EP4304857A1

EP4304857A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von keramiken und keramisches produkt

Info

Publication number: EP4304857A1
Application number: EP22714404.5A
Authority: EP
Inventors: Lukas PORZ; Wolfgang Rheinheimer; Michael Scherer
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2021-03-12
Filing date: 2022-03-11
Publication date: 2024-01-17
Also published as: WO2022189655A1; KR20230170664A; JP2024513681A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Keramiken und ein keramisches Produkt, das Verfahren aufweisend: Einstrahlen von Licht auf ein keramisches Ausgangsmaterial, um dieses zumindest bereichsweise aufzuwärmen und dadurch ein keramisches Produkt zu erzeugen, wobei das Einstrahlen von Licht gleichzeitig auf einer Fläche von mindestens 0,1 mm² und/oder auf mehr als 20% der Fläche des keramischen Ausgangsmaterials erfolgt, und wobei die Leistungsdichte des eingestrahlten Lichtes weniger als 800 W/cm² beträgt, die Vorrichtung aufweisend: - zumindest eine Aufnahme zum Aufnehmen eines keramischen Ausgangsmaterial und - zumindest eine Lichtquelle zum Einstrahlen von Licht auf das in der Aufnahme aufgenommene oder aufnehmbare keramische Ausgangsmaterial, wobei vorzugsweise die Vorrichtung dazu eingerichtet ist das Licht auf das keramische Ausgangsmaterial einzustrahlen, um dieses zumindest bereichsweise aufzuwärmen und dadurch ein keramisches Produkt zu erzeugen, und wobei die Aufnahme eine Isolierung aufweist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Keramiken und keramisches Produkt

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Keramiken und ein keramisches Produkt.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Keramiken regelmäßig aus keramischem Pulver hergestellt werden, das dann durch Sintern verbunden wird. Beim Sintern wird die Temperatur erhöht, wodurch sich die Bestandteile des Pulvers zur fertigen Keramik verbinden. Das Pulver wird dazu typischerweise in Sinteröfen erwärmt, um die Keramik zu erhalten. Das gilt gleichermaßen auch für sogenannte Funktionskeramiken. Diese fallen in eine spezielle Klasse von keramischen Werkstoffen, welche spezielle technische Eigenschaften aufweisen.

Für die Herstellung von Keramik durch die Verdichtung von keramischem Pulver durch Sintern bei hohen Temperaturen sind besonders temperaturbeständige Öfen und ein großer Energieaufwand sowie lange Prozesszeiten notwendig. Öfen werden aus besonders temperaturbeständigen Materialien gebaut und mit viel Energieaufwand geheizt. Dabei erhitzt sich die Keramik im Innenraum des Ofens, wodurch der Sinterprozess durchgeführt wird. Auch die Temperaturbeständigkeit dieser Öfen ist jedoch begrenzt, so dass teilweise auf Sinterhilfen (beispielsweise bei S1₃N₄) zurückgegriffen werden muss, um die Sintertemperatur zu senken. Generell liegen die Prozesszeiten im Bereich von Stunden und es wird viel Energie benötigt.

Es besteht daher nach wie vor der Wunsch, Keramiken und deren Herstellung effizienter zu machen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die Nachteile des Stands der Technik überwunden werden können, und die es insbesondere erlauben, effizientere Keramiken herzustellen. Es ist außerdem Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Keramik anzugeben, die die Nachteile des Stands der Technik überwindet.

Beschreibung der Erfindung

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt dadurch gelöst, dass ein Verfahren zur Herstellung von Keramiken (mit oder ohne Versetzungen), das Verfahren aufweisend: Einstrahlen von Licht auf ein keramisches Ausgangsmaterial, um dieses zumindest bereichsweise aufzuwärmen und dadurch ein keramisches Produkt zu erzeugen, wobei das Einstrahlen von Licht simultan, also gleichzeitig, auf einer Fläche von mindestens 0,1 mm² und/oder auf mehr als 20% der Fläche des keramischen Ausgangsmaterials erfolgt und wobei die Leistungsdichte des eingestrahlten Lichtes weniger als 800 W/cm² beträgt vorgeschlagen wird.

Das Einstrahlen von Licht kann beispielsweise simultan auf mehr als 20%, auf mindestens 35%, mindestens 50%, mindestens 65%, mindestens 80%, mindestens 90%, mindestens 95%, oder mindestens 99% der Fläche des keramischen Ausgangsmaterials erfolgen, insbesondere auf der gesamten Fläche.

