DE60013275T2

DE60013275T2 - Verfahren zur herstellung von keramikwerkstoffen

Info

Publication number: DE60013275T2
Application number: DE60013275T
Authority: DE
Inventors: Charles Jonathan Farnborough FITZMAURICE; Roy David Farnborough MOORE
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 2000-04-13
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2020-04-14
Also published as: GB9909616D0; AU4578600A; EP1185487B1; JP2002543029A; US6740259B1; DE60013275D1; ATE274482T1; WO2000064834A1; GB2363119A; GB0124269D0; EP1185487A1; GB2349382A; KR20020003565A; GB2363119B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung keramischer Materialien; und sie findet eine besonders vorteilhafte Anwendung auf ein Verfahren zur Herstellung keramischer Materialien, die eine feindisperse zweite Phase in einem sonst homogenen Gefüge enthalten, wie Supraleiter, die eine Flusspinningphase enthalten.
Verfahren, die auf der Erstarrung einer Schmelze beruhen, werden bei der Herstellung keramischer Materialien in breitem Umfang angewendet und reichen vom einfachsten, der Erstarrung einer in einem Tiegel enthaltenen Schmelze, bis zu raffinierteren Verfahren wie dem Schmelze-texturierten Züchtungsverfahren. Dabei gibt es in vielen Fällen ein allgemeines Bedürfnis, sicherzustellen, dass das keramische Material mit einem homogenen Gefüge erstarrt. Zusätzlich treten bei der Erstarrung solcher keramischer Materialien Probleme auf, die eine gleichmäßig dispergierte zweite Phase im Gefüge, um eine bestimmte gewünschte Eigenschaft zu verleihen, betreffen.
Ein Beispiel für dieses Problem ist dasjenige, das bei der Herstellung eines bei hoher Temperatur supraleitfähigen, homogenen großen Stücks aus der Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid-123-(YBCO-123-)Phase, die eine zweite Phase aus YBCO-211-Material als feine Dispersion von Flusspinningzentren enthält, auftritt. Dabei war es bisher schwierig, Verteilung und Teilchengröße der YBCO-211-Phase zu steuern, die im Material so wirkt, dass sie die Magnetflusslinien durchsticht. Eine bessere Homogenität des Gefüges und eine gleichmäßigere Verteilung von Pinningzentren ließe den Wirkungsgrad des Magnetflusspinnings ansteigen, was zu Materialien führte, deren kritische Stromdichte und Repulsion äußerer Magnetfelder erhöht wären.
Deshalb liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung keramischer Materialien durch Erstarrung aus einer Schmelze bereitzustellen, das einen oder mehrere der Nachteile der bisherigen Schmelzerstarrungsverfahren behebt oder wenigstens verringert.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials die Stufen: Herstellen einer Schmelze aus den keramischen Materialien, Abkühlen der Schmelze bis unter den Gefrierpunkt des Materials, um die Erstarrung auszulösen, Halten der Schmelze auf einer Temperatur von unterhalb des Gefrierpunkts des Materials während der Erstarrung und Einwirkenlassen von Ultraschall auf die Schmelze während ihrer Erstarrung.
Dies hat die Wirkung, dass die Kristallisationskeime an der fest/flüssig-Grenzfläche durch Schallströmung, stehende Schallwellen oder den Kavitationseffekt aufgelöst werden.
Geeignete keramische Materialien umfassen Oxide der Elemente aus der Gruppe II und den Perioden 4, 5 und 6 des Periodensystems der Elemente. Das Verfahren lässt sich auch auf Gemische anwenden, die Salze wie Carbonate, Nitrate, Hydroxide, Sulfide oder Nitride enthalten.
Die keramischen Materialien werden konstant durch das Schallfeld vermischt, wobei sich ein homogenerer Kristall oder ein homogeneres polykristallines Material bildet. Der Mischvorgang erlaubt die maximale Ausnutzung der Materialien und verhindert die Bildung großer Bereiche aus Produkt, das nicht umgesetzte keramische Materialien isoliert. Der verbesserte Wirkungsgrad, den das Verfahren bietet, ermöglicht signifikante Kosteneinsparungen, indem der Zeitraum ver kürzt wird, innerhalb von welchem das Material auf einer hohen Verarbeitungstemperatur gehalten werden muss. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit eine effizientere Möglichkeit zur Herstellung von supraleitenden und technischen keramischen Werkstoffen mit verbesserter Qualität (durch erhöhte Homogenität) bereitgestellt sowie durch eine effizientere Verarbeitung eine Senkung der Kosten dieser Materialien erreicht.
