EP2521701A1 - Formkörper, heizungsvorrichtung und verfahren zur herstellung eines formkörpers - Google Patents

Formkörper, heizungsvorrichtung und verfahren zur herstellung eines formkörpers

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Publication number
EP2521701A1
EP2521701A1 EP10795653A EP10795653A EP2521701A1 EP 2521701 A1 EP2521701 A1 EP 2521701A1 EP 10795653 A EP10795653 A EP 10795653A EP 10795653 A EP10795653 A EP 10795653A EP 2521701 A1 EP2521701 A1 EP 2521701A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
region
ceramic
ceramic material
shaped body
area
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10795653A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Ihle
Bernhard Steinberger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Publication of EP2521701A1 publication Critical patent/EP2521701A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B18/00—Layered products essentially comprising ceramics, e.g. refractory products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C17/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors
    • H01C17/30—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for baking
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
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    • H01C7/02—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient
    • H01C7/022—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient mainly consisting of non-metallic substances
    • H01C7/023—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient mainly consisting of non-metallic substances containing oxides or oxidic compounds, e.g. ferrites
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    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/704—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the ceramic layers or articles
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    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/72—Forming laminates or joined articles comprising at least two interlayers directly next to each other
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/76—Forming laminates or joined articles comprising at least one member in the form other than a sheet or disc, e.g. two tubes or a tube and a sheet or disc
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24942—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including components having same physical characteristic in differing degree

Definitions

  • the invention relates to a shaped body, a
  • Heating device comprising the shaped body, and a method for producing a shaped body.
  • Media such as fluids, can by means of a
  • PTC materials materials having a positive temperature coefficient of electrical resistance
  • Such PTC materials can hitherto be formed as disks or rectangular elements which consist of a PTC material.
  • aggressive media such as acids or alkalis
  • PTC materials often have only a short life.
  • An object to be solved is to provide a molded article which has high mechanical strength and chemical stability and comprises a material having PTC properties. This task is done by a
  • Embodiments of the shaped body, a heating device comprising a shaped body and a method for producing a shaped body are objects of further claims.
  • the first area includes a first ceramic material positive temperature coefficient of electrical resistance and the second region comprises a second ceramic material.
  • the third area has a third ceramic material. In this case, the first area and the third area have thermal
  • the first ceramic material comprises an electroactive ceramic which is the functional component in the molded article.
  • the second ceramic material comprises a
  • the first region comprises an electroactive region and the second region comprises a
  • the third ceramic material comprises a thermal
  • the third area is a switching or transition area.
  • a one-piece molding in which a composite material of a first and second ceramic material is present, which are connected to each other via a third ceramic material.
  • expansion coefficient always means a coefficient of thermal expansion, although not expressly mentioned
  • Expansion coefficients may be, for example, a linear expansion coefficient.
  • the third region of the shaped body can have at least two partial regions, the first region and the second region each adjoining one of the partial regions.
  • the first area adjoins another part of the third area than the second area.
  • Subareas may be layered so that there are at least two layers of the third region between the first region and the second region.
  • the thickness of a partial region which is formed as a layer can be, for example, between 5 ⁇ m and 100 ⁇ m, depending on the design specifications which the shaped article is to fulfill. At a minimum, the thickness of a portion should be three times the mean grain size of the ceramic
  • the mean grain size which is denoted by ds o, is understood to mean the diameter at which 50% by mass of the powdery starting material is larger or
  • the ds o also represents the maximum of the distribution density curve.
  • the portion of the third region adjacent to the first region and the first region may further have thermal expansion coefficients differing by less than 2 ⁇ 10 -6 / K, and the portion of the third region adjacent to the second region and the second region may have thermal expansion coefficients differing by less than 2 * 10 -6 / K.
  • Coefficients of expansion of the subregions may also differ by less than 2 * 10 -6 / K.
  • Switching area formed third area can be different between the expansion coefficients of the first and second area by the above selection of
  • Expansion coefficients in the third range represent a transition between the expansion coefficients.
  • Area of the molding have a perovskite structure having the formula Ba ] __ x _yM x DyTi ] __ a _ ] 3 a Mn ] 3 03.
  • x is selected from the range 0 to 0.5
  • y from the range 0 to 0.01, a from the range 0 to 0.01, and b from the range 0 to 0.01.
  • M may comprise a divalent cation, D a trivalent or tetravalent donor, and N a five or one
  • the first Ceramic material may include metallic contaminants that are present at a level of less than 10 ppm. The content of metallic impurities is necessarily so small as not to adversely affect the PTC properties of the first ceramic, electroceramic material.
  • the first ceramic material in the molding can be any material.
  • a Curie temperature selected from a range including -30 ° C to 340 ° C.
  • the first ceramic material may have a
  • the molded body comprises a first region which can be heated by applying a voltage and release this heat to the environment.
  • this first region which can be heated by applying a voltage and release this heat to the environment.
  • ceramic, electroactive material has an electro-thermally self-regulating behavior. If the temperature reaches a critical value in the first range, the resistance in this range also increases, so that less current flows through the first range. This prevents further heating of the first area, so no additional
  • the second ceramic material of the second region of the shaped body may comprise an oxide ceramic.
  • the oxide ceramics may be selected from a group comprising ZrO 2, Al 2 O 3 and MgO. The use of other and further oxide ceramics is also possible. These oxide ceramics have a high mechanical strength, for example against abrasion and a high chemical resistance, for example, to acids and alkalis. Furthermore, they are food safe and thus can safely come into contact with materials, such as media to be heated, which must not be contaminated.
  • the shaped body for example, in a
  • the second portion of the molding can be designed so that it optimally adapts constructively to the respective geometry.
  • a one-piece molded article can be provided, which is the combination of electro-thermal
  • Expansion coefficients are combined in a molded body.
  • the molded body can be produced by means of injection molding, and thus be formed in any geometric shape that is necessary for the respective structural environment. If the shaped body is used in a heating device, the first region can thus also be shaped in such a way that it contacts
  • the third ceramic material may be a mixture of the first ceramic material and the second ceramic
  • Range is selected from 90:10 to 10:90.
  • the partial regions may each comprise a mixture of first ceramic material and second ceramic material in any ratio ranging from 95: 5 to 5:95, advantageously from 90:10 to 10:90 is selected, include.
  • Subareas of the third area can be selected selectively, so that the expansion coefficients of the respectively adjacent areas or subareas are adapted to each other so that they differ by less than 2 * 10 "6 / K.