Das Einstrahlen von Licht kann beispielsweise simultan auf einer Fläche von mindestens 0,1 mm², mindestens 0,2 mm², mindestens 0,5 mm², mindestens 0,01 cm², mindestens 0,02 cm², mindestens 0,05 cm², mindestens 0,1 cm², mindestens 0,2 cm², mindestens 0,5 cm², oder mindestens 1,0 cm² erfolgen, insbesondere auf mindestens 60%, mindestens 70%, mindestens 80%, mindestens 90%, mindestens 95%, mindestens 98%, oder mindestens 99% der Fläche des keramischen Ausgangsmaterials, beispielsweise auf der gesamten Fläche.

Das Einstrahlen von Licht erfolgt insbesondere für eine Zeit von wenigstens 0,1 Sekunden, wenigstens 0,5 Sekunden, wenigstens 1 Sekunde, vorzugsweise von wenigstens 5 Sekunden, vorzugsweise von wenigstens 20 Sekunden, und/oder maximal 10 Minuten, vorzugsweise maximal 8 Minuten, vorzugsweise maximal 5 Minuten, vorzugsweise maximal 3 Minuten, vorzugsweise maximal 1 Minute, vorzugsweise maximal 30 Sekunden, vorzugsweise maximal 10 Sekunden. Das Einstrahlen von Licht mit einer Leistungsdichte von weniger als 800 W/cm² dient insbesondere dem Sintern des Volumenkörpers.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zusätzlich zum oben beschrieben Einstrahlen von Licht auch einen weiteren Schritt des Einstrahlens von Licht mit höherer Leistungsdichte für deutlich kürzere Zeit auf das keramische Ausgangsmaterial umfassen, um dieses zumindest bereichsweise aufzuwärmen und dadurch ein keramisches Produkt zu erzeugen, wobei das Einstrahlen von Licht simultan, also gleichzeitig, auf mehr als 50% der Fläche des keramischen Ausgangsmaterials erfolgt und wobei die Leistungsdichte des eingestrahlten Lichtes mindestens 800 W/cm² beträgt, beispielsweise mindestens 1000 W/cm², mindestens 2000 W/cm², mindestens 4000 W/cm², mindestens 10000 W/cm², mindestens 15000 W/cm², mindestens 50000 W/cm², oder mindestens 400000 W/cm², bevorzugt höchstens 750.000 W/cm², höchstens 20000 W/cm², höchstens 8000 W/cm², höchstens 10000 W/cm², höchstens 7000 W/cm², oder höchstens 5000 W/cm². Der weitere Schritt des Einstrahlens von Licht erfolgt insbesondere für deutlich kürzere Zeiten, beispielsweise für maximal 100 Millisekunden (ms), maximal 50 ms, maximal 40 ms, maximal 30 ms, maximal 25 ms, oder maximal 20 ms, und/oder wenigstens 0,5 ms, wenigstens 1 ms, wenigstens 2 ms, wenigstens 5 ms, oder wenigstens 10 ms. Das weitere Einstrahlen von Licht kann angesichts der kurzen Zeitdauer auch als Lichtblitz bezeichnet werden.

Das Einstrahlen von Licht im weiteren Schritt kann beispielsweise simultan auf mindestens 60%, mindestens 70%, mindestens 80%, mindestens 90%, mindestens 95%, mindestens 98%, oder mindestens 99% der Fläche des keramischen Ausgangsmaterials erfolgen, insbesondere auf der gesamten Fläche.

Das Einstrahlen von Licht im weiteren Schritt kann beispielsweise simultan auf einer Fläche von mindestens 0,1 mm², mindestens 0,2 mm², mindestens 0,5 mm², mindestens 0,01 cm², mindestens 0,02 cm², mindestens 0,05 cm², mindestens 0,1 cm², mindestens 0,2 cm², mindestens 0,5 cm², oder mindestens 1,0 cm² erfolgen, insbesondere auf mindestens 60%, mindestens 70%, mindestens 80%, mindestens 90%, mindestens 95%, mindestens 98%, oder mindestens 99% der Fläche des keramischen Ausgangsmaterials, beispielsweise auf der gesamten Fläche.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird also vor oder nach, bevorzugt während des Sintervorgangs zusätzlich zu Beleuchtung für das Sintern des Volumenkörpers die Oberfläche für sehr kurze Zeit stärker bestrahlt. Beispielsweise mit einem Blitz aus einer Xe-Blitzlampe mit hoher Leistungsdichte (insbesondere mindestens 800 W/cm², beispielsweise mindestens 1000 W/cm², mindestens 1500 W/cm², mindestens 2000 W/cm², mindestens 2500 W/cm², mindestens 3000 W/cm², mindestens 3500 W/cm², mindestens 4000 W/cm², oder etwa 4350 W/cm²) für kurze Zeit (insbesondere maximal 50 ms, maximal 40 ms, maximal 30 ms, maximal 25 ms, oder maximal 10 ms, beispielsweise etwa 20 ms) kann die Oberfläche deutlich stärker erhitzt werden als das darunterliegende Volumenmaterial. Dadurch wird eine Schicht mit anderen Eigenschaften an der Oberfläche ausgebildet. Diese weist bevorzugt eine Textur auf und hat eine höhere Dichte und Korngröße als der Volumenkörper. Weiterhin kann diese Schicht genutzt werden um gerichtetes Kornwachstum im Volumenkörper zu erzeugen. Im englischen wird diese Art von Kontrolle über das Kornwachstum als „templated grain growth“ bezeichnet.