Das Verfahren ist besonders für keramische Materialien geeignet, in welchen ein absichtlicher Überschuss aus einem oder mehreren Materialien zugegeben wird, um eine zweite Phasendispersion im erstarrten Produkt zu erzeugen, wie Hochtemperatur-supraleitende keramische Materialien (HTSCs). Dabei dient das Ultraschallfeld in diesem Fall nicht nur zur Verbesserung des Erstarrungsvorgangs, sondern auch dazu, sicherzustellen, dass der Überschuss in der Schmelze fein verteilt wird und somit auch die zweite Phase auf ähnliche Weise im sich daraus ergebenden festen Produkt verteilt wird.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Einwirkung des Ultraschalls auch die Ansammlung von nicht umgesetzten Produkten auf den Korngrenzen verringert wird, wodurch sich die Möglichkeit erhöhter kritischer Transportstromdichten (d.h. der elektrische Strom, der durch eine polykristalline Gestalt und insbesondere einen drahtförmigen oder bandförmigen Leiter fließen kann) ergibt. Damit ist das Problem der schlechten Qualität von Korngrenzen und von Zeit und Kosten bei der Herstellung "sauberer" Korngrenzen mit hoher Qualität gelöst. Dies war eines der größten Probleme, die den Einsatz von HTSC-Materialien für technische Hochleistungsaufgaben behindern.
Das verbesserte Magnetflusspinning, das, wenn das Verfahren auf die Bildung keramischer Supraleiter angewendet wird, aus der gleichmä ßigeren Dispersion von Flusspinningzentren resultiert, führt zu einer erhöhten kritischen Stromdichte und einer erhöhten Repulsion äußerer Magnetfelder. Dadurch wird die Herstellung von verbesserten Fehlerstrombegrenzern, Stromzuleitungen, Levitatoren, reibungsfreien Lagern und Speichervorrichtungen für magnetische Energie, verglichen mit den bisherigen, ermöglicht. Das Verfahren findet auch Anwendung bei der Herstellung verbesserter und fortgeschrittenerer HTSC-Drähte, die zur Produktion von supraleitenden Motoren, Generatoren, Kabeln, weiteren Fehlerstrombegrenzern und zahlreichen anderen Vorrichtungen verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet nicht nur Anwendung auf keramische Werkstoffe, die eine keramische Matrix und eine zweite Phase aus Flusspinningmaterial umfassen, sondern auch auf solche, in welchen es erforderlich ist, dass eine zweite Phase gleichmäßig verteilt wird. Darüber hinaus findet das Verfahren auch Anwendung auf keramische Einphasenwerkstoffe, um ein homogenes Gefüge sicherzustellen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials, das die Stufen: Herstellen einer Schmelze aus dem keramischen Material, langsames Abkühlen der Schmelze bis unter den Gefrierpunkt des Materials, um die Erstarrung auszulösen, und Halten der Schmelze auf einer Temperatur von unterhalb des Gefrierpunkts des Materials, während die Erstarrung fortschreitet, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass während des Erstarrungsvorgangs ein Ultraschallfeld auf die Schmelze einwirken gelassen wird.
Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials nach Anspruch 1, wobei die Schmelzezusammensetzung ausgewählt wird, damit sie einen Überschuss an einem oder mehreren keramischen Materialien enthält, um während des Erstarrungsvorgangs eine in dem erstarrten Produkt dispergierte zweite Phase zu erzeugen.
Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials nach Anspruch 2, wobei die Schmelzezusammensetzung eine erste Phase aus Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid (123) ausbildet und die dispergierte zweite Phase von Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid (211) gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials nach Anspruch 3, wobei das keramische Material ein Supraleiter ist.