  • the ratio of the first ceramic material and the second ceramic material between each two partial regions may vary gradually. This means that, for example, the partial area adjacent to the first area has the highest content of first ceramic material, and the
  • the third ceramic material may further contain additives
  • mixed oxides of calcium oxide, strontium oxide, yttrium oxide and manganese oxide for example, mixed oxides of calcium oxide, strontium oxide, yttrium oxide and manganese oxide.
  • the third region may inhibit or inhibit the diffusion of constituents of the first ceramic material and the second ceramic material. This inhibition can be further improved by the addition of additives.
  • Material to be added to the third ceramic material barium strontium titanate. Targeted may be the third
  • ceramic material for example, be doped with Y 2 O 3 and Mn 2 Ü 3 .
  • Ingredients may be, for example, anions or cations present in the first ceramic material or the second ceramic material. This will be a
  • a material combination is selected which has suitable phases between the first region and the third region and between the second region and the third region and optionally between the individual regions of the third region.
  • “Phases” may include mixed crystals of the first and second ceramic materials
  • the mixed crystals may be barium-aluminum-titanate or barium-magnesium-titanate, respectively.
  • "suitable" means that the adjacent areas have similar coefficients of expansion
  • Expansion coefficients of the materials used in the first region, second region and third region can be adapted to each other so that there is no formation of stress cracks when heated.
  • heating device comprising a molded article having the above-mentioned characteristics.
  • the heating device may be the shaped body
  • the first region of the shaped body can be provided with the electrical contacts.
  • the current flow is generated in the first region of the shaped body.
  • Area comprises, the separation of medium to be heated and the electroceramic material can be realized.
  • the mechanically or even abrasive loaded areas of the heating device of the electrical function
  • Shaped body provided.
  • the method comprises the
  • Starting material comprising a mixture of first and second ceramic starting materials
  • step E) the first ceramic starting material in a first ceramic
  • a one-piece ceramic molded body can be provided, which combines the combination of electro-thermal functionality in the form of the first ceramic material and mechanical and chemical stability in the form of the second ceramic
  • Material which is an electroceramic material
  • the second ceramic material which is a structural ceramic material
  • at least two regions are formed in a molded body, which have the desired electrical and mechanical properties and are sintered together to form a one-piece molded body.
  • a first ceramic starting material may be provided which has a structure which has the formula: Ba ] __ x _yM x DyTi ] __ a _ ] 3 N a Mn ] 3 03.
  • x comprises the range 0 to 0.5
  • y the range 0 to 0.01, a the range 0 to 0.01, b the range 0 to 0.01, M a divalent cation
  • D a trivalent or tetravalent donor
  • N is a five or six valent cation.
  • This starting material is in a first ceramic material with a positive temperature coefficient of the electrical
  • Resistor such as an electroceramic material, convertible and has a perovskite structure.
  • the first ceramic starting material with less than 10 ppm of metallic impurities, it can be made with tools that have a hard coating to prevent abrasion.
  • a hard one Coating may for example consist of tungsten carbide. All surfaces of the tools with the first
  • ceramic starting material may be coated with the hard coating.
  • a first ceramic starting material which can be converted by sintering into a first ceramic PTC material, mixed with a matrix and processed into granules. This granulate can be injection molded for further processing.
  • the matrix may comprise a material selected from a group including wax, resins, thermoplastics, and water-soluble
  • the second ceramic starting material can be mixed with a matrix and processed into a granulate which can be injection-molded for further processing.
  • the matrix may comprise a material selected from a group including wax, resins, thermoplastics, and water-soluble Includes polymers. Other additives such as antioxidants or plasticizers may also be present.
  • the third ceramic starting material can be mixed with a matrix and processed into a granulate which can be injection-molded for further processing.
  • the matrix may comprise a material selected from a group including wax, resins, thermoplastics, and water-soluble
  • the third ceramic starting material is the
  • Process step C) provides a mixture of first ceramic starting material and second ceramic starting material. Further, additives such as mixed oxides other than the first and second raw materials may be added to the third ceramic raw material.
  • the first ceramic starting material in the first ceramic material of the shaped body having a positive temperature coefficient of electrical resistance
  • Shaped body and the third ceramic starting material in the transferred third ceramic material of the molding and removed the matrix are
  • a material can be selected by sintering in an oxide ceramic
  • the materials must be at the same maximum temperatures, hold times and
  • Cooling gradients are sintered.
  • the sintering temperature in the first ceramic starting material can be increased by suitable measures and lowered in the second ceramic starting material.
  • suitable measures are, for example, an addition of
  • the physical parameters of the first ceramic starting material and the second ceramic starting material can be modified so that a common process window can be achieved for the processing of the two materials.
  • the tuning can be effected by arranging at least one third ceramic starting material between the region of the first ceramic starting material and the region of the second ceramic starting material. This can be at least a third ceramic
  • Starting material are applied, for example by screen printing on the first ceramic starting material, and then the second ceramic starting material in turn by screen printing on the third ceramic starting material
  • the third region of the molded body is to comprise a plurality of partial regions, several can
  • the first ceramic raw material, the second ceramic raw material, and the third ceramic raw material are selected to be
  • ceramic starting material and between the second ceramic starting material and the third ceramic starting material differ by less than 2 * 10 ⁇ 6 / K.
  • the first, the second and the third region are formed which have coefficients of expansion such that no excessive mechanical stresses can form between the regions which lead to thermo-mechanically induced crack formation. This should be done in the border areas between the
  • a molding method selected from multi-component injection molding, multi-layer pressing and lamination of cast or drawn ceramic sheets can be used.
  • injection molding for example, moldings in any geometry
  • Figure 1 shows the schematic side view of a first
  • Figure 2 shows the schematic, perspective view of a second embodiment of a
  • FIG. 1 shows the schematic side view of a first embodiment of a heating device. This comprises a first region 10 and a second region 20 and a third region 30, here by way of example with two
  • Partitions 31, 32 is shown. These three areas together form the molding.
  • two electrical contacts 40 are arranged, which via
  • the first region 10, the second region 20 and the third region 30 are sintered together, so that an additional
  • the first region 10 comprises a first ceramic material of the structure Ba] _- x x -YM DyTi] __ _ a] 3 N a Mn] 3 03, further doped with a rare earth, such as calcium, strontium, lead or zirconium can be. With this first ceramic material having a perovskite structure, the first region has a positive one
  • the second region 20 may comprise a second ceramic material, for example an oxide ceramic, which may also be doped with elements from the group of alkalis, alkaline earths, titanium or silicon, for example yttrium, calcium or cerium.
