EP4237245A1 - Verfahren zum sintern keramischer werkstoffe - Google Patents

Verfahren zum sintern keramischer werkstoffe

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EP4237245A1
EP4237245A1 EP21777987.5A EP21777987A EP4237245A1 EP 4237245 A1 EP4237245 A1 EP 4237245A1 EP 21777987 A EP21777987 A EP 21777987A EP 4237245 A1 EP4237245 A1 EP 4237245A1
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EP
European Patent Office
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starting material
component
electric field
temperature
compacted
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21777987.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Apurv DASH
Robert Mücke
Olivier Guillon
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.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C04B2235/786—Micrometer sized grains, i.e. from 1 to 100 micron

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a compressed component and an object that includes a compressed component.
  • Sintering is a process for processing materials. A material is heated and, if necessary, subjected to increased pressure so that the material is compressed. Sintering takes place at high temperatures, but below the melting temperature of the main components, so that the shape of the workpiece is retained during sintering. Shrinkage typically occurs as the source material is compacted. A solid workpiece is produced by sintering, whereby properties such as hardness, compressive strength and thermal conductivity can be influenced by suitable process parameters.
  • the sintering of ceramic materials is used for the production of ceramic components, which in terms of their properties such.
  • field-assisted sintering was developed, in which heating is carried out using an electric current.
  • this process which is also known as field-activated sintering, "Field-assisted sintering technology" (FAST) or “Spark Plasma Sintering” (SPS)
  • FAST Field-assisted sintering technology
  • SPS Spark Plasma Sintering
  • a direct electric current is passed through the powder to be sintered, which leads to further heating leads to the Joule effect.
  • a pressure of 50 MPa to 400 MPa is built up and sintering takes place under protective gas or vacuum.
  • the Heating is accelerated and can take place, for example, at several 100 K/min, so that significantly shorter process times are possible.
  • This process is also technically complex due to the high temperatures well above 800°C and the high pressures. In addition, it can only be used with materials that have sufficient electrical conductivity at room temperature, which is usually not the case with ceramic materials. Flash sintering, which is based on a current flow through the ceramic body in combination with external heating, was developed to eliminate this disadvantage. First of all, external heating is used and when a specific temperature is exceeded at which the sample becomes sufficiently conductive, a current flow is realized across the sample cross-section. This method is also technically complex. Other methods rely on heating in an oven to increase conductivity before an electric field is applied.
  • the object of the invention is to provide an improved method for producing a compacted component and an improved object.
  • a method for producing a compacted component is used to solve the task.
  • a starting material comprises a first material from the group of cuprates. The starting material is exposed to an electric field at a temperature T below 800°C. In this way, a compacted component is produced from the starting material.
  • ceramic materials from the cuprate group exhibit electrical conductivity even at temperatures below 800°C. This electrical conductivity enables compaction by a electric field.
  • the process requires little technical effort, since the starting material does not have to be heated for compaction.
  • the method does not include any heating of the starting material in an oven and/or with an external heating device.
  • the materials used are typically oxides and for this reason are not prone to oxidation. Compared to metals, alloys and other oxidizable materials, this opens up additional areas of application.
  • the process is used to produce a compacted component. It can also be referred to as sintering. Since processes that are carried out at high temperatures are usually referred to as sintering, the process is referred to here as compaction.
  • the electric field is generated in particular by arranging electrodes on different, for example opposite, sides of the starting material and by applying an electric voltage to the electrodes or realizing an electric current through the electrodes and the starting material.
  • the electric field can be generated by a power supply device.
  • This can be designed as a DC voltage or direct current source or as an AC voltage or alternating current source.
  • the electric field strength is steadily increased from zero to a target value. Due to the electrical conductivity at a certain field strength, there can be a sudden increase in the electrical current flowing through the starting material.
  • a switch is made from field-based control to current-based control after a sudden increase and/or spike in electrical current flowing through the feedstock. The electric current is thus limited. This prevents melting or destruction of the starting material to be compacted.
  • the energy supply device is set up for such a switchover.
  • the starting material can be in the form of a green body, ie an object preformed from the starting material.
  • the method may include shaping to produce the green body. This is used to produce the green compact, in particular of powdered material. A packing density that is as homogeneous as possible, i.e. a uniform mass distribution, can be aimed for in the entire green compact.
  • the shaping takes place in particular by pressing, casting and/or by plastic shaping. In this way, geometrically complex components can be manufactured.
  • the starting material can be in powder form. This enables a particularly simple and quick method.
  • the starting material can thus be introduced into a mold as a powder and exposed to the electric field in this form.
  • Cuprates are ceramic superconductors that are known as high-temperature superconductors due to their comparatively high critical temperature.
  • the first material is in particular a ceramic superconductor. Chemical compounds containing a copper-containing anion can be referred to as cuprates. These can be salt-like cuprates, which contain oxygen in addition to copper. In particular, however, oxides are meant.
  • the first material is a substance that has a transition temperature above -196°C, the boiling temperature of liquid nitrogen.
  • the material from the cuprate group has an electrical conductivity at room temperature that is between that of a good conductor and that of an insulator. Said electrical conductivity of the material can be between 10 4 S/m and 10 7 S/m, in particular between 5*10 4 S/m and 3*10 6 S/m, preferably between 8*10 4 S/m and 1 2*10 5 S/m.
  • the group of cuprates includes, among others, LaBaCuO, LaSrCuo, YBaCuO, BiSrCaCuO, BiSrCuOCO, TIBaCaCuO, HgBaCaCuO, HgTIBaCaCuO, BaCaCuO, BaCaCuCO, SrKCuOCI. Only the elements contained are given here, but not the correct stoichiometric ratios.
  • the group of cuprates includes, among others, La4BaCusOi3, La 2 - x Ba x CuO, La 1.8 Sr 0.2 CuO 4 , YBa 2 Cu 3 O 7 , Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 , Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 , Bi 2 Sr 2 CuO 6 , HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 , HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 9 , Y 2 Ba 4 Cu 7 O 15 , Hg 0.8 TI 0.2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 8.33 ,
  • the temperature T means the temperature at the beginning of the action of the electric field on the starting material.
  • the starting material is not heated before it is exposed to the electric field. Nevertheless, it is possible that the temperature will rise to values above 500°C, 400°C, 300°C, 200°C, or 100°C at certain points due to the effect of the electric field. In particular, however, this temperature is well below 800°C.
  • the temperature T can e.g. B. describe an average temperature inside the starting material.