Bevorzugt wird eine thermische Fehlpassung oder Fehlpassung durch Schrumpfung zwischen der Schicht und dem Volumenkörper durch die Verwendung des Blitzes, während der Volumenkörper selbst bei hoher Temperatur ist, verringert, insbesondere verhindert wobei die Keramik Spannungen bei hohen Temperaturen besonders gut abbauen kann. Durch den Einsatz von Licht zum Erwärmen des Pulvermaterials, können zum einen die Prozesszeit und der Energieverbrauch drastisch reduziert werden und zum anderen kann der Parameter der Heizrate sehr zuverlässig kontrolliert, insbesondere eingestellt und/oder aktiv geregelt, werden. So kann gezielt kontrolliert werden, wie schnell das Pulver an welcher Stelle aufgeheizt wird. Insbesondere kann eine Aufheizung simultan auf einer großen Fläche erfolgen und der Prozess als kontinuierliches Verfahren realisiert werden. Das keramische Material kann durch Beleuchtung besonders rasch aufgeheizt werden. Dabei kann an den bestrahlten Bereichen eine hohe Heizrate in dem keramischen Material erzielt werden. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht damit also insbesondere eine viel direktere Kontrolle der Leistungsdichte und damit der Temperatur in dem keramischen Material. Gleichzeitig ist das Verfahren überraschend viel einfacher durchzuführen als die konventionelle Herstellung von Keramiken. Gleichzeitig können Aspekte realisiert werden, die bei konventionellem Sintern unmöglich oder nur mit besonders großem Aufwand zu erreichen sind, insbesondere einer oder mehrere der folgenden Aspekte.

• Erzeugung eines Korngrößengradienten,

• Erzeugung einer Texturierung,

• Erzeugung von Nanoporosität,

• Erzeugung einer verbesserten Temperaturbeständigkeit, insbesondere bei besonders hohen Temperaturen,

• Erzeugung homogener Materialeigenschaften,

• Reduktion der Prozesszeit,

• Genauere Kontrollierbarkeit des Prozesses, insbesondere Realisierung sehr schneller Profile,

• Energieersparnis, insbesondere im Kleinserienbereich, selbst bei der Herstellung dickerer Keramiken, und/oder

• Beschleunigung, Vergünstigung, Vereinfachung von Entwicklung, insbesondere von Kleinserien.

