DE4314310C1 - Verfahren zur Herstellung von Keramik-Pulver höchster Feinheit für Zwecke der Technischen Keramik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Pulvers von keramischen Material mit Partikeldurchmessern in der Größenordnung Nanometer ("Nanoteilchen").

Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus einem Artikel von Franz Frisch in der Zeitschrift FOCUS 8 (1993), Seiten 78 bis 80 bekannt.

Keramik entsteht durch Sintern im Brennofen, bei dem ein po­ röser Rohling (Grünkörper) zu einem homogenen Werkstück ver­ dichtet wird. Je höher die Temperatur beim Glühen im Brenn­ ofen, desto sicherer werden die Poren zwischen den Partikeln mit Material gefüllt. Aber je höher die Temperaturen, desto größer wachsen auch die Kristalle im Material, die wieder neue Defekte verursachen. Diese Defekte ließen sich durch tiefere Behandlungs-Temperaturen vermeiden. Dazu müßte man allerdings ein sehr feines Ausgangspulver verwenden, was aufgrund einer höheren Oberflächenenergie zur Bildung von Agglomeraten im Material führt, zwischen denen wieder größe­ re Hohlräume entstehen.

Die Wissenschaft hat inzwischen erkannt, daß diese Schwie­ rigkeiten umgangen werden können, wenn die Keramikpartikel aus Teilchen zusammenwachsen, die in der Größenordnung von Nanoteilchen liegen, also Größen von Kristallkeimen haben, die am Weiterwachsen gehindert werden. Danach lassen sich keramische Rohkörper aus Nanoteilchen so fein und dicht zu­ sammenpacken und so leicht formen, daß große Keramikbauteile ohne kritische Materialfehler gesintert werden können.

Trotzdem ist das Problem nicht gelöst, solange die Herstel­ lung der Nanoteilchen nahezu unüberwindbare Schwierigkeiten bereitet. Die Schwierigkeiten sind weniger von grundsätz­ licher Art als von technischer und wirtschaftlicher Art.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah­ ren zur Herstellung eines Keramikpulvers höchster Feinheit der oben genannten Art vorzustellen, das möglichst einfach und ohne großen technischen Aufwand durchführbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ausgangsstoffe für das Rohmaterial durch Schäumen in feinste Teile zerlegt werden, wobei die Schaumwände so sehr aufge­ bläht werden, daß die Bläschenwände Stärken in der Größen­ ordnung Nanometer erhalten, in denen kein Kristall­ wachstum mehr stattfinden kann.

Nach dem Platzen der Schaumbläschen, die im wesentlichen aus dem Ausgangsmaterial ausgetriebenes Kristallwasser enthal­ ten, liegen Bruchstücke des Keramikmaterials mit Durchmes­ sern in der Größenordnung der Bläschenwandstärke, also Par­ tikel im Nanometerbereich vor. Nach Entfernung des ausge­ triebenen Kristallwassers entsteht daher ein Keramikpulver von höchster Feinheit.

Bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Rohmaterial zur Herstellung des Pulvers Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder Zirkondioxid verwendet werden.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das Rohmaterial zur Herstellung des Pulvers Aluminiumoxid ent­ hält.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform wird ein be­ sonders lockeres, weißes Alluminiumoxid von höchster Fein­ heit dadurch erhalten, daß als Rohmaterial basisches Alumi­ niumsulfat der Zusammensetzung Al₂(SO₄)₃·Al₂O₃·6H₂O ver­ wendet wird, welches zunächst erhitzt wird, bis es sich auf­ bläht und das Kristallwasser verliert und anschließend bei einer noch höheren Temperatur geglüht wird, bis auch die Säure ausgetrieben ist.

Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung, die sich dadurch auszeichnet, daß das basische Aluminiumsulfat aus einer Alaunlösung nach der Kondensationsgleichung K₂SO₄·3Al₂O₃·9H₂O + 4,5 SO₃ = K₂SO₄·3Al₂O₃·4,5 SO₃ + 9H₂O durch Erhitzen der Lösung auf 180-200°C ausgefällt wird, in­ dem 9H₂O durch 4,5 SO₃ ersetzt werden, und daß nach Heraus­ waschen von K₂SO₄ und Filtration das basische Aluminiumsul­ fat nochmals erhitzt wird, wobei es unter Verlust seines Kristallwassers aufbläht und weiterhin durch Glühen auch die Säure verliert, so daß ein Aluminiumoxid höchster Feinheit zurückbleibt.

Der Alaunlösung kann bei einer bevorzugten Weiterbildung Schaumbildner zugesetzt werden, so daß die Teilchen aus ba­ sischem Aluminiumsulfat an den Bläschen der Oberflächen haf­ ten (Flotation).

In den Rahmen der Erfindung fällt auch ein Keramikpulver, welches nach dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ver­ fahren hergestellt ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Aus­ führungsbeispielen näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln, für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Anwendung finden.