  • the temperature T is less than 700°C, less than 600°C, less than 500°C, less than 400°C, less than 300°C, less than 200°C or less than 150°C. Surprisingly, it has been shown that compaction similar to a conventional sintering process is possible at these temperatures.
  • the temperature T is higher than the transition temperature of the starting material and/or the first material. At the critical temperature, the electrical resistance jumps towards zero. At lower temperatures, due to the lack of electrical resistance, a short circuit occurs and little or no compression takes place.
  • the temperature is higher than -150°C, for example higher than -125°C, preferably higher than -100°C, in one embodiment higher than -75°C, for example higher than -50°C, in particular higher than -25 °C and in one example higher than 0°C.
  • the temperature T is less than 100°C, in particular less than 50°C. In one embodiment, the temperature is less than 80°C, less than 70°C, less than 60°C, less than 40°C, less than 30°C, or less than 25°C. It can correspond to room temperature or be lower than room temperature.
  • the starting material is exposed to the electric field for a period of less than 10 minutes, preferably less than 1 minute.
  • the method according to the invention allows complete compaction within the short period of time mentioned.
  • the essential parameters such as shrinkage, change in porosity, increase in density and/or strength
  • compaction is comparable to conventional processes, which are associated with orders of magnitude more time. A particularly fast, resource-saving and cost-effective method is thus provided.
  • the starting material is exposed to the electric field under atmospheric pressure.
  • the method is carried out without applying any pressure. No additional pressure to atmospheric pressure is built up. By gravity, feedstock below is subjected to pressure from feedstock above, in addition to atmospheric pressure. However, this should be neglected here.
  • the maximum pressure in the starting material at the start or shortly before the start of the effect of the electric field is less than 1.6 bar, preferably less than 1.4 bar and particularly preferably less than 1.2 bar or less than 1.1 bar.
  • the starting material is mechanically compacted, in particular by pressing, prior to the action of the electric field.
  • the starting material can be pressed uniaxially or isostatically.
  • a preform or green compact can be produced.
  • more complex compacted components can be produced.
  • the arrangement of electrodes for applying an electrical voltage and/or an electrical current is also possible as a result more easily and in a particularly reproducible manner.
  • a particularly uniform distribution of the grains and/or pores is ensured, which makes particularly homogeneous compacted components possible.
  • the electric field has an electric field strength greater than 50 V/cm.
  • the electric field strength is between 100 V/cm and 5 kV/cm. In particular, this means the average field strength that acts on the starting material.
  • the required field strength is lower at higher temperatures and vice versa. Due to the electrical conductivity of the materials from the group of cuprates, this is not the case with the method according to the invention.
  • the required electric field strength increases with increasing temperature.
  • a starting material can be compacted at room temperature with 300 V/cm, while only a field of 50 V/cm is required for the compaction of the same starting material at a temperature of -100°C.
  • the starting material has a mass fraction of the first material from the cuprate group of between 50% and 100%.
  • the starting material has a mass fraction of a second material between 0% and 50%.
  • the second material is different from the first material.
  • it does not contain cuprate. It has been found that densification at low temperatures is also possible when only a portion of the starting material is a cuprate. This is possible from a cuprate content of around 50%. In this way, there are many possibilities for adapting the properties of the compacted component to the respective requirements by means of suitable admixtures.
  • the second material is an electrically insulating material, in particular a ceramic material.
  • the second material is an aluminum oxide.
  • Aluminum oxide is a widely used technical ceramic with a wide range of possible applications.
  • aluminum oxide has been difficult to sinter because it has electrically insulating properties even at high temperatures. According to the invention, an "indirect" sintering of aluminum oxide is made possible via the combination with cuprate.
  • the starting material contains a mass fraction between 0% and 99% of a second material and a mass fraction between 0% and 99% of a third material, optionally a mass fraction between 0% and 99% of a fourth material and optionally a mass fraction between 0% and 99% of a fifth material.
  • the mass fractions of the second, third, fourth and/or fifth material can be below 40%. They can be below 20%. They can be below 10%. They can be below 5%.
  • the second, third, fourth and/or fifth material can be an insulating ceramic material.
  • At least a first region, in particular at least a first layer, of the starting material consists essentially of the first material.
  • At least a second region, in particular at least a second layer, of the starting material essentially consists of the second material.
  • the starting material consists of a first layer and a second layer, which is arranged in particular directly adjacent.
  • the starting material comprises three layers, with a second layer being arranged between two first layers.
  • the three layers are each arranged immediately adjacent.
  • the starting material can consist of the three layers.
  • a portion of the first material is surrounded by second material. Accordingly, a region of the first material lies between the second material along at least one viewing direction.
  • the second material can be arranged as a coating of the first material. This can influence the properties of the compacted component.
  • at least a third region of the starting material comprises a mixture of the first material and the second material. Preferably the mixture is essentially homogeneous.
  • At least one region contains a substantially uniform mixture of two different types of particles, at least one type of particle being cuprate particles.
  • the third region can consist of the mixture of the first material and the second material.
  • Homogeneous means in particular a uniform mixture of the different particles. In this way, a homogeneous compacted component with the desired properties can be produced.
  • an average grain size of the compacted component is larger by a factor F than an average grain size of the starting material.
  • F ⁇ 5 in particular F ⁇ 2, preferably F ⁇ 1.25.
  • the mean grain size means in particular the mean value or median of the grain diameter.
  • the compacted components produced by the method described can be recognized in particular by the fact that, in contrast to compacted components produced using conventional methods, their grain size is not significantly increased due to the low temperature and the short compaction time. With conventional methods, the factor F can be between 50 and 100 or higher. Accordingly, the grain size after compaction according to the invention essentially corresponds to the grain size before compaction. With the same grain sizes, the grain size in components produced using the method according to the invention is therefore significantly smaller. Components with very small grain sizes can be produced with the method according to the invention. The grain sizes can be adjusted according to the respective requirements.
  • An average particle size of the starting material and/or the compacted component can be between 0.1 ⁇ m and 100 ⁇ m, preferably between 0.5 ⁇ m and 50 ⁇ m, particularly preferably between 0.8 ⁇ m and 25 ⁇ m and for example between 1 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • the average grain size can be determined, for example, by scanning electron microscopy and image data analysis.
  • Another aspect of the invention is an article that includes a compacted component.
  • the compacted component was produced in that a Starting material was exposed to an electric field at a temperature below 800°C.
  • the starting material comprises a first material from the group of cuprates.
