannten Art hat zur Lösung dieser Aufgabe die kennzeichnenden Merkmale dieses An­ spruches.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nennen die Unteransprüche 2 bis 21. Ein erfindungsgemäß einsetzbares keramisches Substrat­ material ist im Anspruch 23, definiert, während er­ findungsgemäße Verwendungen in den Ansprüche 24 und 25 genannt sind.

Erfindungsgemäß wird das Substratmaterial vor seiner Verbindung mit dem Kombinationsmaterial wenigstens in einem Teil der Verbindungs-Grenz­ fläche haftungsfördernd profiliert. Diese Profilie­ rung dient zur Erzeugung einer kraft- und form­ schlüssigen Verbindung der verschiedenen Ma­ terialien miteinander. Statt der unzulänglichen, durch reine Beschichtungstechniken erhältlichen Ver­ bindung, bei der ein Kraft- und Formschluß allen­ falls zufällig und nur punktuell erreicht wird, wird erfindungsgemäß die Substratoberfläche so vor­ bereitet, daß die nötige Verbindungsfestigkeit ge­ zielt erreicht werden kann.

Durch die Wahl des Substratmaterials aus der Viel­ zahl bekannter Keramikwerkstoffe und weiterhin durch die Wahl der Größe, Anordnung, Zahl und Aus­ richtung der die Profilierung bildenden Strukturen (insbesondere Oberflächen-Vertiefungen) des Sub­ stratmaterials werden die gewünschten Eigenschaften des Verbundwerkstoffs gezielt gewonnen. Ergänzend können diese Eigenschaften durch Parameter des Her­ stellungsprozesses (Temperatur, Druck) beeinflußt werden.

Der so erhaltene Verbundwerkstoff hat im wesent­ lichen die kombinierten physikalischen Eigen­ schaften von Substratmaterial und Kombinations­ material.

Besonders bevorzugt wird die Profilierung durch eine Vielzahl sehr kleiner Vertiefungen in der Sub­ strat-Oberfläche gebildet, in die das Kombinations­ material sich verankernd eindringen kann. Dies er­ gibt eine besonders starke mechanische "Verzahnung" an der Verbindungs-Grenzfläche, die mechanisch hoch belastbar ist.

Die Erzeugung der Profilierung erfolgt insbesondere nach dem Formen des keramischen Substratmaterials, aber vor dem Sintern oder während des Sinterns. Soll die Profilierung mechanisch erzeugt werden, beispielsweise durch Einstechen oder Prägen der Oberfläche des Substratmaterials, dann wird man dies nach dem Formen, aber vor dem Sintern durch­ führen, wenn das Keramikmaterial noch leicht form­ bar ist. Eine solche mechanische Bearbeitung wird man vorzugweise mit einem Werkzeug durchführen, an dem das Keramikmaterial nicht haftet - hier bieten sich insbesondere Metallwerkzeuge an.

Besonders bevorzugt wird die Profilierung durch eine Vielzahl von sehr kleinen Poren (bis hin zu Mikroporen) gebildet. Diese werden vorteilhaft nicht mechanisch, sondern vielmehr durch chemisches oder physikalisches Auflösen, Verflüchtigen oder zu gasförmigen Produkten Umsetzen eines Materials aus­ gebildet, das in entsprechender partikulärer Vertei­ lung vor dem Sintern in das Substratmaterial einge­ bracht und nachfolgend durch Auflösen, Verflüch­ tigen oder Umsetzen wieder entfernt wird. Diese Ent­ fernung kann zwar, je nach den Eigenschaften dieses Materials, auch vor oder sogar nach dem Sintern er­ folgen; besonders bevorzugt wird es aber, das Ma­ terial beim Sintern zu entfernen, also insbesondere herauszuschmelzen, zu verdampfen oder zu ver­ brennen. Insbesondere wird gegenwärtig die Verbren­ nung von geeigneten organischen Stoffen, insbe­ sondere Fasern angewandt, die sich ohne Schwierig­ keiten vor dem Sintern einbringen lassen und dann beim Sintern ohne zusätzlichen Aufwand im wesent­ lichen rückstandslos verbrennen. Beispiele für solche Fasern sind Zellulosefasern wie Baumwolle o.dgl.