Es wurde gefunden, daß Schäume aus basischem Aluminiumsulfat der Zusammensetzung Al₂(SO₄)₃·Al₂O₃·6H₂O besonders dazu geeignet sind, Keramikpartikel in der Größenordnung von Na­ nometern für ein Keramikpulver höchster Feinheit zu erzeu­ gen. Daraus ergibt sich die Aufgabe, das basische Aluminium­ sulfat in geeigneter Form herzustellen.

Normales Aluminiumsulfat Al₂(SO₄)₃·18H₂O wird aus reiner, eisenfreier Tonerde und Schwefelsäure hergestellt. Es kris­ tallisiert nur aus ganz konzentrierten Lösungen in perlmut­ terglänzenden Blättchen, verliert beim Erhitzen unter Auf­ blähen zunächst das Kristallwasser und weiterhin beim Glühen auch die Säure, so daß lockeres weißes Aluminiumoxid zurück­ bleibt.

Besonders bevorzugt geht man von einer Alaunlösung aus, die in bekannter Weise hergestellt werden kann. Durch Erhitzen der Lösung auf 180-200°C wird daraus ein basisches Salz der Formel K₂SO₄·3Al₂O₃n SO₃·(9-2n)H₂O mit n = 0 bis 4 ausgeschieden.

In einem Bläh- und Kondensationprozeß entstehen dabei die kritischen Bläschenkeime bei ihrem spontanen Aufbau nach der Kondensationsgleichung: K₂SO₄·3Al₂O₃·9H₂O + 4,5 SO₃ = K₂SO₄·3Al₂O₃·4,5 SO₃ + 9H₂O indem 9 Moleküle Wasser durch 4,5 Moleküle SO₃ ersetzt wer­ den und das Produkt stark aufschäumt. Dabei entstehen Mil­ lionen kleiner Bläschen in Keimgröße, die ein Wachsen der Aluminiumsulfatteilchen verhindern. Dieses Produkt kann, wie oben beim einfachen Aluminiumsulfat beschrieben, weiter be­ handelt werden, so daß letztlich ein Aluminiumoxid zurück­ bleibt, das aus Nanoteilchen besteht.

Da die Stabilität der Lösung mit Keimen thermodynamisch ge­ ringer ist als eine Lösung ohne Keime, entledigt sie sich der Keime, indem sie eine Vielzahl von Bläschen bildet und aufschäumt. Die dabei auf zubringende Arbeit A = 2 Fσ/6 ist klein, da die Oberfläche der Bläschen F sehr klein ist. σ ist die Oberflächenspannung des Wassers und 6 die Molzahl in der Verbindung des basischen Aluminiumsulfates. Dieser Be­ ziehung kommt eine allgemeine Bedeutung zu.

Das Aufschäumen wird auch durch Erniedrigung der Ober­ flächenspannung erleichtert, wenn der Lösung Schaumbildner zugesetzt werden, und die Teilchen aus basischem Aluminium­ sulfat an den Bläschenoberflächen haften (Flotation).

Statt auf der Basis von Aluminiumoxid kann erfindungsgemäß das feine Keramikpulver mit Partikeldurchmessern in der Größenordnung von Nanometern auch mit Siliziumnitrid, Sili­ ziumkarbid oder beispielsweise Zirkondioxid als Ausgangsma­ terial hergestellt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines Pulvers von keramischem Material mit Partikeldurchmessern in der Größenordnung Nanometer ("Nanoteilchen"), dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstoffe für das Rohmaterial zur Herstel­ lung des Pulvers durch Schäumen in feinste Teile zer­ legt werden, wobei die Schaumwände so sehr aufgebläht werden, daß die Bläschenwände Stärken in der Größenord­ nung Nanometer erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Rohmaterial zur Herstellung des Pulvers ein Sili­ ziumnitrid, Siliziumkarbid oder Zirkondioxid enthalten­ des Material verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aluminiumoxid enthaltendes Material verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Rohmaterial basisches Aluminiumsulfat der Zusammen­ setzung Al₂(SO₄)₃·Al₂O₃·6H₂O verwendet wird, wel­ ches zunächst erhitzt wird, bis es sich aufbläht und das Kristallwasser verliert und anschließend bei einer noch höheren Temperatur geglüht wird, bis auch die Säu­ re ausgetrieben ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das basische Aluminiumsulfat aus einer Alaunlösung nach der Kondensationsgleichung K₂SO₄·3Al₂O₃·9H₂O + 4,5 SO₃ = K₂SO₄·3Al₂O₃·4,5 SO₃ + 9H₂O durch Erhitzen der Lösung auf 180-200°C ausgefällt wird, indem 9H₂O durch 4,5 SO₃ ersetzt werden, und daß nach Herauswaschen von K₂SO₄ und Filtration das basi­ sche Aluminiumsulfat nochmals erhitzt wird, wobei es unter Verlust seines Kristallwassers aufbläht und wei­ terhin durch Glühen auch die Säure verliert, so daß ein Aluminiumoxid höchster Feinheit zurückbleibt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Alaunlösung Schaumbildner zugesetzt werden, so daß die Teilchen aus basischem Aluminiumsulfat an den Bläs­ chen der Oberflächen haften (Flotation).

7. Keramikpulver, welches nach einem der vorhergehenden Verfahren hergestellt ist.