  • the compacted component was produced using the method according to the invention. All features, embodiments and effects of the method described above also apply accordingly to the object. Conversely, all features, embodiments and effects listed here also apply to the method.
  • the object can be the component, for example a ceramic superconductor.
  • the object can include other elements in addition to the component.
  • the compacted component comprises a material from the cuprate group. It typically has an average grain size of the compacted component which is greater by a factor F than an average grain size of the starting material, where: F ⁇ 5, in particular F ⁇ 2, preferably F ⁇ 1.25. It is typically recognizable as a compacted or sintered component based on its properties. In one configuration, the component has an average grain size of between 0.8 ⁇ m and 20 ⁇ m, preferably between 1 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • the component is a ceramic superconductor.
  • a ceramic superconductor is a ceramic material whose electrical resistance abruptly approaches zero when it reaches or falls below the transition temperature.
  • the component is a high-temperature superconductor. It has been shown that superconductors can be produced particularly easily and with little technical effort in the manner described.
  • the object is an electromagnet and the component is arranged as a coil winding of the electromagnet. Due to the extremely low resistance-related losses of a superconductor, the electromagnet can generate high magnetic fields with little energy input.
  • the electromagnet is a DC magnet.
  • the object is a device for generating light.
  • the object is designed so that the component for the purpose of emission Light can be subjected to an electrical voltage and/or an electrical field.
  • the object may include an energy supply device for subjecting the component to an electrical voltage and/or an electrical field.
  • the object can be set up in such a way that the component has a temperature below 0° C. when light is generated.
  • a further aspect is the use of a compacted component produced with the method according to the invention or an object according to the invention for generating light, in which the component is exposed to an electrical voltage and/or an electric field so that the component emits light. In particular, this takes place at a temperature below 0°C. All features, embodiments and effects of the method and the object described above also apply accordingly to the use.
  • Figure 1 a method for producing a compacted component
  • Figure 2 a first embodiment of a component
  • Figure 3 a second embodiment of a component
  • FIG. 4 a third embodiment of a component.
  • FIG. 1 schematically shows a method for producing a compacted component 10.
  • a starting material 20 is exposed to an electric field 12.
  • FIG. A temperature T below 800° C. acts on the starting material 20, particularly at the beginning of the effect of the electric field 12.
  • the temperature T typically corresponds to room temperature. In other words, the component is not heated either before or during the effect of the electric field 12 .
  • the electric field 12 acts for a period of time t of about 30 seconds. No pressure is applied, so that the starting material 20 is exposed to the electric field 12 under the prevailing atmospheric pressure P.
  • the electric field strength is continuously increased, starting from 0 and/or up to a maximum value of 1 kV/cm.
  • FIG. 2 schematically shows a first embodiment of a starting material 20 for producing a compacted component.
  • the starting material 20 includes a third region 28 which includes a homogeneous mixture of a first material 14 from the group of cuprates and a second material 16 .
  • the starting material 20 consists of the third region 28.
  • the second material 16 differs from the first material 14 and in particular contains no cuprate. Suitable admixtures of the second material 16 can be used to adjust properties of the compacted component in a targeted manner. At the same time, compaction is possible with the method according to the invention.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a starting material 20.
  • the starting material 20 comprises a first region 24 and a second region 26, which are designed in the form of layers and directly adjoin one another.
  • the first region 24 is made from the first material 14 from the group of cuprates.
  • the second region 26 is made from the second material 16, which differs from the first material 14 and, in particular, does not contain any cuprate.
  • the first region 24 can be coated with the second material 16 in such a way that properties of the compacted component are influenced in a desired manner. For example, a color temperature of the emitted light can be adjusted in a desired manner.
  • FIG. 4 shows a third embodiment of a starting material 20.
  • the starting material 20 comprises a second region 26, which is arranged in the manner of a sandwich between two first regions 24, which in particular are configured in the same way.
  • the starting material 20 consists of the areas 24 and 26 mentioned.
  • the first area 24 is made of the first material 14 from the group of cuprates and the second area 26 is made of the second material 16, which differs from the first material 14 differs and in particular contains no cuprate.
  • the first regions 24 and the second region 26 are arranged in superimposed layers.
  • the layer thicknesses shown in the diagrammatic FIGS. 2 to 4 and their ratios are not to scale.
  • the areas 14 and 16 can have the same or different layer thicknesses.
  • the layer thickness of the first area 14 can be greater, less than or equal to the layer thickness of the second area 16 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines verdichteten Bauteils sowie einen Gegenstand, der ein verdichtetes Bauteil umfasst. Bei einem Verfahren zum Herstellen eines verdichteten Bauteils (10) wird ein Ausgangsmaterial (20) bei einer Temperatur (T) unterhalb von 800°C einem elektrischen Feld (12) ausgesetzt. Das Ausgangsmaterial (20) umfasst ein erstes Material (14) aus der Gruppe der Cuprate. Das Verfahren hat einen geringen technischem Aufwand, da ein Verdichten ohne Erhitzen des Ausgangsmaterials möglich ist.

Description

Verfahren zum Sintern keramischer Werkstoffe
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines verdichteten Bauteils sowie einen Gegenstand, der ein verdichtetes Bauteil umfasst.
Sintern ist ein Verfahren zur Bearbeitung von Werkstoffen. Dabei wird ein Werkstoff erhitzt und ggf. einem erhöhten Druck ausgesetzt, sodass der Werkstoff verdichtet wird. Das Sintern erfolgt bei hohen Temperaturen, die jedoch unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten liegen, sodass die Form des Werkstücks beim Sintern erhalten bleibt. Es kommt typischerweise zu einer Schwindung, da das Ausgangsmaterial verdichtet wird. Durch das Sintern wird ein festes Werkstück hergestellt, wobei Eigenschaften wie Härte, Druckfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit durch geeignete Prozessparameter beeinflusst werden können.
Das Sintern von keramischen Materialien dient der Herstellung von keramischen Bauteilen, die hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie z. B. Härte, Druckfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit vielfache Anwendung finden. Bei manchen Verfahren erfolgt eine Formgebung, bei der ein Grünling aus zumeist pulverförmigen Ausgangsmaterialien herstellt wird, ggf. eine Trocknung und anschließend die Verdichtung. Dabei wird das Ausgangsmaterial einer Temperatur zwischen 800°C und 2500°C ausgesetzt. In diesem Schritt kommt es zu Kornwachstum. Dieses Verfahren ist aufgrund der hohen Temperaturen technisch aufwändig und energieintensiv. Starkes Kornwachstum kann zu ungewünschten Eigenschaften des hergestellten Bauteils führen. Zudem ist die lange Dauer des Verfahrens, die zwischen einigen Stunden und Tagen beträgt, ein wesentlicher Nachteil.