Eine ähnliche Möglichkeit, die besonders bevorzugte Profilierung in Form eines Porensystems zu erhal­ ten, liegt in der Einbringung von säure- oder basen­ löslichen Teilchen, beispielsweise Metallpartikeln. Diese können das Sintern des Substratmaterials über­ stehen und nach dem Sintern herausgelöst werden. Da dies einen zusätzlichen Verfahrensschritt bedeutet, wird diese Variante gegenwärtig nicht so sehr bevor­ zugt wie die vorher genannte Arbeitsweise mit beim Sintern verbrennenden Substanzen.

Ähnlich wie die Profilierung ausgebildet wird, läßt sich im gleichen Zug auch ein Hohlraumsystem im Inneren des keramischen Substrates erzeugen, bei­ spielsweise um dessen Gewicht zu vermindern, Kühl­ kanäle zu erhalten, Leiter-Hohlräume vorzusehen usw. usf. Um dies zu erreichen, wird einfach statt nur der Verbindungs-Grenzfläche das gesamte Sub­ stratmaterial mit entfernbarem Material versehen, beispielsweise mit verbrennbaren Fasern, die dann zur gezielten Ausbildung von Hohlräumen die Form von Fäden haben können. Beim Sintern bildet sich dann einerseits die haftungsfördernde Profilierung an der Verbindungs-Grenzfläche, andererseits gleich­ zeitig die gewünschte Hohlraumstruktur im Inneren des Substrates. Solchermaßen ausgebildete Verbund­ werkstoffe eignen sich wegen ihrer besonders ge­ ringen Masse und des ebenfalls besonders geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten hervorragend für die Herstellung sphärischer oder asphärischer Optiken, insbesondere Planoptiken.

Eine andere Verwendung, für die sich die erfindungs­ gemäßen Verbundwerkstoffe besonders gut eignen, liegt auf dem Gebiet der hochbeanspruchten mecha­ nischen Bauteile, wie Laufbuchsen, Lager und Füh­ rungen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beige­ fügten Zeichnung näher erläutert, die verschiedene Anwendungen der erfindungsgemäßen keramischen Ver­ bundwerkstoffe illustriert. Es zeigen:

Fig. 1 einen weggebrochenen schematischen Quer­ schnitt durch einen Planspiegel;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine asphärische Reflexionsoptik;

Fig. 3 einen Längsschnitt einer Laufbuchse und

Fig. 4 einen weggebrochenen Schnitt durch eine Führungsbahn.

In den folgenden Ausführungsbeispielen sind einan­ der entsprechende Elemente durchgehend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Der in Fig. 1 schematisch im Ausschnitt gezeigte Planspiegel besteht aus einem keramischen Grund­ körper 3 (Substratmaterial) und einer darauf aufge­ dampften metallenen Spiegelbeschichtung 1 (Kombina­ tionsmaterial). Von der die Verbindungs-Grenzfläche bildenden Oberfläche des Grundkörpers 3 erstrecken sich Hohlräume 2 in dessen Inneres hinein, die die haftungsfördernde Profilierung bilden und im Ausfüh­ rungsbeispiel vorzugsweise durch Verbrennen in die Oberfläche des keramischen Grundkörpers 3 vor dem Sintern eingebrachter organischer Fasern beim Sintern erzeugt sind. Wie die Fig. 1 andeutet, ist das aufgedampfte Kombinationsmaterial 1 beim Auf­ dampfen tief in die Hohlräume 2 eingedrungen und füllt diese völlig aus. Hierdurch ist das Kombina­ tionsmaterial 1 fest im Grundkörper 3 verankert, anstatt nur auf der Grenzfläche aufzuliegen.

Der bedarfsweisen Kühlung bzw. Heizung des Plan­ spiegels dienen Kanäle 4, die sich im Inneren des Grundkörpers erstrecken und in gleicher Weise er­ zeugt werden können wie die Profilierung, beispiels­ weise durch das Ausbrennen durchgehender Filamente, die in den nichtgesinterten Grundkörper eingezogen wurden. Diese Kanäle können aber auch in anderer Weise erzeugt werden.