  • a second ceramic material for example an oxide ceramic, which may also be doped with elements from the group of alkalis, alkaline earths, titanium or silicon, for example yttrium, calcium or cerium.
  • the third region 30 contains a mixture of the first ceramic material and the second ceramic material, wherein the ratio of the first ceramic material to the second ceramic material is selected from a range of 95: 5 to 5:95, advantageously 90:10 to
  • the ratio may change from sub-area to sub-area of the third area.
  • the proportion of first ceramic material in the partial area 32 may be greater than in the partial area 31.
  • thermal Expansion coefficients matched to combine first, second and third ceramic materials.
  • the coefficients of thermal expansion should advantageously over the entire temperature range of 1260 ° C, where a
  • Liquid phase sintering temperature have differences that are smaller than 2 * 10 "6 / K, which is due to the corresponding
  • Liquid phases of the first ceramic and second ceramic materials can occur from temperatures of 940 ° C, depending on the composition.
  • the ceramic materials should be cooled slowly, for example at 0.2 ° C per minute.
  • the critical temperature range can be between room temperature and 1260 ° C.
  • Sintering aids such as S1O2, T1O2 or FeO can be used. This sintering temperatures of less than 1400 ° C with sintering times of less than 120 minutes are possible.
  • first ceramic materials include lead components, very low sintering temperatures below 1300 ° C
  • Binder shares in the first ceramic and / or second ceramic and / or third ceramic material and Pressing or joining forces are similar
  • FIG. 2 shows the schematic perspective view of a further embodiment of the heating device.
  • electrical contacts are present (not shown here).
  • a medium can be passed, which is heated when a voltage is applied through the first region, while the second region 20 provides for the mechanical and chemical stability of the shaped body during the flow of the medium through the tube. Contamination of the medium to be heated or a

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Abstract

Es wird ein Formkörper bereitgestellt, der einen ersten Bereich (10) umfassend ein erstes keramisches Material mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands und einen zweiten Bereich (20) umfassend ein zweites keramisches Material, sowie einen dritten Bereich (30), der ein drittes keramisches Material umfasst, aufweist. Es wird weiterhin eine Heizungsvorrichtung mit diesem Formkörper angegeben. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers bereitgestellt.

Description

Beschreibung
Formkörper, Heizungsvorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers
Die Erfindung betrifft einen Formkörper, eine
Heizungsvorrichtung, die den Formkörper umfasst, und ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers. Medien, beispielsweise Fluide, können mittels eines
thermischen Kontakts mit Materialien, die einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands haben (PTC-Materialien) , erhitzt werden. Solche PTC-Materialien können bisher als Scheiben oder Rechteckelemente ausgeformt werden, die aus einem PTC-Material bestehen. In Kontakt mit aggressiven Medien, wie beispielsweise Säuren oder Laugen, sowie unter hoher mechanischer Belastung weisen solche PTC- Materialien oft nur eine geringe Lebensdauer auf. Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Formkörper bereitzustellen, der eine hohe mechanische Festigkeit und chemische Stabilität aufweist und ein Material mit PTC- Eigenschaften umfasst. Diese Aufgabe wird durch einen
Formkörper gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Weitere
Ausführungsformen des Formkörpers, eine Heizungsvorrichtung umfassend einen Formkörper und ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers sind Gegenstände weitere Patentansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Formkörper
bereitgestellt, der einen ersten Bereich, einen zweiten
Bereich und einen dritten Bereich, der zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich angeordnet ist, umfasst. Der erste Bereich weist ein erstes keramisches Material mit positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands auf und der zweite Bereich weist ein zweites keramisches Material auf. Der dritte Bereich weist ein drittes keramisches Material auf. Dabei weisen der erste Bereich und der dritte Bereich thermische
Ausdehnungskoeffizienten, die sich um weniger als
2*10~6/K unterscheiden, und der zweite Bereich und der dritte Bereich thermische Ausdehnungskoeffizienten, die sich um weniger als 2*10~6/K unterscheiden, auf. Alle drei Bereiche können dabei unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen .
Das erste keramische Material umfasst eine elektroaktive Keramik, die die funktionelle Komponente in dem Formkörper darstellt. Das zweite keramische Material umfasst eine
Strukturkeramik, die die Form gebende Komponente in dem
Formkörper darstellt. Damit umfasst der erste Bereich einen elektroaktiven Bereich und der zweite Bereich einen
strukturkeramischen Bereich.
Das dritte keramische Material umfasst ein thermisch
angepasstes keramisches Material, das die vermittelnde
Komponente zwischen der elektroaktiven Keramik und der
Strukturkeramik darstellt. Somit handelt es sich bei dem dritten Bereich um einen Vermittlungs- oder Übergangsbereich.
Damit wird ein einteiliger Formkörper bereitgestellt, in dem ein Materialverbund aus einem ersten und zweiten keramischen Material vorhanden ist, die über ein drittes keramisches Material miteinander verbunden sind. Damit sind Form gebende Komponenten in Form des strukturkeramischen Materials und funktionelle Komponenten in Form des elektrokeramischen
Materials in einem Formkörper vereinigt und über ein thermisch angepasstes keramisches Material miteinander verbunden .
Im Folgenden ist mit „Ausdehnungskoeffizient" immer ein thermischer Ausdehnungskoeffizient gemeint, auch wenn dies nicht ausdrücklich erwähnt wird. Bei dem
Ausdehnungskoeffizienten kann es sich beispielsweise um einen linearen Ausdehnungskoeffizienten handeln. Weiterhin kann der dritte Bereich des Formkörpers zumindest zwei Teilbereiche aufweisen, wobei der erste Bereich und der zweite Bereich jeweils an einen der Teilbereiche angrenzen. Damit grenzt der erste Bereich an einen anderen Teilbereich des dritten Bereichs an als der zweite Bereich. Die
Teilbereiche können schichtförmig ausgeformt sein, so dass sich mindestens zwei Schichten des dritten Bereichs zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich befinden.