Zur Verkürzung des Sinterns wurde das feldunterstützte Sintern entwickelt, bei dem die Erwärmung mittels elektrischen Stroms erfolgt. Bei diesem Verfahren, das auch als Feld-Aktiviertes Sintern, „Field assisted sintering technology“ (FAST) oder „Spark Plasma Sintering“ (SPS) bekannt ist, wird ein elektrischer Gleichstrom durch das zu sinternde Pulver geleitet, der zu einer weiteren Erwärmung durch den Joule-Effekt führt. Zusätzlich wird ein Druck von 50 MPa bis zu 400 MPa aufgebaut und das Sintern erfolgt unter Schutzgas oder Vakuum. Im Vergleich zum herkömmlichen Sintern ist die Erwärmung beschleunigt und kann beispielsweise mit mehreren 100 K/min erfolgen, sodass deutlich verkürzte Prozesszeiten möglich sind. Auch dieser Prozess ist aufgrund der hohen Temperaturen deutlich oberhalb von 800°C und der hohen Drücke technisch aufwändig. Außerdem kann er nur bei Materialien eingesetzt werden, die bei Raumtemperatur eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen, was bei keramischen Werkstoffen zumeist nicht der Fall ist. Zur Behebung dieses Nachteils wurde das Flash-Sintern entwickelt, das auf einem Stromfluss durch den keramischen Körper in Kombination mit einer externen Heizung beruht. Hierbei wird zunächst extern geheizt und bei Überschreiten einer spezifischen Temperatur, bei der die Probe ausreichend leitfähig wird, wird ein Stromfluss über den Probenquerschnitt realisiert. Auch dieses Verfahren ist technisch aufwändig. Andere Verfahren beruhen auf einer Erhitzung im Ofen, um die Leitfähigkeit zu erhöhen, bevor ein elektrisches Feld angelegt wird.
Die Publikation „Oxide Superconductors“ von Robert J. Cava aus dem „Journal of the American Ceramic Society“ [1] 5 - 28, 2000, beschreibt die Entwicklung keramischer Supraleiter mit einem Schwerpunkt in Kupferoxid-Superleitern aus der Gruppe der Cuprate.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Verdichteten Bauteils sowie einen verbesserten Gegenstand zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und den Gegenstand gemäß dem nebengeordneten Anspruch. Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zur Lösung der Aufgabe dient ein Verfahren zum Herstellen eines verdichteten Bauteils. Ein Ausgangsmaterial umfasst ein erstes Material aus der Gruppe der Cuprate. Das Ausgangsmaterial wird bei einer Temperatur T unterhalb von 800°C einem elektrischen Feld ausgesetzt. Auf diese Weise wird aus dem Ausgangsmaterial ein verdichtetes Bauteil hergestellt.
Keramische Materialien aus der Gruppe der Cuprate weisen, anders als viele andere keramische Materialien, bereits bei Temperaturen unterhalb von 800°C eine elektrische Leitfähigkeit auf. Diese elektrische Leitfähigkeit ermöglicht eine Verdichtung durch ein elektrisches Feld. Das Verfahren hat einen geringen technischem Aufwand, da für das Verdichten kein Erhitzen des Ausgangsmaterials notwendig ist. Das Verfahren umfasst insbesondere keine Erwärmung des Ausgangsmaterials in einem Ofen und/oder mit einer externen Erwärmungseinrichtung. Darüber hinaus sind die verwendeten Materialien typischerweise Oxide und aus diesem Grund nicht anfällig für Oxidation. Dies eröffnet im Vergleich zu Metallen, Legierungen und anderen oxidierbaren Materialien zusätzliche Einsatzgebiete.
Das Verfahren dient der Herstellung eines verdichteten Bauteils. Es kann auch als Sintern bezeichnet werden. Da als Sintern üblicherweise Prozesse bezeichnet werden, die bei hohen Temperaturen durchgeführt werden, wird das Verfahren hier als Verdichten bezeichnet.
Das elektrische Feld wird insbesondere erzeugt durch die Anordnung von Elektroden an unterschiedlichen, beispielsweise gegenüberliegenden, Seiten des Ausgangsmaterials und durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden bzw. Realisieren eines elektrischen Stroms durch die Elektroden und das Ausgangsmaterial.
Das elektrische Feld kann durch eine Einrichtung zur Energieversorgung erzeugt werden. Diese kann als Gleichspannungs- bzw. Gleichstromquelle oder als Wechselspannungs- bzw. Wechselstromquelle ausgestaltet sein.
Insbesondere wird die elektrische Feldstärke von null bis zu einem Zielwert stetig erhöht. Dabei kann es aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit bei einer bestimmten Feldstärke zu einem plötzlichen Anstieg des elektrischen Stroms kommen, der durch das Ausgangsmaterial fließt. Insbesondere wird nach einem plötzlichen Anstieg und/oder einer Spitze des elektrischen Stroms, der durch das Ausgangsmaterial fließt, von einer Feld-basierten Steuerung zu einer Stromstärken-basierten Steuerung umschaltet. Der elektrische Strom wird somit begrenzt. Dies verhindert ein Schmelzen bzw. Zerstören des zu verdichtenden Ausgangsmaterials. Typischerweise ist die Einrichtung zur Energieversorgung zu einem derartigen Umschalten eingerichtet.
Das Ausgangsmaterial kann als Grünling vorliegen, also als aus dem Ausgangsmaterial vorgeformter Gegenstand. Das Verfahren kann eine Formgebung zur Herstellung des Grünlings umfassen. Dies dient der Herstellung des Grünlings, insbesondere aus pulverförmigem Material. Dabei kann eine möglichst homogene Packungsdichte, also eine gleichmäßige Massenverteilung, im gesamten Grünling angestrebt werden. Die Formgebung erfolgt insbesondere durch Pressen, Gießen und/oder durch plastische Formgebung. Auf diese Weise können geometrisch anspruchsvolle Bauteile hergestellt werden.
Alternativ oder ergänzend kann das Ausgangsmaterial in Pulverform vorliegen. Dies ermöglicht ein besonders einfaches und schnelles Verfahren. Das Ausgangsmaterial kann somit als Pulver in eine Form eingebracht werden und in dieser Form dem elektrischen Feld ausgesetzt werden.