Fig. 2 zeigt in ähnlicher Weise den Aufbau einer asphärischen Reflexionsoptik. Auch hier ist ein ke­ ramischer Grundkörper 3 als Substratmaterial mit einer porenartigen Profilierung aus Hohlräumen 2 versehen, die sich von der Verbindungs-Grenzfläche aus in ihn hineinerstrecken. Die Verbindungs-Grenz­ fläche ist die asphärische Oberfläche des Grund­ körpers; sie ist mit dem Kombinationsmaterial 1 be­ legt, das dem Verbundwerkstoff die gewünschten optischen Eigenschaften verleiht. Auch füllt das Kombinationsmaterial die Hohlräume 2 aus und ist dadurch fest und (abgesehen von mechanischer Zerstö­ rung) unlösbar mit dem keramischen Grundkörper 3 verbunden.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Laufbuchse. Die Lauf­ buchse umfaßt einen keramischen Laufbuchsenkörper 3, der auf der mechanisch hoch beanspruchten, innen­ seitigen Lauffläche mit dem Kombinationsmaterial 1 belegt ist. Das Kombinationsmaterial hat die ge­ wünschten Gleiteigenschaften und erstreckt sich wiederum in die Hohlräume 2 hinein, die sich von der Verbindungs-Grenzfläche aus in das Innere des keramischen Grundkörpers 3 hineinerstrecken.

Auch in diesem Fall sind in Längs- bzw. Querrich­ tung verlaufende, der Kühlung bzw. Heizung dienende Kanäle 4 im Inneren des Grundkörpers 3 vorgesehen, mittels derer die Laufbuchse temperiert werden kann.

Fig. 4 zeigt eine Führungsbahn, die aus einem kera­ mischen Grundkörper 3 und dem darauf aufgebrachten Kombinationsmaterial 1 besteht. Die haftungs­ fördernde Verankerung des Kombinationsmaterials 1 an der Verbindungs-Grenzfläche des Grundkörpers 3 erfolgt durch die sich in diesen hineinerstrecken­ den Hohlräume 2, welche vom Kombinationsmaterial 1 ausgefüllt werden.

Neben der bereits erwähnten Verbindung von Substrat­ material (Grundkörper 3) und Kombinationsmaterial 1 durch Bedampfen kann die erfindungsgemäße kraft- und formschlüssige Verbindung auch durch andere, an sich bekannte Verfahren erfolgen, beispielsweise durch Aufgießen des Kombinationsmaterials im flüssigen Zustand, Aufschleudern, Preßstempeln, Einrütteln und Verfestigen, Einschmelzen usw.

Anstatt der in den Ausführungsbeispielen im Vorder­ grund stehenden Keramik/Metall-Verbundwerkstoffe lassen sich für solche oder andere Anwendungszwecke in völlig analoger Weise Verbundwerkstoffe aus Kera­ mik und Kunststoff, Halbleitermaterialien, Gläsern usw. herstellen.

Claims (25)

1. Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Verbund­ werkstoffs, bei dem mindestens ein, ggf. geformtes und gesintertes, keramisches Substratmaterial mit mindestens einem nichtkeramischen Kombinationsma­ terial grenzflächig bleibend verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmaterial vor der Verbindung mit dem Kombinationsmaterial wenigstens teilweise an der Verbindungs-Grenzfläche mit einer haftungsfördernden Profilierung versehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung nach dem Formen und vor dem Sintern oder während des Sinterns des Substratmaterials erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung im wesentlichen aus Vertiefungen in einer die Verbin­ dungs-Grenzfläche bildenden Oberfläche des Substrat­ materials besteht.

4. Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung durch Einbringen und nachfolgendes Entfernen eines unter Zurücklassung entsprechender Hohlräume entfernbaren Materials und/oder Werkzeugs erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung mechanisch, insbesondere durch Einstechen, Prägen o.dgl. der Oberfläche des nichtgesinterten Substrat­ materials erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung durch Einbringen eines, vorzugsweise partikelförmigen, chemisch oder physikalisch auflösbaren, verflüchtig­ baren oder gasförmig umsetzbaren Materials in das Substratmaterial, insbesondere in dessen die Verbin­ dungs-Grenzfläche bildende Oberfläche und nachfol­ gendes Auflösen, Verflüchtigen oder Umsetzen des Ma­ terials erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als auflösbares Ma­ terial wenigstens ein Metall, Metallgemisch, eine Legierung o.dgl. verwendet wird, das bzw. die ins­ besondere vor dem Sintern in Form kleiner Teilchen in die Oberfläche des geformten Substratmaterials eingearbeitet und nach dem Sintern sauer oder basisch herausgelöst wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als auflösbares Ma­ terial eine säure- oder basenlösliche Verbindung, insbesondere ein Metalloxid o.dgl. in Form kleiner Teilchen, verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als auflösbares Ma­ terial Teilchen einer physikalisch löslichen Ver­ bindung, insbesondere ein sinterungsfestes Salz, verwendet und nachfolgend mit einem Lösungsmittel herausgelöst werden.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als verflüchtigbares Ma­ terial ein herausschmelzbares oder verdampfbares, insbesondere organisches Material in Partikelform verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als umsetzbares Ma­ terial ein verbrennbares organisches Material, ins­ besondere aus zerteilten synthetischen oder natür­ lichen Fasern, verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die profilierungserzeu­ gende Verflüchtigung oder Verbrennung bei der Sinte­ rung des Substratmaterials erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierungstiefe (bzw. -höhe) gering gegenüber den Bemessungen des erzeugten Werkstoffteils ist und insbesondere die Profilierung aus einer offenen Klein- oder Mikro­ porenstruktur der Substratmaterial-Oberfläche be­ steht, wobei die Poren vorzugsweise laminare oder Bläschenform aufweisen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Kombinationsma­ terial in an sich bekannter Weise mit dem gesinter­ ten Substratmaterial verbunden wird und mit dessen Profilierung in kraft- und formschlüssigen Eingriff tritt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zusammen mit der Ausbil­ dung der Profilierung auf gleiche Weise Hohlräume im Inneren des Substratmaterials ausgebildet wer­ den.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume gegenüber der Verbindungs-Grenzfläche im wesentlichen abge­ schlossen und ggf. untereinander verbunden sind.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume mit einer Außenfläche des Substratmaterials verbunden sind, die nicht die Verbindungs-Grenzfläche ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Kombinationsma­ terial aus wenigstens einem Metall, einem Metallge­ misch bzw. einer Legierung besteht.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Kombinationsma­ terial aus wenigstens einem Kunststoff oder Kunst­ harz besteht.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Kombinationsma­ terial aus wenigstens einem Halbleitermaterial be­ steht.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Kombinationsma­ terial glasartig ist.

22. Keramik-Verbundwerkstoff, aus mindestens einem geformten und gesinterten keramischen Substratma­ terial und mindestens einem mit diesem grenzflächig bleibend verbundenen, nichtkeramischen Kombinations­ material, erhältlich durch das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, gekennzeichnet durch eine haftungsfördernde Profi­ lierung wenigstens eines Teils der Verbindungs- Grenzfläche des Substratmaterials.

23. Keramisches Substratmaterial zur Verwendung in dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, gekennzeichnet durch eine zur Verbindung mit einem nichtkeramischen Kombinationsmaterial vorgesehene Oberfläche, in die ein vorzugsweise partikelför­ miges, chemisch oder physikalisch auflösbares, ver­ flüchtigbares oder gasförmig umsetzbares Material eingebracht ist.

24. Verwendung eines, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 21 erzeugten Verbundwerkstoffes ge­ mäß Anspruch 22, zur Herstellung eines mechanisch beanspruchten Teils, insbesondere einer Laufbuchse, eines Lagers, einer Führung o.dgl.

25. Verwendung eines, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 21 erzeugten Verbundwerkstoffes ge­ mäß Anspruch 22, zur Herstellung eines optischen Bauteils, insbesondere im Bereich der Planoptik.