Ein Korngrößengradient und/oder eine Texturierung lassen sich durch unterschiedliche Temperaturprofile an der Oberfläche und im Inneren der Keramik erzeugen. Beispielsweise kann das Verfahren ein zeitliches und/oder räumliches Leistungsdichtenprofil umfassen. Ein bevorzugtes zeitliches Leistungsdichtenprofil umfasst beispielsweise eine Leistungsdichte in einem Bereich von 800 W/c ² bis 20.000 W/cm², beispielsweise 4350 W/cm² für einen Zeitraum von 0,2 bis 200 ms, beispielsweise 20 ms, gefolgt von oder parallel zu einer weiteren Leistungsdichte in einem Bereich von 10 W/cm² bis <800 W/cm², beispielsweise 130 W/cm² für einen Zeitraum von 1 Sekunde bis 2 Minuten, beispielsweise 10 Sekunden. Dadurch lässt sich ein keramisches Produkt erzeugen, das einen Korngrößengradienten und/oder eine Texturierung aufweist. Insbesondere ist es möglich, ein keramisches Produkt zu erhalten, das unter einer dicht gesinterten Oberflächenschicht ein poröses Volumen enthält. Durch die hohe erste Leistungsdichte kommt es zur Ausbildung der dicht gesinterten Oberflächenschicht. Aufgrund der Kürze derzeit, mit der die erste Leistungsdichte zum Einsatz kommt, ist die dicht gesinterte Schicht auf eine dünne Oberflächenschicht beschränkt. Die Dicke der Oberflächenschicht kann beispielsweise in einem Bereich von 10 bis 20 pm liegen. Keramische Produkte mit dichter Oberflächenschicht und darunter liegendem porösen Volumen eignen sich besonders für den Einsatz in Brennstoffzellen. Korngröße und Textur wirken sich jeweils auf die funktionellen und mechanischen Eigenschaften aus wie z.B. die Leitfähigkeit und die Anfälligkeit gegenüber Rissen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich auch Nanoporosität erzeugen. Nanoporen sind Poren mit einem Martin-Durchmesser von weniger als 1 pm, also im Nanometerbereich, welche quantifizierbar mittels Mikrostrukturanalyse, also beispielsweise der Auswertung von TEM Mikrographen, sind. Ein erfindungsgemäßes keramisches Produkt kann Nanoporen enthalten. Dies gilt insbesondere dann, wenn das keramische Produkt T1O2, BaTiOs, YSZ (englisch: „Yttria-stabilized zirconia“) oder Lio_.sLaojTiOs als Material aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht zudem ein Sintern bei extrem hohen Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen in einem Bereich von 500 °C bis 3200 °C, da keine Limitation des Temperaturmaximums durch einen Ofen vorliegt. Dadurch können die hergestellten keramischen Produkte eine verbesserte Temperaturbeständigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen von beispielsweise größer als 1400 °C erreichen. Die extrem hohen Prozesstemperaturen erlauben es auf Sinterhilfen zu verzichten und größere Körner zu generieren und damit eine bessere Kriechbeständigkeit zu erzielen. Je nach primären Diffusionspfad ist die Kriechrate proportional zu 1/Korngröße² (Nabarro-Herring Kriechen) oder 1/Korgngröße³ (Coble Kriechen). Dadurch werden neue Einsatzgebiete für keramische Produkte erschlossen, in denen herkömmlich hergestellte Keramiken aufgrund ihrer geringeren Temperaturstabilität nur eingeschränkt eingesetzt werden können, beispielsweise kann durch die Verzehnfachung der Korngröße eine Verlängerung der Zeit bis zu welcher ein unerwünschtes Dehnungslevel nicht überschritten wird bei gleicher Temperatur und Spannung um einen Faktor 100 bis 1000 erhöht und damit der Einsatzzeitraum der Keramik um einen ähnlichen Betrag verlängert werden. Mit dem vorliegenden Verfahren wird im keramischen Ausgangsmaterial und/oder im keramischen Produkt insbesondere eine Temperatur von mindestens 1400 °C, mindestens 1500 °C, mindestens 1600 °C, mindestens 1700 °C, mindestens 1800 °C, mindestens 1900 °C, oder mindestens 2000 °C erreicht. Die Temperatur im keramischen Ausgangsmaterial und/oder dem keramischen Produkt kann beispielsweise in einem Bereich von 500 °C bis 3200 °C liegen, insbesondere in einem Bereich von 1000 °C bis 3000 °C, von 1200 °C bis 2800 °C, von 1400 °C bis 2700 °C, von 1500 °C bis 2600 °C, von 1600 °C bis 2500 °C, von 1700 °C bis 2400 °C, von 1800 °C bis 2300 °C, von 1900 °C bis 2200 °C, oder von 2000 °C bis 2100 °C.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Keramik während des Sintervorgangs auf mindestens 1800 °C oder noch deutlich höher, z.B. 2500 °C erhitzt. Dabei wird beispielsweise eine Isolierung aus Blähgraphit verwendet. Insbesondere kann eine solch extrem hohe Temperatur ohne großen technischen Aufwand an gewöhnlicher Atmosphäre erreicht werden. Dadurch können Materialien mit besonders grobem Ausgangspulver oder mit besonders hohen Sinter- und Schmelztemperatur hergestellt werden. Dies kann die Herstellung von Keramiken wie Beispielsweise Siliziumkarbid, Siliciumnitrid, Borcarbid, Bornitrid oder Magnesiumoxid beschleunigen, vergünstigen und vereinfachen.

Mit dem Verfahren der Erfindung lassen sich keramische Produkte mit deutlich homogeneren Materialeigenschaften erzeugen, beispielsweise hinsichtlich der Korngröße, Phasenzusammensetzung, Porosität, Anzahl und Größe von Mikrorissen, oder Leitfähigkeit. Dies liegt zum einen an der thermischen Entkopplung des Grünkörpers durch eine Isolation gegenüber der Unterlage, beispielsweise durch das Schweben auf einer Gasmembran. Zum anderen bringt die simultane, flächige Beleuchtung den Vorteil mit sich, dass laterale Temperaturgradienten (wie sie beispielsweise beim Selektiven Lasersintern auftreten, bei dem nicht simultan auf einer Fläche beleuchtet wird, sondern stattdessen die Fläche Punkt für Punkt abgerastert wird) entfallen oder zumindest deutlich reduziert sind, wodurch die Materialeigenschaften und deren Homogenität verbessert werden.