Cuprate sind keramische Supraleiter, die aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Sprungtemperatur als Hochtemperatursupraleiter bekannt sind. Das erste Material ist insbesondere ein keramischer Supraleiter. Als Cuprate können chemische Verbindungen bezeichnet werden, die ein kupferhaltiges Anion enthalten. Dies können salzartige Cuprate sein, die neben Kupfer Sauerstoff enthalten. Insbesondere sind jedoch Oxide gemeint. Typischerweise ist das erste Material ein Stoff, die eine Sprungtemperatur oberhalb von -196°C, der Siedetemperatur von flüssigem Stickstoff, aufweist. Insbesondere weist das Material aus der Gruppe der Cuprate bei Raumtemperatur eine elektrische Leitfähigkeit auf, die zwischen der eines guten Leiters und der eines Isolators liegt. Die genannte elektrische Leitfähigkeit des Materials kann zwischen 104 S/m und 107 S/m, insbesondere zwischen 5*104 S/m und 3*106 S/m, bevorzugt zwischen 8*104 S/m und 1 ,2*105 S/m betragen.
Die Gruppe der Cuprate umfasst unter anderem LaBaCuO, LaSrCuo, YBaCuO, BiSrCaCuO, BiSrCuOCO, TIBaCaCuO, HgBaCaCuO, HgTIBaCaCuO, BaCaCuO, BaCaCuCO, SrKCuOCI. Hierbei sind lediglich die enthaltenen Elemente, nicht jedoch die korrekten stöchiometrischen Verhältnisse angegeben.
Die Gruppe der Cuprate umfasst unter anderem La4BaCusOi3, La2-xBaxCuO, La1 ,8Sr0,2CuO4, YBa2Cu3O7, Bi2Sr2Ca2Cu3O10, Bi2Sr2CaCu2O8, Bi2Sr2CuO6, HgBa2Ca2Cu3O8, HgBa2Ca2Cu3O9, Y2Ba4Cu7O15, Hg0.8TI0.2Ba2Ca2Cu3O8.33,
Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127, HgBa2CaCu2O6, Tl2Ba2Ca2Cu3O10, Pb2Sr2YCu3O8, Nd2CuO4, Cao,84Sro,i6Cu02, TIBa2(Eu,Ce)2Cu20g, GaSr2(Y,Ca)Cu2O7, Pb2Sr2Y1-xCaxCu3O8, Sr3-xKxCu2O4Cl2, Sr2-xKxCuO2Cl2, NbSr2(Nd,Ce)2Cu2O10, (Sr,Ca)CuO2, YBa2Cu3O7, YBa2Cu3O7-x, YBa2Cu3O7-δ, beispielsweise mit δ zwischen 0,05 und 0,65, auch bezeichnet als YBCO, YBaCuO, Y-123, 123-Oxid oder „123 compound“. In einer Ausführungsform ist das erste Material Yttrium-Barium-Kupferoxid. Dieses weist eine hohe Sprungtemperatur und eine gute Verfügbarkeit auf.
Die Temperatur T meint die Temperatur zu Beginn der Wirkung des elektrischen Feldes auf das Ausgangsmaterial. Das Ausgangsmaterial wird insbesondere nicht erwärmt, bevor es dem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Dennoch ist es möglich, dass die Temperatur durch die Wirkung des elektrischen Feldes punktuell auf Werte oberhalb von 500°C, 400°C, 300°C, 200°C, oder 100°C steigt. Insbesondere liegt diese Temperatur jedoch deutlich unterhalb von 800°C. Die Temperatur T kann z. B. eine mittlere Temperatur im Inneren des Ausgangsmaterials beschreiben.
Insbesondere ist die Temperatur T geringer als 700°C, geringer als 600°C, geringer als 500°C, geringer als 400°C, geringer als 300°C, geringer als 200°C oder geringer als 150°C. Es hat sich überraschend gezeigt, dass bei diesen Temperaturen eine Verdichtung ähnlich einem herkömmlichen Sinterprozess möglich ist.
Die Temperatur T ist höher als die Sprungtemperatur des Ausgangsmaterials und/oder des ersten Materials. Bei der Sprungtemperatur strebt der elektrische Widerstand sprunghaft gegen null. Bei geringeren Temperaturen kommt es aufgrund des mangelnden elektrischen Widerstands zu einem Kurzschluss und es findet nur geringe oder keine Verdichtung statt. Insbesondere ist die Temperatur höher als -150°C, beispielsweise höher als -125°C, bevorzugt höher als -100°C, in einer Ausführungsform höher als -75°C, beispielsweise höher als -50°C, insbesondere höher als -25°C und in einem Beispiel höher als 0°C.
In einer Ausgestaltung ist die Temperatur T geringer als 100°C, insbesondere geringer als 50°C. In einer Ausführungsform ist die Temperatur geringer als 80°C, geringer als 70°C, geringer als 60°C, geringer als 40°C, geringer als 30°C oder geringer als 25°C. Sie kann der Raumtemperatur entsprechen oder geringer sein als die Raumtemperatur.
In einer Ausgestaltung wird das Ausgangsmaterial dem elektrischen Feld für eine Zeitdauer von weniger als 10 min, bevorzugt weniger als 1 min, ausgesetzt. In Versuchen hat sich erwiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine vollständige Verdichtung bereits innerhalb der genannten kurzen Zeitdauer erlaubt. Die Verdichtung ist hinsichtlich der wesentlichen Parameter wie Schwindung, Veränderung der Porosität, Dichtezunahme und/oder Festigkeit vergleichbar mit herkömmlichen Verfahren, die mit einem um Größenordnungen höheren Zeitaufwand verbunden sind. Somit wird ein besonders schnelles, ressourcensparendes und kostengünstiges Verfahren bereitgestellt.
In einer Ausgestaltung wird das Ausgangsmaterial dem elektrischen Feld unter Atmosphärendruck ausgesetzt.
Mit anderen Worten wird das Verfahren ohne Ausüben eines Drucks ausgeführt. Es wird kein zusätzlicher Druck zum Atmosphärendruck aufgebaut. Durch die Gravitation ist weiter unten befindliches Ausgangsmaterial zusätzlich zum Atmosphärendruck einem Druck durch das weiter oben befindliche Ausgangsmaterial unterworfen. Dies soll hier allerdings vernachlässigt werden. In einer Ausführungsform beträgt der maximale Druck im Ausgangsmaterial zu Beginn bzw. kurz vor Beginn der Wirkung des elektrischen Feldes weniger als 1 ,6 bar, bevorzugt weniger als 1 ,4 bar und besonders bevorzugt weniger als 1 ,2 bar oder weniger als 1,1 bar.