Die Dicke eines Teilbereichs, der als Schicht ausgeformt ist, kann beispielsweise zwischen 5 ym und 100 ym betragen, je nach den konstruktiven Vorgaben, die der Formkörper erfüllen soll. Mindestens sollte die Dicke eines Teilbereichs das Dreifache der mittleren Korngröße des keramischen
Ausgangsmaterials, aus dem das dritte keramische Material hergestellt wird, betragen. Als mittlere Korngröße, die mit ds o bezeichnet wird, wird der Durchmesser verstanden, bei dem 50 Ma% des pulverförmigen Ausgangsmaterials größere bzw.
kleinere Durchmesser aufweisen, und kann beispielsweise zwischen < lym und 10 ym betragen. Bei normalverteilten monomodalen Korngrößenverteilungen repräsentiert der ds o auch das Maximum der Verteilungsdichtekurve. Der an den ersten Bereich angrenzende Teilbereich des dritten Bereichs und der erste Bereich können weiterhin thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, die sich um weniger als 2*10~6/K unterscheiden, und der an den zweiten Bereich angrenzende Teilbereich des dritten Bereichs und der zweite Bereich können thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, die sich um weniger als 2*10~6/K unterscheiden. Die
Ausdehnungskoeffizienten der Teilbereiche untereinander können sich ebenso um weniger als 2*10~6/K unterscheiden.
Damit kann sich der Ausdehnungskoeffizient des ersten
Bereichs beispielsweise graduell über die
Ausdehnungskoeffizienten der Teilbereiche des dritten
Bereichs an den Ausdehnungskoeffizienten des zweiten Bereichs annähern. Somit kann also ein Formkörper bereitgestellt werden, der einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich umfasst, die beide Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, die sich um mehr als 2*10~6/K unterscheiden. Der als
Vermittlungsbereich ausgeformte dritte Bereich kann zwischen den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des ersten und zweiten Bereichs durch die oben genannte Auswahl der
Ausdehnungskoeffizienten im dritten Bereich einen Übergang zwischen den Ausdehnungskoeffizienten darstellen.
Weiterhin kann das erste keramische Material des ersten
Bereichs des Formkörpers eine Perowskitstruktur aufweisen, die die Formel Ba]__x_yMxDyTi]__a_]3 aMn]303 aufweist. Dabei ist x ausgewählt aus dem Bereich 0 bis 0,5, y aus dem Bereich 0 bis 0,01, a aus dem Bereich 0 bis 0,01, und b aus dem Bereich 0 bis 0,01. M kann ein zweiwertiges Kation umfassen, D einen drei- oder vierwertigen Donor und N ein fünf- oder
sechswertige Kation. M kann beispielsweise Calcium, Strontium oder Blei sein, D kann beispielsweise Yttrium oder Lanthan sein. Beispiele für N sind Niob oder Antimon. Das erste keramische Material kann metallische Verunreinigungen umfassen, die mit einem Gehalt von weniger als 10 ppm vorhanden sind. Der Gehalt an metallischen Verunreinigungen ist notwendigerweise so gering, um die PTC-Eigenschaften des ersten keramischen, elektrokeramischen Materials nicht negativ zu beeinflussen.
Das erste keramische Material in dem Formkörper kann
weiterhin eine Curie-Temperatur aufweisen, die aus einem Bereich ausgewählt ist, der -30°C bis 340°C umfasst.
Weiterhin kann das erste keramische Material einen
spezifischen Widerstand bei 25°C aufweisen, der in einem Bereich von 3 Gern bis 100000 Gern liegt.
Durch die Verwendung eines ersten keramischen Materials mit positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen
Widerstands umfasst der Formkörper einen ersten Bereich, der sich durch Anlegen einer Spannung erwärmt und diese Wärme an die Umgebung abgeben kann. Dabei weist dieses erste
keramische, elektroaktive Material ein elektro-thermisch selbst regulierendes Verhalten auf. Erreicht die Temperatur in dem ersten Bereich einen kritischen Wert, steigt auch der Widerstand in diesem Bereich, sodass weniger Strom durch den ersten Bereich fließt. Damit wird ein weiteres Aufheizen des ersten Bereichs verhindert, sodass keine zusätzliche
elektronische Regelung bereitgestellt werden muss.
Das zweite keramische Material des zweiten Bereichs des Formkörpers kann eine Oxidkeramik umfassen. Die Oxidkeramik kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Zr02, AI2O3 und MgO umfasst. Der Einsatz anderer und weiterer Oxidkeramiken ist ebenso möglich. Diese Oxidkeramiken weisen eine hohe mechanische Festigkeit beispielsweise gegenüber Abrasion sowie eine hohe chemische Resistenz beispielsweise gegenüber Säuren und Laugen auf. Weiterhin sind sie lebensmittelecht und können somit bedenkenlos in Kontakt mit Materialien, beispielsweise zu beheizende Medien, kommen, die nicht kontaminiert werden dürfen.
Wird der Formkörper beispielsweise in einer
Heizungsvorrichtung eingesetzt, kann der zweite Bereich des Formkörpers so gestaltet werden, dass er sich konstruktiv optimal an die jeweilige Geometrie anpasst.
Somit kann ein einteiliger Formkörper bereitgestellt werden, welcher die Kombination von elektro-thermischer
Funktionalität des ersten keramischen Materials, einer
Elektrokeramik, und mechanischer und chemischer Stabilität des zweiten keramischen Materials, einer Strukturkeramik, ermöglicht.. Beide Bereiche können aufgrund des dazwischen angeordneten dritten Bereichs und der für alle Bereiche nach den oben genannten Kriterien ausgewählten
Ausdehnungskoeffizienten in einem Formkörper zusammengefügt werden .
Weiterhin kann der Formkörper mittels Spritzguss hergestellt, und damit in jeder geometrischen Form, die für die jeweilige konstruktive Umgebung nötig ist, ausgeformt sein. Wird der Formkörper in einer Heizvorrichtung eingesetzt, kann somit auch der erste Bereich so ausgeformt sein, dass er an
konstruktiv schwer zugänglichen Bereichen angeordnet werden kann. Somit kann beispielsweise ein Medium effizient mit sehr kurzen Aufheizzeiten und geringen Heizleistungen beheizt werden . Weiterhin kann das dritte keramische Material eine Mischung aus erstem keramischen Material und zweitem keramischen
Material in einem beliebigen Verhältnis, das aus einem
Bereich von 95:5 bis 5:95, vorteilhafterweise aus einem
Bereich von 90:10 bis 10:90 ausgewählt ist, umfassen.
Wenn der dritte Bereich zumindest zwei Teilbereiche umfasst, können die Teilbereiche jeweils eine Mischung aus erstem keramischen Material und zweitem keramischen Material in einem beliebigen Verhältnis, das aus einem Bereich von 95:5 bis 5:95, vorteilhafterweise aus einem Bereich von 90:10 bis 10:90 ausgewählt ist, umfassen.
Die Mischung aus erstem keramischen Material und zweitem keramischen Material im dritten Bereich oder in den
Teilbereichen des dritten Bereichs können gezielt ausgewählt werden, so dass die Ausdehnungskoeffizienten der jeweils benachbarten Bereiche oder Teilbereiche so aneinander angepasst sind, dass sie sich um weniger als 2*10"6/K unterscheiden.