Außerdem wird im Vergleich zum Selektiven Lasersintern die Prozesszeit radikal verkürzt, da mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung innerhalb von Sekunden ganze Bauteile auf einen Schlag gesintert werden kann. Durch die extreme Reduktion der Prozesszeit und die vereinfachte Handhabung kann Entwicklung deutlich schneller erfolgen. Insbesondere Kleinserien, wie beispielsweise bei der Herstellung von Sputter-Targets oder PLD-Targets (englisch: „Pulsed Laser Deposition (PLD)“), können vergünstigt und vereinfacht werden.

Die Verwendung von Licht anstelle eines Ofens kann mit einer Reduktion der Prozesszeit um den Faktor 1000 verbunden sein. Außerdem lässt sich eine Energieeinsparung von beispielsweise 20% bis 99% erreichen. Eine Energieeinsparung lässt sich in eine entsprechende C0₂-Einsparung übertragen. Ein weiterer Vorteil ist, dass elektrischer Strom verwendet werden kann, der nachhaltig eingekauft werden kann. Gas/Öl sind nicht im großen Maßstab CO2 neutral erhältlich. Selbst dickere Keramiken, beispielsweise solche mit einer Dicke in einem Bereich von 0,1 mm bis 20 mm, insbesondere von 0,5 mm bis 10 mm oder von >1 mm bis 5 mm, können innerhalb von Sekunden mit einer Energieersparnis von mindestens 90% hergestellt werden. Insbesondere kann eine Energieersparnis bei gleichzeitig verkürzter Lieferzeit erreicht werden.

Das keramische Ausgangsmaterial kann insbesondere eine Dicke von mindestens 0,001 mm, mindestens 0,01 mm, mindestens 0,1 mm, mindestens 0,5 mm, mindestens 1,0 mm oder mindestens 2,0 mm haben. Die Dicke liegt beispielsweise in einem Bereich von 0,1 bis 12,0 mm, insbesondere von 0,2 bis 10,0 mm, von 0,5 bis 8,0 mm, von 1,0 bis 5,0 mm, oder von 1,0 bis 4,0 mm.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das keramische Ausgangsmaterial auf eine mittlere Temperatur, beispielsweise 50% der Maximaltemperatur während des Sintervorgangs vorgeheizt. Dadurch wird die Temperaturspanne, um welche besonders schnell aufgeheizt werden muss, deutlich reduziert. Dadurch lässt sich eine größere Materialdicke erfolgreich bearbeiten und insbesondere homogene Materialeingeschalten erzeugen. Der Vorheizschritt kann auch mit niedrigeren Heizraten über längere Zeitspannen erfolgen als der eigentliche Sinterschritt. Weiterhin wird hier eine deutlich geringere Leistungsdichte als für das Sintern benötigt und es ist denkbar für den Vorheizschritt auch einen herkömmlichen Ofen zu verwenden oder den Schritt mit dem Ausbrennen von Bindermaterialien zu kombinieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Abstrahlung von Wärme aus der Keramik durch geeignete Spiegel reduziert. Ein beispielsweise elliptisch oder parabolisch geformter Spiegel, welcher z.B. mit Gold beschichtet ist um insbesondere die abgestrahlte Infrarotstrahlung zu reflektieren, kann verwendet werden, um die emittierte Strahlung auf die entstehende Keramik zurückzuwerfen. Dies ermöglicht die Leistung zu reduzieren, welche benötigt wird, um die Temperatur aufrecht zu erhalten. Dadurch kann die Energieeffizienz bei langen Belichtungszeiten verbessert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird von mindestens zwei Seiten beleuchtet.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden Materialdicken von 0,1 bis 12,0 mm, insbesondere von 0,2 bis 10,0 mm, von 0,5 bis 8,0 mm, von 1,0 bis 5,0 mm, oder von 2,0 bis 4,0 mm, beispielsweise etwa 4 mm behandelt. Dabei wird bevorzugt von zwei Seiten beleuchtet und ein Vorwärmschritt genutzt.

Das Verfahren ermöglicht es außerdem komplette Bauteile, beispielsweise Vielschichtkondensatoren, in einem Sinterprozess herzustellen. Mit dem Verfahren der Erfindung lassen sich in einem weiteren Aspekt optional zumindest lokal Versetzungen erzeugen. Eine hohe Dichte solcher Versetzungen kann in Keramiken besonders vorteilhaft für ihre Leistungsfähigkeit sein. Denn durch Versetzungen lassen sich funktionelle und mechanische Eigenschaften von Keramiken verbessern und/oder gezielt einstellen. Zu den Eigenschaften einer Keramik, die unter anderem mit Versetzungen beeinflusst, insbesondere verbessert, werden können, zählen unter anderem die Folgenden:

• die Beständigkeit der Keramik gegen Risse;

• die Verformbarkeit der Keramik, insbesondere die Hochtemperaturverformbarkeit;

• die Bruchzähigkeit der Keramik;

• das Verschleißverhalten der Keramik;

• die katalytische Aktivität der Keramik;

• die elektro-optischen Eigenschaften der Keramik;

• die elektrische, ionische und/oder thermische Leitfähigkeit der Keramik; und/oder

• ferroelektrische und/oder halbleitende Eigenschaften der Keramik.