In einer Ausführungsform wird das Ausgangsmaterial vor der Wirkung des elektrischen Feldes mechanisch kompaktiert, insbesondere durch Pressen. Das Ausgangsmaterial kann uniaxial oder isostatisch gepresst werden. Beispielsweise kann ein Vorformling bzw. Grünling hergestellt werden. Auf diese Weise können komplexere verdichtete Bauteile hergestellt werden. Auch die Anordnung von Elektroden zum Anlegen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms ist dadurch einfacher und auf besonders reproduzierbare Weise möglich. Darüber hinaus wird eine besonders gleichförmige Verteilung der Körner und/oder Poren gewährleistet, was besonders homogene verdichtete Bauteile ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das elektrische Feld eine elektrische Feldstärke größer als 50 V/cm auf. Insbesondere beträgt die elektrische Feldstärke zwischen 100 V/cm und 5 kV/cm. Insbesondere ist die mittlere Feldstärke gemeint, die auf das Ausgangsmaterial wirkt. Beim Sintern herkömmlicher Keramiken ist die benötigte Feldstärke bei höheren Temperaturen niedriger und umgekehrt. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Materialien aus der Gruppe der Cuprate ist dies beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht der Fall. Die benötigte elektrische Feldstärke steigt hier mit steigender Temperatur. So kann eine Verdichtung eines Ausgangsmaterials bei Raumtemperatur mit 300 V/cm möglich sein, während für die Verdichtung desselben Ausgangsmaterials bei einer Temperatur von -100°C lediglich ein Feld von 50 V/cm benötigt wird. Hier gilt es zwischen den Vor- und Nachteilen der sehr niedrigen Temperaturen abzuwägen. Zwar kann bei niedrigen Temperaturen eine Energieeinsparung erzielt werden, doch ist der Aufwand für eine ggf. notwendige Kühlung höher.
In einer Ausführungsform weist das Ausgangsmaterial einen Massenanteil des ersten Materials aus der Gruppe der Cuprate zwischen 50% und 100% auf.
In einer Ausgestaltung weist das Ausgangsmaterial einen Massenanteil eines zweiten Materials zwischen 0% und 50% auf.
Das zweite Material ist vom ersten Material unterschiedlich. Insbesondere enthält es kein Cuprat. Es hat sich erwiesen, dass die Verdichtung bei niedrigen Temperaturen auch möglich ist, wenn lediglich ein Anteil des Ausgangsmaterials ein Cuprat ist. Dies ist ab einem Cuprat-Anteil von ungefähr 50% möglich. Auf diese Weise sind vielfältige Möglichkeiten gegeben, durch geeignete Beimengungen die Eigenschaften des verdichteten Bauteils an die jeweiligen Anforderungen anzupassen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das zweite Material ein elektrisch isolierendes Material, insbesondere ein keramisches Material.
Derartige Materialien können bisher nicht bei niedrigen Temperaturen verdichtet werden. Es war bislang eine Erwärmung auf hohe Temperaturen von beispielswiese 1400°C bis 1600°C notwendig. Die Beimengung des ersten Materials ermöglicht nun erstmalig eine Verdichtung bei niedriger Temperatur, die noch dazu sehr schnell ist. Die Leistungsaufnahme des Ausgangsmaterials wird durch das erste Material gewährleistet. Somit können durch unterschiedliche Mischungen verschiedenste Materialzusammensetzungen mit den jeweilig gewünschten Eigenschaften hergestellt und verdichtet werden. Beispielsweise ist das zweite Material ein Aluminiumoxid. Aluminiumoxid ist eine weit verbreitete technische Keramik mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Aluminiumoxid ist bislang schwierig zu sintern, da es selbst bei hohen Temperaturen elektrisch isolierende Eigenschaften hat. Erfindungsgemäß wird über die Kombination mit Cuprat ein „indirektes“ Sintern von Aluminiumoxid ermöglicht.
In einer Ausführungsform enthält das Ausgangsmaterial einen Massenanteil zwischen 0% und 99% eines zweiten Materials sowie einen Massenanteil zwischen 0% und 99% eines dritten Materials, optional einen Massenanteil zwischen 0% und 99% eines vierten Materials und gegebenenfalls einen Massenanteil zwischen 0% und 99% eines fünften Materials. Die Massenanteile des zweiten, dritten, vierten und/oder fünften Materials können unterhalb von 40% liegen. Sie können unterhalb von 20% liegen. Sie können unterhalb von 10% liegen. Sie können unterhalb von 5% liegen. Das zweite, dritte, vierte und/oder fünfte Material kann ein isolierendes keramisches Material sein.
In einer Ausgestaltung besteht zumindest ein erster Bereich, insbesondere zumindest eine erste Schicht, des Ausgangsmaterials im Wesentlichen aus dem ersten Material. Zumindest ein zweiter Bereich, insbesondere zumindest eine zweite Schicht, des Ausgangsmaterials besteht im Wesentlichen aus dem zweiten Material.
Mit anderen Worten ist eine bereichsweise, beispielsweise schichtweise Anordnung der beiden Materialien möglich. In einer Ausführungsform besteht das Ausgangsmaterial aus einer ersten Schicht und einer insbesondere unmittelbar benachbart angeordneten zweiten Schicht. In einer Ausführungsform umfasst das Ausgangsmaterial drei Schichten, wobei eine zweite Schicht zwischen zwei ersten Schichten angeordnet ist. Insbesondere sind die drei Schichten jeweils unmittelbar benachbart angeordnet. Das Ausgangsmaterial kann aus den drei Schichten bestehen.
In einer Ausführungsform ist ein Bereich des ersten Materials von zweitem Material umgeben. Demnach liegt ein Bereich des ersten Materials entlang zumindest einer Blickrichtung zwischen zweitem Material. Das zweite Material kann als Beschichtung des ersten Materials angeordnet sein. Dadurch können die Eigenschaften des verdichteten Bauteils beeinflusst werden. In einer weiteren Ausgestaltung umfasst zumindest ein dritter Bereich des Ausgangsmaterials eine Mischung aus dem ersten Material und dem zweiten Material. Vorzugsweise ist die Mischung im Wesentlichen homogen.