Das Verhältnis von erstem keramischen Material und zweitem keramischen Material zwischen jeweils zwei Teilbereichen kann sich graduell ändern. Das bedeutet, dass beispielsweise der Teilbereich, der an den ersten Bereich angrenzt, den höchsten Gehalt an erstem keramischen Material hat, und der
Teilbereich, der an den zweiten Bereich angrenzt, den
niedrigsten Gehalt an erstem keramischen Material hat, wobei sich - falls noch mehrere Teilbereiche zwischen den
Teilbereichen, die an den ersten und zweiten Bereich
angrenzen, vorhanden sind - der Gehalt an erstem keramischen Material von Teilbereich zu Teilbereich graduell verringert. Das dritte keramische Material kann weiterhin Zusätze
aufweisen, die von dem ersten und dem zweiten keramischen Material unterschiedlich sind. Diese Zusätze können
beispielsweise Mischoxide aus Calciumoxid, Strontiumoxid, Yttriumoxid und Manganoxid sein.
Der dritte Bereich kann die Diffusion von Bestandteilen des ersten keramischen Materials und des zweiten keramischen Materials hemmen oder unterbinden. Diese Hemmung kann durch das Hinzufügen von Zusätzen noch verbessert werden.
Beispielsweise kann bei dotiertem BaTi03 als erstem
keramischen Material und ZrÜ2 als zweitem keramischem
Material dem dritten keramischen Material Barium-Strontium- Titanat hinzugefügt werden. Gezielt kann das dritte
keramische Material beispielsweise auch mit Y2O3 und Mn2Ü3 dotiert werden.
Bestandteile können beispielsweise Anionen oder Kationen sein, die in dem ersten keramischen Material oder dem zweiten keramischen Material vorhanden sind. Damit wird eine
gegenseitige Beeinträchtigung der funktionellen und/oder strukturellen Eigenschaften des ersten und zweiten Bereichs vermieden . Mit den genannten Materialien für erstes, zweites und drittes keramisches Material wird eine Materialkombination gewählt, die zwischen dem ersten Bereich dem dritten Bereich sowie zwischen dem zweiten Bereich und dem dritten Bereich sowie gegebenenfalls zwischen den einzelnen Teilbereichen des dritten Bereichs geeignete Phasen aufweist. „Phasen" können Mischkristalle aus den ersten und den zweiten keramischen Materialien umfassen. Solche Mischkristalle können
beispielsweise Barium-Blei-Zirkontitanate sein, wenn als zweites keramisches Material Zirkonoxid gewählt wird. Bei AI2O3 oder MgO als zweites keramisches Material können die Mischkristalle entsprechend Barium-Aluminium-Titanat oder Barium-Magnesium-Titanat sein. „Geeignet" meint in diesem Zusammenhang, dass die aneinander angrenzenden Bereiche ähnliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die
Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien im ersten Bereich, zweiten Bereich und dritten Bereich können so aneinander angepasst sein, dass es bei Erwärmung zu keiner Bildung von Spannungsrissen kommt.
Es wird weiterhin eine Heizungsvorrichtung bereitgestellt, die einen Formkörper mit den oben genannten Eigenschaften umfasst. Die Heizungsvorrichtung kann den Formkörper
umfassen, auf dem elektrische Kontaktierungen zur Erzeugung eines Stromflusses in dem Formkörper angeordnet sind. Dabei kann der erste Bereich des Formkörpers mit den elektrischen Kontaktierungen versehen sein. Damit wird der Stromfluss in dem ersten Bereich des Formkörpers erzeugt.
Mit einer Heizungsvorrichtung, die einen ersten,
funktionellen Bereich und einen zweiten, konstruktiven
Bereich umfasst, kann die Trennung von zu beheizendem Medium und dem elektrokeramischen Material realisiert werden. Damit können die mechanisch oder auch abrasiv belasteten Bereiche der Heizungsvorrichtung von der elektrischen Funktion
entkoppelt sein. Durch die Verwendung des zweiten keramischen Materials in dem zweiten Bereich können auch Medien beheizt werden, die nicht kontaminiert werden dürfen. Eine Auslösung von Bestandteilen des ersten Bereichs durch das zu beheizende Medium wird ebenso verhindert, indem der zweite Bereich zwischen dem ersten Bereich und dem zu beheizenden Medium vorhanden ist. Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines
Formkörpers bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die
Verfahrensschritte
A) Bereitstellen eines ersten keramischen Ausgangsmaterials,
B) Bereitstellen eines zweiten keramischen Ausgangsmaterials, C) Bereitstellen zumindest eines dritten keramischen
Ausgangsmaterials, das eine Mischung aus erstem und zweiten keramischen Ausgangsmaterial umfasst,
D) Herstellen eines Grünkörpers, der einen das erste
keramische Ausgangsmaterial umfassenden ersten Bereich, einen das zweite keramische Ausgangsmaterial umfassenden zweiten Bereich und einen das dritte keramische Ausgangsmaterial umfassenden dritten Bereich umfasst, und E) Sintern des Grünkörpers zur Herstellung des Formkörpers, wobei in den Verfahrensschritten A) , B) und C) die
Ausgangsmaterialien so ausgewählt werden, dass die
gesinterten keramischen Materialien thermische
Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei sich die
thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten und des dritten keramischen Materials und des zweiten und des dritten keramischen Materials um weniger als 2*10~6/K unterscheiden. Bei dem Verfahren wird im Verfahrensschritt E) das erste keramische Ausgangsmaterial in ein erstes keramisches
Material mit positiven Temperaturkoeffizienten des
elektrischen Widerstands überführt. Mit diesem Verfahren kann in einem Formgebungsprozess ein einteiliger keramischer Formkörper bereitstellt werden, der die Kombination von elektro-thermischer Funktionalität in Form des ersten keramischen Materials und mechanischer und chemischer Stabilität in Form des zweiten keramischen
Materials ermöglicht. Durch die gemeinsame Herstellung dieser Bereiche wird vermieden, mehrere einzelne Bauteile
formschlüssig herzustellen und aneinander zu befestigen.
Durch das gemeinsame Sintern des ersten keramischen
Materials, das ein elektrokeramisches Material ist, und des zweiten keramischen Materials, das ein strukturkeramisches Material ist, werden in einem Formkörper zumindest zwei Bereiche gebildet, die die gewünschten elektrischen und mechanischen Eigenschaften aufweisen und miteinander zu einem einteiligen Formkörper versintert sind.