Aber auch sekundäre Eigenschaften von Keramiken, wie beispielsweise die Neigung zur Interdiffusion beim Ko-Sintern verschiedener Phasen in einem Schichtverbund (z. B. Kondensatoren, piezoelektrische Aktoren, Solarzellen, Festkörperbatterien, Brennstoffzellen und Elektrolysezellen) oder die Homogenität beim Abscheiden von metallischem Lithium (Lithiumdendritenwachstum) in neuartigen Batterien können durch Versetzungen beeinflusst, insbesondere verbessert, werden.

Das Verfahren erlaubt es damit, Keramiken in Abhängigkeit ihres späteren Anwendungszweckes hinsichtlich der Anzahl und Dichte der eingebrachten Versetzungen zu beeinflussen und dadurch wiederum die Eigenschaften der Keramik, vor allem ihre funktionellen und mechanischen Eigenschaften, wie sie beispielsweise oben angeführt wurden, gezielt zu beeinflussen, insbesondere einzustellen und/oder zu verbessern.

Weiterhin können Versetzungen chemische Dotierungen ersetzen und/oder ergänzen. Dadurch kann die Komplexität der Materialen reduziert werden, was für weniger komplexe Rohstofflieferketten sowie eine nachhaltigere und ökonomischere Herstellung ermöglicht. Gleichzeitig bietet dies auch Potential für ein leichteres Recycling. Weiterhin kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren eine gute mechanische Verformbarkeit der Keramik nach dem Sintern erzielt werden. Diese Eigenschaft kann für eine sekundäre Formgebung genutzt werden, welche eine plastische Verformbarkeit voraussetzt, insbesondere Biegen, Knicken, Tiefziehen, Schmieden und/oder Extrudieren.

Das vorgeschlagene Verfahren kann somit zu einer signifikanten Verbesserung der Eigenschaften bekannter Keramiken führen. Das Verfahren ist dabei mit einem vergleichsweise geringen technischen Aufwand realisierbar. Da das Verfahren nur geringe Anforderungen an die technischen Rahmenbedingungen stellt, kann es darüber hinaus besonders einfach in bestehende Fertigungsprozesse integriert werden. Da das Verfahren berührungslos arbeitet (es erfordert also vor allem auch keine Kontaktierung des Probenkörpers wie das „flash sintern“), kann dessen Implementierung besonders einfach erfolgen. Daher lassen sich auch bestehende Fertigungsvorgänge sehr einfach und kostengünstig nachrüsten, um dort das vorgeschlagene Verfahren einzusetzen. Die Lichtquelle kann dabei aus einer Vielzahl von selbst herkömmlichen Lichtquellen gewählt werden. Dadurch kann die Implementierung des Verfahrens besonders kostengünstig erfolgen. Auch kann das Verfahren für eine Vielzahl von verschiedenen Geometrien des Probenkörpers eingesetzt werden. Insbesondere sind Prozesse mit kontinuierlichem Materialtransport durch die beleuchtete Zone möglich. Damit ist das vorgeschlagene Verfahren für die Massenproduktion sehr gut geeignet.

Durch das Einstrahlen von Licht kann vorzugsweise ein kontrolliertes und/oder kontrollierbares Temperaturprofil innerhalb der Keramik eingestellt werden. Beispielsweise kann dies ein räumliches Temperaturprofil innerhalb der Keramik sein. Dadurch wiederum kann eine besonders gute und zuverlässige Kontrolle von Versetzungen mit sehr hoher Versetzungsdichte erreicht werden, was wiederum eine entsprechende Kontrolle von Eigenschaften der Keramik ermöglicht. Auch können optional Gradienten in bestimmten Eigenschaften der Keramik erzeugt werden, das heißt, die Werte der Eigenschaften ändern sich mit dem Ort graduell. Es ist auch möglich, mit Hilfe eines zeitlichen Leistungsdichteprofils der Bestrahlung keramische Produkte mit Eigenschaftsgradienten zu erzeugen. Beispielsweise lassen sich Produkte mit einer Oberflächenschicht hoher Dichte von beispielsweise größer als 90% oder größer als 95%, insbesondere ohne offene bzw. perkolierende Porosität, und einem darunter liegenden Volumen mit geringer Dichte mit perkolierender Porosität und somit einer Gasdurchlässigkeit hersteilen. Solche Produkte sind beispielsweise für den Einsatz in Brennstoffzellen oder für die Wasserspaltung interessant. Die Oberflächenschicht ist aufgrund der hohen Dichte gasdicht, während das darunter liegende Volumen aufgrund seiner Porosität einen guten Reaktionsraum darstellt.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist es erstmalig möglich, Versetzungen mit einer ausreichenden Anzahl und einer Dichte in einer Keramik zu erzeugen, um die Eigenschaften der Keramik auch für anspruchsvolle Anwendungszwecke beeinflussen, insbesondere verbessern, zu können. Das Verfahren ermöglicht optional das Erzeugen von Versetzungen unter kontrollierten Bedingungen und ist damit auch reproduzierbar.