Zumindest ein Bereich enthält also eine im Wesentlichen gleichförmige Mischung zweier unterschiedlicher Arten von Partikel, wobei zumindest eine Art der Partikel Cuprat-Partikel sind. Der dritte Bereich kann aus der Mischung aus dem ersten Material und dem zweiten Material bestehen. Homogen meint insbesondere eine gleichförmige Mischung der unterschiedlichen Partikel. Es kann auf diese Weise ein homogenes verdichtetes Bauteil mit gewünschten Eigenschaften hergestellt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist eine mittlere Korngröße des verdichteten Bauteils um einen Faktor F größer ist als eine mittlere Korngröße des Ausgangsmaterials. Es gilt: F < 5, insbesondere F < 2, bevorzugt F < 1,25.
Die mittlere Korngröße meint insbesondere den Mittelwert oder Median des Korndurchmessers. Die durch das beschriebene Verfahren hergestellten verdichteten Bauteile sind insbesondere daran erkennbar, dass ihre Korngröße im Gegensatz zu mit herkömmlichen Verfahren hergestellten verdichteten Bauteilen aufgrund der niedrigen Temperatur und der kurzen Verdichtungszeit nicht wesentlich vergrößert wird. Bei herkömmlichen Verfahren kann der Faktor F zwischen 50 und 100 oder höher liegen. Demnach entspricht die Korngröße nach der erfindungsgemäßen Verdichtung im Wesentlichen der Korngröße vor der Verdichtung. Bei gleichen Korngrößen ist also die Korngröße bei mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteilen wesentlich geringer. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind Bauteile mit sehr geringen Korngrößen herstellbar. Die Korngrößen sind jeweiligen Anforderungen entsprechend einstellbar.
Eine mittlere Korngröße des Ausgangsmaterials und/oder des verdichteten Bauteils kann zwischen 0.1 μm und 100 μm, bevorzugt zwischen 0.5 μm und 50 μm, besonders bevorzugt zwischen 0,8 μm und 25 μm und beispielsweise zwischen 1 μm und 10 μm betragen. Die mittlere Korngröße kann beispielsweise durch Rasterelektronenmikroskopie und Bilddatenauswertung ermittelt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Gegenstand, der ein verdichtetes Bauteil umfasst. Das verdichtete Bauteil wurde dadurch hergestellt, dass ein Ausgangsmaterial bei einer Temperatur unterhalb von 800°C einem elektrischen Feld ausgesetzt wurde. Das Ausgangsmaterial umfasst ein erstes Material aus der Gruppe der Cuprate.
Insbesondere wurde das verdichtete Bauteil mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Alle Merkmale, Ausführungsformen und Wirkungen des eingangs beschriebenen Verfahrens gelten entsprechend auch für den Gegenstand. Umgekehrt gelten alle hier aufgeführten Merkmale, Ausführungsformen und Wirkungen ebenso für das Verfahren.
Der Gegenstand kann das Bauteil sein, beispielsweise ein keramischer Supraleiter. Der Gegenstand kann neben dem Bauteil weitere Elemente umfassen.
Das verdichtetes Bauteil umfasst ein Material aus der Gruppe der Cuprate. Typischerweise weist es eine mittlere Korngröße des verdichteten Bauteils auf, die um einen Faktor F größer ist als eine mittlere Korngröße des Ausgangsmaterials, wobei gilt: F < 5, insbesondere F < 2, bevorzugt F < 1,25. Typischerweise ist es anhand seiner Eigenschaften als verdichtetes bzw. gesintertes Bauteil erkennbar. In einer Ausgestaltung weist das Bauteil eine mittlere Korngröße zwischen 0,8 μm und 20 μm, bevorzugt zwischen 1 μm und 10 μm, auf.
In einer Ausgestaltung ist das Bauteil ein keramischer Supraleiter. Ein keramischer Supraleiter ist ein keramisches Material, dessen elektrischer Widerstand beim Erreichen bzw. Unterschreiten der Sprungtemperatur abrupt gegen null strebt. Insbesondere ist das Bauteil ein Hochtemperatursupraleiter. Es hat sich gezeigt, dass Supraleiter auf beschriebene Weise besonders einfach und mit geringem technischem Aufwand herstellbar sind.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Gegenstand ein Elektromagnet und das Bauteil ist als Spulenwicklung des Elektromagneten angeordnet. Der Elektromagnet kann durch die äußerst geringen widerstandsbedingten Verluste eines Supraleiters hohe Magnetfelder mit geringem Energieeinsatz erzeugen. Insbesondere der Elektromagnet ein Gleichstrommagnet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Gegenstand eine Einrichtung zur Erzeugung von Licht. Der Gegenstand ist so ausgestaltet, dass das Bauteil zwecks Emission von Licht einer elektrischen Spannung und/oder einem elektrischen Feld ausgesetzt werden kann. Der Gegenstand kann eine Energieversorgungseinrichtung zum Aussetzen des Bauteils einer elektrischen Spannung und/oder einem elektrischen Feld umfassen. Der Gegenstand kann so eingerichtet sein, dass das Bauteil bei der Erzeugung von Licht eine Temperatur unterhalb von 0°C aufweist.
Ein weiterer Aspekt ist die Verwendung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten verdichteten Bauteils oder eines erfindungsgemäßen Gegenstands zur Erzeugung von Licht, bei dem das Bauteil einer elektrischen Spannung und/oder einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, so dass das Bauteil Licht emittiert. Insbesondere erfolgt dies bei einer Temperatur unterhalb von 0°C. Alle Merkmale, Ausführungsformen und Wirkungen des eingangs beschriebenen Verfahrens und des Gegenstands gelten entsprechend auch für die Verwendung.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung auch anhand von Figuren näher erläutert. Merkmale der Ausführungsbeispiele können einzeln oder in einer Mehrzahl mit den beanspruchten Gegenständen kombiniert werden, sofern nichts Gegenteiliges angegeben wird. Die beanspruchten Schutzbereiche sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
Es zeigen:
Figur 1: ein Verfahren zum Herstellen eines verdichteten Bauteils,
Figur 2: eine erste Ausführungsform eines Bauteils,
Figur 3: eine zweite Ausführungsform eines Bauteils, und
Figur 4: eine dritte Ausführungsform eines Bauteils.