In dem Verfahrensschritt A) kann ein erstes keramisches Ausgangsmaterial bereitgestellt werden, das eine Struktur aufweist, die die Formel Ba]__x_yMxDyTi]__a_]3NaMn]303 aufweist. Dabei umfasst x den Bereich 0 bis 0,5, y den Bereich 0 bis 0,01, a den Bereich 0 bis 0,01, b den Bereich 0 bis 0,01, M ein zweiwertiges Kation, D einen drei- oder vierwertigen Donor und N ein fünf- oder sechswertiges Kation. Dieses Ausgangsmaterial ist in ein erstes keramisches Material mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen
Widerstands, beispielsweise ein elektrokeramisches Material, überführbar und weist eine Perowskitstruktur auf. Um das erste keramische Ausgangsmaterial, mit weniger als 10 ppm metallischen Verunreinigungen herzustellen, kann es mit Werkzeugen hergestellt werden, die eine harte Beschichtung aufweisen, um einen Abrieb zu vermeiden. Eine harte Beschichtung kann beispielsweise aus Wolframcarbid bestehen. Alle Oberflächen der Werkzeuge, die mit dem ersten
keramischen Ausgangsmaterial in Berührung kommen, können mit der harten Beschichtung beschichtet sein.
Auf diese Weise kann ein erstes keramisches Ausgangsmaterial, das durch Sintern in ein erstes keramisches PTC-Material überführt werden kann, mit einer Matrix vermischt und zu einem Granulat verarbeitet werden. Dieses Granulat kann zur Weiterverarbeitung spritzgegossen werden.
Die Matrix, in die das erste keramische Ausgangsmaterial eingelagert ist und die einen geringeren Schmelzpunkt
aufweist, als das erste keramische Ausgangsmaterial, kann dabei einen Anteil von weniger als 20 Massen% gegenüber dem ersten keramischen Ausgangsmaterial aufweisen. Die Matrix kann ein Material umfassen, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Wachs, Harze, Thermoplaste und wasserlösliche
Polymere umfasst. Weitere Zusätze, wie Antioxidantien oder Weichmacher können ebenfalls vorhanden sein.
Weiterhin kann im Verfahrensschritt B) das zweite keramische Ausgangsmaterial mit einer Matrix vermischt und zu einem Granulat verarbeitet werden, das zu Weiterverarbeitung spritzgegossen werden kann.
Die Matrix, in die das zweite keramische Ausgangsmaterial eingelagert ist und die einen geringeren Schmelzpunkt
aufweist, als das zweite keramische Ausgangsmaterial, kann dabei einen Anteil von weniger als 20 Massen% gegenüber dem zweiten keramischen Ausgangsmaterial aufweisen. Die Matrix kann ein Material umfassen, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Wachs, Harze, Thermoplaste und wasserlösliche Polymere umfasst. Weitere Zusätze, wie Antioxidantien oder Weichmacher können ebenfalls vorhanden sein.
Weiterhin kann im Verfahrensschritt C) das dritte keramische Ausgangsmaterial mit einer Matrix vermischt und zu einem Granulat verarbeitet werden, das zu Weiterverarbeitung spritzgegossen werden kann.
Die Matrix, in die das dritte keramische Ausgangsmaterial eingelagert ist und die einen geringeren Schmelzpunkt
aufweist, als das dritte keramische Ausgangsmaterial, kann dabei einen Anteil von weniger als 20 Massen% gegenüber dem dritten keramischen Ausgangsmaterial aufweisen. Die Matrix kann ein Material umfassen, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Wachs, Harze, Thermoplaste und wasserlösliche
Polymere umfasst. Weitere Zusätze, wie Antioxidantien oder Weichmacher können ebenfalls vorhanden sein.
Als drittes keramisches Ausgangsmaterial wird im
Verfahrensschritt C) eine Mischung aus erstem keramischen Ausgangsmaterial und zweitem keramischen Ausgangsmaterial bereitgestellt. Weiterhin können dem dritten keramischen Ausgangsmaterial Zusätze, wie beispielsweise Mischoxide, die unterschiedlich von dem ersten und zweiten Ausgangsmaterial sind, hinzugefügt werden.
Während des Sinterns im Verfahrensschritt E) werden das erste keramische Ausgangsmaterial in das erste keramische Material des Formkörpers, das einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands aufweist, das zweite keramische Ausgangsmaterial in das zweite keramische Material des
Formkörpers und das dritte keramische Ausgangsmaterial in das dritte keramische Material des Formkörpers überführt und die Matrix entfernt.
Als zweites keramisches Ausgangsmaterial kann ein Material gewählt werden, das durch Sintern in eine Oxidkeramik
überführt werden kann, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, die ZrC>2, AI2O3 und MgO umfasst. Weitere Oxidkeramiken sind ebenso möglich. Bei der Auswahl des ersten keramischen Ausgangsmaterials, des zweiten keramischen Ausgangsmaterials und des dritten
keramischen Ausgangsmaterials sollte hinsichtlich der
Formgebungseigenschaften und der Sinterbedingungen eine
Abstimmung erfolgen. Beispielsweise müssen die Materialien bei gleichen Maximaltemperaturen, Haltezeiten und
Abkühlgradienten gesintert werden. Um eine gemeinsame
Sinterung des ersten keramischen Ausgangsmaterials und des zweiten keramischen Ausgangsmaterials im gleichen Prozess zu realisieren, kann bei dem ersten keramischen Ausgangsmaterial die Sintertemperatur durch geeignete Maßnahmen erhöht und bei dem zweiten keramischen Ausgangsmaterial abgesenkt werden. Geeignete Maßnahmen sind beispielsweise eine Zugabe von
Oxiden mit Calcium, Strontium, Blei oder Zirkonium zu dem ersten keramischen Ausgangsmaterial beziehungsweise eine Zugabe von Oxiden mit Elementen aus der Gruppe der Alkalien, Erdalkalien, Titanoxid oder Siliziumoxid, beispielsweise Oxide mit Yttrium, Calcium oder Cer, zu dem zweiten
keramischen Ausgangsmaterial. Damit können die physikalischen Parameter des ersten keramischen Ausgangsmaterials und des zweiten keramischen Ausgangsmaterials so modifiziert werden, dass sich für die Verarbeitung der beiden Materialien ein gemeinsames Prozessfenster erzielen lässt. Weiterhin lässt sich die Abstimmung dadurch bewirken, dass zwischen dem Bereich des ersten keramischen Ausgangsmaterials und dem Bereich des zweiten keramischen Ausgangsmaterials zumindest ein drittes keramisches Ausgangsmaterial angeordnet wird. Dabei kann das zumindest eine dritte keramische
Ausgangsmaterials beispielsweise mittels Siebdruck auf das erste keramische Ausgangsmaterial aufgebracht werden, und dann das zweite keramische Ausgangsmaterials wiederum mittels Siebdruck auf das dritte keramische Ausgangsmaterial
aufgebracht werden. Wenn der dritte Bereich des Formkörpers mehrere Teilbereiche umfassen soll, können mehrere
verschiedene dritte keramische Ausgangsmaterialien auf das erste keramische Ausgangsmaterial mittels Siebdruck
nacheinander aufgebracht werden.