Das Verfahren funktioniert insbesondere bei kurzen Wellenlängen besonders gut. Es ist anderweitig bekannt, dass Additive für eine bessere Absorption bei langen Wellenlängen und für bessere Ergebnisse beim Selektiven Lasersintern sorgen. Es ist aber besser, keine teilweise nachteiligen Additive verwenden zu müssen. Überraschenderweise wird wesentlich mehr Energie absorbiert wird, wenn das Verfahren in Stickstoffatmosphäre durchgeführt wird. Die Sauerstofffehlstellen wirken hier ähnlich zu einem absorbierenden Additiv. Bevorzugt wird das Verfahren in Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Bevorzugt ist das Verfahren frei von absorbierenden Additiven.

Beispielsweise kann sichtbares Licht und/oder UV-Licht verwendet werden. Alternativ oder ergänzend kann auch Licht im infraroten Spektralbereich eingesetzt werden. Durch das Einstrahlen von Licht, beispielsweise im sichtbaren und/oder UV-bereich, kann das Temperaturprofil innerhalb der Keramik sehr genau kontrolliert, insbesondere gesteuert, werden. Durch die Wahl der passenden Wellenlänge, insbesondere durch die Wahl des Spektralbereichs (UV, VIS, IR), kann der Wirkungsgrad besonders zuverlässig eingestellt werden. Besonders bevorzugt wird blaues Laserlicht als durchgehende Welle (nicht gepulsed, Englisch: „continuous wave“) eingesetzt, insbesondere Laserlicht mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 200 nm bis 700 nm, beispielsweise 300 nm bis 600 nm oder 400 nm bis 500 nm.

Ein Laser mit einer Wellenlänge von beispielsweise 450 nm entspricht einer Photonenenergie von 2.7 eV. Wenn die Photonenenergie größer als die Bandlücke ist, dann absorbiert das Material das Licht zu fast 100 % Ansonsten ist es fast transparent (siehe Glas). Für die meisten Keramiken liegt die Bandlücke zwischen 2 und 5 eV. Für die meisten relevanten Oxide zwischen 2,7 und 3,8 eV. Jedoch fällt die Bandlücke mit der Temperatur ab und reduziert sich um ca. 1 eV bei 1200°C. Damit sind für die meisten Oxide ca. 2 eV ausreichend, um bei der maximalen Prozesstemperatur einen großen Wirkungsgrad zu erhalten.

Rote Laser mit 800 nm Wellenlänge (1,5 eV) sind nachteilig. Das Licht wird nicht effizient absorbiert, wodurch 10 bis 20 mal mehr Leistung benötigt wird. CO2 Laser mit 10000 nm Wellenlänge (0,15 eV) sind mit noch größeren Problemen der effektiven Absorption verbunden.

Bevorzugt beträgt die Photonenenergie daher mindestens 2 eV und liegt insbesondere in einem Bereich von 2 eV bis 5 eV, beispielsweise von 2,5 eV bis 4,0 eV oder von 2,7 eV bis 3,8 eV. Bevorzugt kommt mehr als eine Wellenlänge gleichzeitig zum Einsatz um eine sprunghafte Absorptionseffizienzänderung zu vermeiden, wodurch bevorzugt die mechanische Stabilität und die Homogenität erhöht wird.

Grundsätzlich wird dabei das einfallende Licht von der Keramik bzw. dem Grünkörper, insbesondere an oder nahe der Oberfläche, auf die das Licht einfällt, absorbiert, wobei das Innere des Materials auch durch Wärmeübertragung von der Oberfläche aufgeheizt werden kann. In einer besonders geeigneten Ausführungsform werden dünne Grünkörper verwendet wobei gezieltes Abschalten des Lichtes auch sehr große Kühlraten ermöglicht. Auch Schichtverbunde und Komposite können mit diesem Verfahren gesintert werden, insbesondere Festkörperbatterien, Aktuatoren, Kondensatoren und Brennstoffzellen.