Figur 1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Herstellen eines verdichteten Bauteils 10. Ein Ausgangsmaterial 20 wird einem elektrischen Feld 12 ausgesetzt. Dabei wirkt, insbesondere zu Beginn der Wirkung des elektrischen Feldes 12, eine Temperatur T unterhalb von 800°C auf das Ausgangsmaterial 20. Die Temperatur T entspricht typischerweise der Raumtemperatur. Mit anderen Worten wird das Bauteil weder vor noch während der Wirkung des elektrischen Feldes 12 erwärmt. Das elektrische Feld 12 wirkt für eine Zeitdauer t von etwa 30 Sekunden. Es wird kein Druck aufgebracht, sodass das Ausgangsmaterial 20 dem elektrischen Feld 12 unter dem herrschenden Atmosphärendruck P ausgesetzt wird. Die elektrische Feldstärke wird, ausgehend von 0 und/oder bis zu einem Maximalwert von 1 kV/cm, kontinuierlich erhöht. Figur 2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines Ausgangsmaterials 20 zur Herstellung eines verdichteten Bauteils. Das Ausgangsmaterial 20 umfasst einen dritten Bereich 28, der eine homogene Mischung aus einem ersten Material 14 aus der Gruppe der Cuprate und einem zweiten Material 16 umfasst. Insbesondere besteht das Ausgangsmaterial 20 aus dem dritten Bereich 28. Das zweite Material 16 unterscheidet sich vom ersten Material 14 und enthält insbesondere kein Cuprat. Durch geeignete Beimengungen des zweiten Materials 16 können gezielt Eigenschaften des verdichteten Bauteils eingestellt werden. Gleichzeitig ist eine Verdichtung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich.
Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Ausgangsmaterials 20. Das Ausgangsmaterial 20 umfasst einen ersten Bereich 24 und einen zweiten Bereich 26, die in Form von Schichten ausgestaltet sind und unmittelbar aneinander angrenzen. Der erste Bereich 24 ist aus dem ersten Material 14 aus der Gruppe der Cuprate hergestellt. Der zweite Bereich 26 ist aus dem zweiten Material 16 hergestellt, das sich vom ersten Material 14 unterscheidet und insbesondere kein Cuprat enthält. Die Beschichtung des ersten Bereichs 24 mit dem zweiten Material 16 kann so erfolgen, dass Eigenschaften des verdichteten Bauteils auf gewünschte Weise beeinflusst werden. Beispielsweise kann eine Farbtemperatur des emittierten Lichts auf gewünschte Weise eingestellt werden.
Figur 4 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Ausgangsmaterials 20. Das Ausgangsmaterial 20 umfasst einen zweiten Bereich 26, der sandwichartig zwischen zwei insbesondere gleichartig ausgestalteten ersten Bereichen 24 angeordnet ist. Insbesondere besteht das Ausgangsmaterial 20 aus den genannten Bereichen 24 und 26. Auch hier ist der erste Bereich 24 aus dem ersten Material 14 aus der Gruppe der Cuprate hergestellt und der zweite Bereich 26 ist aus dem zweiten Material 16 hergestellt, das sich vom ersten Material 14 unterscheidet und insbesondere kein Cuprat enthält. Die ersten Bereiche 24 und der zweite Bereich 26 sind in aufeinanderliegenden Schichten angeordnet.
Die in den schematischen Figuren 2 bis 4 gezeigten Schichtdicken sowie deren Verhältnisse sind nicht maßstäblich. Die Bereiche 14 und 16 können gleiche oder unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Die Schichtdicke des ersten Bereichs 14 kann größer, kleiner oder gleich der Schichtdicke des zweiten Bereich 16 sein. Bezugszeichenliste
Bauteil 10 Ausgangsmaterial 20
Erstes Material 14
Zweites Material 16
Erster Bereich 24
Zweiter Bereich 26 Dritter Bereich 28
Temperatur T
Zeitdauer t
Atmosphärendruck P

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines verdichteten Bauteils (10), bei dem ein Ausgangsmaterial (20), umfassend ein erstes Material (14) aus der Gruppe der Cuprate, bei einer Temperatur (T) unterhalb von 800°C einem elektrischen Feld (12) ausgesetzt wird.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) geringer ist als 100°C, insbesondere geringer als 50°C.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (20) dem elektrischen Feld (12) für eine Zeitdauer (t) von weniger als 10 min, bevorzugt weniger als 1 min, ausgesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (20) dem elektrischen Feld (12) unter Atmosphärendruck (P) ausgesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld (12) eine elektrische Feldstärke größer als 50 V/cm aufweist, wobei die elektrische Feldstärke insbesondere zwischen 100 V/cm und 5 kV/cm beträgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (20) einen Massenanteil zwischen 0% und 50% eines zweiten Materials (16) aufweist.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (16) ein elektrisch isolierendes Material, insbesondere ein keramisches Material wie beispielsweise Aluminiumoxid, ist.
8. Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Bereich (24), insbesondere zumindest eine erste Schicht, des Ausgangsmaterials (20) im Wesentlichen aus dem ersten Material (14) besteht und zumindest ein zweiter Bereich (26), insbesondere zumindest eine zweite Schicht, des Ausgangsmaterials (20) im Wesentlichen aus dem zweiten Material (16) besteht.
9. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein dritter Bereich (28) des Ausgangsmaterials (20) eine vorzugsweise im Wesentlichen homogene Mischung aus dem ersten Material (14) und dem zweiten Material (16) umfasst.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Korngröße des verdichteten Bauteils (10) um einen Faktor F größer ist als eine mittlere Korngröße des Ausgangsmaterials (20), wobei gilt: F < 5, insbesondere F < 2, bevorzugt F < 1 ,25.
11. Gegenstand, umfassend ein verdichtetes Bauteil (10), das dadurch hergestellt wurde, dass ein Ausgangsmaterial (20), umfassend ein erstes Material (14) aus der Gruppe der Cuprate, bei einer Temperatur (T) unterhalb von 800°C einem elektrischen Feld (12) ausgesetzt wurde.
12. Gegenstand nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) ein keramischer Supraleiter ist.
13. Gegenstand nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand ein Elektromagnet ist und das Bauteil (10) als Spulenwicklung des Elektromagneten angeordnet ist.
14. Gegenstand nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) eine mittlere Korngröße zwischen 0,8 μm und 20 μm, bevorzugt zwischen 1 μm und 10 μm, aufweist.
15. Gegenstand nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand eine Einrichtung zur Erzeugung von Licht ist, wobei der Gegenstand so ausgestaltet ist, dass das Bauteil (10) zwecks Emission von Licht einer elektrischen Spannung und/oder einem elektrischen Feld ausgesetzt werden kann.
EP21777987.5A 2020-10-30 2021-09-13 Verfahren zum sintern keramischer werkstoffe Withdrawn EP4237245A1 (de)

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WO (1) WO2022089823A1 (de)

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