In den Verfahrensschritten A) , B) und C) können
beispielsweise das erste keramische Ausgangsmaterial, das zweite keramische Ausgangsmaterial und das dritte keramische Ausgangsmaterial so ausgewählt werden, dass sie
Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, die sich zwischen dem ersten keramischen Ausgangsmaterial und dem dritten
keramischen Ausgangsmaterial sowie zwischen dem zweiten keramischen Ausgangsmaterial und dem dritten keramischen Ausgangsmaterials um weniger als 2*10~6/K unterscheiden.
Bei der gemeinsamen Sinterung im Verfahrensschritt E) werden der erste, der zweite und der dritte Bereich gebildet, die solche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, dass sich keine zu großen mechanischen Spannungen zwischen den Bereichen bilden können, die zu thermo-mechanisch induzierter Rissausbildung führen. Dazu sollten in den Grenzbereichen zwischen den
Materialien während der Sinterung keine übermäßigen Anteile an niedrig schmelzenden Eutektika gebildet werden. Somit wird eine ausreichende Formstabilität des Formkörpers gewährleistet .
In dem Verfahrensschritt D) kann ein Formgebungsverfahren verwendet werden, das ausgewählt ist aus Mehrkomponenten- Spritzguss, Mehrlagenpressen und Laminieren von gegossenen oder gezogenen keramischen Folien. Mittels Spritzguss können beispielsweise Formkörper in beliebiger Geometrie
bereitgestellt werden, die an die jeweiligen Bedingungen und konstruktiven Anforderungen angepasst werden können.
Anhand der Figuren und Ausführungsbeispiele soll die
Erfindung noch näher erläutert werden. Figur 1 zeigt die schematische Seitenansicht einer ersten
Ausführungsform einer Heizungsvorrichtung,
Figur 2 zeigt die schematische, perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer
Heizungsvorrichtung.
Figur 1 zeigt die schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Heizungsvorrichtung. Diese umfasst einen ersten Bereich 10 und einen zweiten Bereich 20 und einen dritten Bereich 30, der hier beispielhaft mit zwei
Teilbereichen 31, 32 gezeigt ist. Diese drei Bereiche bilden zusammen den Formkörper. An dem ersten Bereich 10 sind zwei elektrische Kontaktierungen 40 angeordnet, die über
elektrische Anschlüsse kontaktiert werden können. Der erste Bereich 10, der zweite Bereich 20 und der dritte Bereich 30 sind miteinander versintert, so dass eine zusätzliche
Befestigung der beiden Bereiche aneinander nicht nötig ist und der Formkörper einteilig ausgeformt ist. Der erste Bereich 10 umfasst ein erstes keramisches Material der Struktur Ba]_-x-yMxDyTi]__a_]3NaMn]303, das weiterhin mit einer seltenen Erde, wie beispielsweise Calcium, Strontium, Blei oder Zirkonium dotiert sein kann. Mit diesem ersten keramischen Material, das eine Perowskitstruktur aufweist, weist der erste Bereich einen positiven
Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands auf. Der zweite Bereich 20 kann ein zweites keramisches Material, beispielsweise eine Oxidkeramik umfassen, die ebenfalls mit Elementen aus der Gruppe der Alkalien, Erdalkalien, Titan oder Silizium, beispielsweise Yttrium, Calcium oder Cer dotiert sein kann.
Der dritte Bereich 30 enthält eine Mischung aus dem ersten keramischen Material und dem zweiten keramischen Material, wobei das Verhältnis von erstem keramischen Material zu zweitem keramischen Material aus einem Bereich ausgewählt ist, der 95:5 bis 5:95, vorteilhafterweise von 90:10 bis
10:90 umfasst. Das Verhältnis kann sich von Teilbereich zu Teilbereich des dritten Bereichs ändern. Beispielsweise kann der Anteil an erstem keramischem Material in dem Teilbereich 32 größer sein als in dem Teilbereich 31.
Damit werden in einem einteiligen Formkörper die mechanischen und chemischen Belastbarkeiten des zweiten keramischen
Materials mit der elektrischen Funktionalität des ersten keramischen Materials kombiniert.
Bei der Herstellung des Formkörpers wird ein gemeinsamer Formgebungsprozess (CIM, Ceramic Injection Molding)
verwendet, um die in Bezug auf die thermischen Ausdehnungskoeffizienten abgestimmten ersten, zweiten und dritten keramischen Materialien zu verbinden. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten sollten dabei vorteilhafterweise über den gesamten Temperaturbereich von 1260°C, wo eine
Mischung aus festem BaTiC>3 und flüssigem BaTiSi05 vorliegt, bis Raumtemperatur, also auch unterhalb der
Flüssigphasensintertemperatur, Unterschiede aufweisen, die kleiner als 2*10"6/K sind, was durch die entsprechenden
Dotierungen der Materialien erreicht werden kann.
Flüssigphasen der ersten keramischen und zweiten keramischen Materialien können in Abhängigkeit der Zusammensetzung ab Temperaturen von 940 °C auftreten.
Im kritischen Temperaturbereich mit großen Spannungen sollten die keramischen Materialien langsam, beispielsweise mit 0,2°C pro Minute, abgekühlt werden. Der kritische Temperaturbereich kann dabei zwischen Raumtemperatur und 1260°C liegen.
Um Sinterfähigkeiten bis zu Dichten von 99% des ersten keramischen Materials zu erreichen, können Korngrößen von weniger als 1 ym vor dem Sinterprozess beziehungsweise
Sinterhilfsmittel, wie beispielsweise S1O2, T1O2 oder FeO verwendet werden. Hiermit sind Sintertemperaturen von weniger als 1400°C bei Sinterzeiten von weniger als 120 Minuten möglich.
Wenn die ersten keramischen Materialien Bleianteile umfassen, können sehr niedrige Sintertemperaturen unter 1300°C
angewendet werden, um die Anreicherung des Bleis im
strukturkeramischen Material zu verhindern.
Binderanteile in dem ersten keramischen und/oder zweiten keramischen und/oder dritten keramischen Material sowie Press- beziehungsweise Fügekräfte werden auf ähnliche
Schrumpfwerte während der Entbinderung und Sinterung
eingestellt, was zu Binderanteilen von über 1 Gew-% führt. Figur 2 zeigt die schematische perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Heizungsvorrichtung. Hier ist der erste Bereich 10 und der zweite Bereich 20, und der dritte Bereich 30, die zusammen den Formkörper bilden, jeweils als Rohr ausgeformt, wobei der erste Bereich 10 den zweiten Bereich 20 umgibt und der dritte Bereich 30 zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich angeordnet ist. An den beiden Stirnseiten des ersten Bereichs 10 sind elektrische Kontaktierungen vorhanden (hier nicht gezeigt) . Durch ein solches Rohr kann beispielsweise ein Medium geleitet werden, das bei Anlegen einer Spannung durch den ersten Bereich beheizt wird, während der zweite Bereich 20 für die mechanische und chemische Stabilität des Formkörpers während des Fließens des Mediums durch das Rohr sorgt. Eine Kontaminierung des zu beheizenden Mediums oder eine
Zerstörung des ersten Bereichs durch das Medium ist gehemmt, da der zweite Bereich 20 zwischen dem zu beheizenden Medium und dem ersten Bereich 10 vorhanden ist. Die in den Figuren und Ausführungsbeispielen gezeigten
Ausführungsformen können beliebig variiert werden. Es ist weiterhin zu berücksichtigen, dass sich die Erfindung nicht auf die Beispiele beschränkt, sondern weitere hier nicht ausgeführte Ausgestaltungen zulässt. Bezugs zeichenliste
10 erster Bereich
20 zweiter Bereich
30 dritter Bereich
31 Teilbereich
32 Teilbereich
40 elektrische Kontaktierung

Claims

Formkörper, umfassend
- einen ersten Bereich (10), der ein erstes keramisches Material mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands aufweist,
- einen zweiten Bereich (20), der ein zweites keramisches Material aufweist, und
- einen dritten Bereich (30), der zwischen dem ersten Bereich (10) und dem zweiten Bereich (20) angeordnet ist und der ein drittes keramisches Material aufweist,
- wobei der erste Bereich (10) und der dritte Bereich (30) thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, die sich um weniger als 2*10~6/K unterscheiden, und
wobei der zweite Bereich (20) und der dritte Bereich (30) thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, die sich um weniger als 2*10~6/K unterscheiden.
Formkörper nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der dritte Bereich (30) zumindest zwei Teilbereiche (31, 32) aufweist und der erste Bereich (10) und der zweite
Bereich (20) an jeweils einen der Teilbereiche (31, 32) des dritten Bereichs (30) angrenzen.
Formkörper nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der an den ersten Bereich angrenzende Teilbereich (32) des dritten Bereichs (30) und der erste Bereich (10)
thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, die sich um weniger als 2*10~6/K unterscheiden, und der an den zweiten Bereich angrenzende Teilbereich (31) des dritten Bereichs (30) und der zweite Bereich (20) thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, die sich um weniger als 2*10~6/K unterscheiden.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste keramische Material eine
Perowskitstruktur mit der Formel Bai-x-yMxDyTii-a-bNaMnb03 aufweist, wobei x = 0 bis 0,5, y = 0 bis 0,01, a = 0 bis 0,01, b = 0 bis 0,01, M ein zweiwertiges Kation umfasst, D einen drei- oder vierwertigen Donor umfasst und N ein fünf- oder sechswertiges Kation umfasst.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite keramische Material eine Oxidkeramik umfasst, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die ZrÜ2, AI2O3 und MgO umfasst.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das dritte keramische Material eine Mischung aus erstem keramischen Material und zweitem keramischen Material in einem Verhältnis, das aus einem Bereich von 90:10 bis 10:90 ausgewählt ist, umfasst.
Formkörper nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die zumindest zwei Teilbereiche (31, 32) des dritten Bereichs (30) jeweils eine Mischung aus erstem keramischen
Material und zweitem keramischen Material in einem
Verhältnis, das aus einem Bereich von 90:10 bis 10:90 ausgewählt ist, umfassen.
Formkörper nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich das Verhältnis von erstem keramischen Material und zweitem keramischen Material zwischen jeweils
benachbarten Teilbereichen (31, 32) graduell ändert.
Formkörper nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das dritte keramische Material Zusätze aufweist, die von dem ersten und zweiten keramischen Material unterschiedlich sind .
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der dritte Bereich (30) die Diffusion von Bestandteilen des ersten keramischen Materials und des zweiten
keramischen Materials hemmt. Heizungsvorrichtung umfassend einen Formkörper gemäß den Ansprüchen 1 bis 10.
Heizungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei auf dem Formkörper elektrische Kontaktierungen (40) zur Erzeugung eines Stromflusses in dem Formkörper angeordnet sind.
Heizungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste Bereich (10) des Formkörpers mit den elektrischen Kontaktierungen (40) versehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mit den
Verfahrensschritten
A) Bereitstellen eines ersten keramischen
Ausgangsmaterials ,
B) Bereitstellen eines zweiten keramischen
Ausgangsmaterials ,
C) Bereitstellen zumindest eines dritten keramischen Ausgangsmaterials, das eine Mischung aus erstem und zweitem keramischen Ausgangsmaterial umfasst,
D) Herstellen eines Grünkörpers, der einen das erste keramische Ausgangsmaterial umfassenden ersten Bereich
(10), einen das zweite keramische Ausgangsmaterial umfassenden zweiten Bereich (20) und einen das dritte keramische Ausgangsmaterial umfassenden dritten Bereich
(30) umfasst, und
E) Sintern des Grünkörpers zur Herstellung des
Formkörpers ,
wobei in den Verfahrensschritten A) , B) und C)
Ausgangsmaterialien so ausgewählt werden, dass die gesinterten keramischen Materialien thermische
Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten und des dritten keramischen Materials und des zweiten und des dritten keramischen Materials um weniger als 2*10"6/K unterscheiden .
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei im Verfahrensschritt D) ein Formgebungsverfahren verwendet wird, das ausgewählt ist aus Mehrkomponenten-Spritzguss , Mehrlagenpressen und Laminieren von gegossenen oder gezogenen Folien.
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