Ein Grünkörper kann dabei beispielsweise die Keramik vor dem Sinterprozess bezeichnen, mithin das keramische Ausgangsmaterial. Der Begriff lässt dabei offen, ob es sich bei dem Ausgangsmaterial beispielsweise um eine Folie oder um ein gepresstes Pulver handelt und welche Geometrie es hat.

In einer Ausführungsform weist das keramische Ausgangsmaterial eine folienartige Geometrie auf. Beispielsweise können adaptive (Laser-)Optiken eingesetzt werden und damit die eingebrachte Licht- Leistung präzise und schnell gesteuert werden. Somit können während der im Zuge des Sintervorgangs stattfindenden Verdichtung gleichzeitig Versetzungen in die Keramik eingebracht werden. Durch die so kontrollierbaren schnellen Heiz- und/oder Kühlraten können optional Versetzungen in einem hohen Maße in die Keramik eingebracht werden, was herkömmlicherweise etwa in einem Ofen aufgrund dessen thermischer Trägheit nicht möglich ist. Durch die Versetzungen können dann eine Vielzahl von funktionellen und mechanischen Eigenschaften der Keramik verbessert werden. Beispielsweise kann, insbesondere bei geringen Dicken der Keramik, etwa einer Dicke von weniger als 1 mm, durch Ausschalten der Bestrahlung die Kühlrate kontrolliert werden, insbesondere können dadurch auch sehr große Kühlraten erreicht werden. Das ist ein Designparameter, der herkömmlicherweise nicht verfügbar ist.

Eine hohe Kühlrate kann also vorzugsweise durch das Ausschalten der Lichtquelle und damit durch das Beenden der Zuführung von Wärmeleistung erreicht werden. Dies ermöglicht einen im Vergleich zu herkömmlichen Öfen schnelle Abkühlzeit. Da optional kein konventioneller Ofen verwendet wird, fällt die thermische Trägheit des Ofens weg. Dadurch macht die Keramik nahezu die gesamte thermische Trägheit aus. Entsprechend kann die thermische Trägheit besonders gering bei dünnen Keramiken sein. In Folge können schnelle und präzise Temperaturprofile gefahren werden. Vorteilhaft kann es sein, wenn die Abkühlung mit Licht aktiv dahingehend gesteuert wird, dass ein Auslagerungsschritt, also das direkte Halten bei erhöhten Temperaturen, vorgesehen ist. Insbesondere kann ein Auslagerungsschritt bei einer Temperatur in einem Bereich von beispielsweise 300 °C bis 1000 °C und beispielsweise für einen Zeitraum von mehreren Sekunden, beispielsweise mindestens 10 s, bis hin zu einigen Minuten, beispielsweise mindestens 3 min, oder auch mehreren Stunden, beispielsweise höchstens 3 Stunden vorgesehen werden. Ein Auslagerungsschritt kann insbesondere bei Funktionskeramiken vorteilhaft sein, um ein Equilibrieren der Punktdefekte, und so einen stabilen Verlauf der temperatur-abhängigen elektrischen Leitfähigkeit des keramischen Produkts zu erhalten. Das Vorsehen eines Auslagerungsschrittes kann allerdings auch genutzt werden um mögliche Thermoschockeffekte, bzw. die dadurch entstehenden Risse, des keramischen Produktes zu minimieren. Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, die Abkühlungstemperatur aktiv zu regeln und die Abkühlrate im Temperaturbereich von beispielsweise 800°C bis 100°C über eine Spanne von mindestens 100 K auf z.B. mindestens 5 Kelvin pro Minute, weiter bevorzugt mindestens 10 Kelvin pro Minute und/oder höchstens 1 Kelvin pro Sekunde, weiter bevorzugt höchstens 20 Kelvin pro Minute zu reduzieren. Die Abkühlrate im Temperaturbereich von 800°C bis 100°C liegt bevorzugt über eine Spanne von mindestens 100 K in einem Bereich von 5 bis 60 K/min, weiter bevorzugt von 10 bis 20 K/min. Die Abkühlrate im Temperaturbereich von 800°C bis 100°C beträgt über eine Spanne von mindestens 100 K bevorzugt mindestens 5 K/min, weiter bevorzugt mindestens 10 K/min. Die Abkühlrate im Temperaturbereich von 800°C bis 100°C beträgt über eine Spanne von mindestens 100 K bevorzugt höchstens 1 K/s, weiter bevorzugt höchstens 20 K/min.

Das Verfahren ist dabei besonders gut geeignet für das Sintern von Elektrolytschichten und/oder Schichtverbünden für Brennstoffzellen, von Elektrolysezellen und von Festkörperbatterien sowie von keramischen Sensoren.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann damit auf den Einsatz von Sinteröfen, welche herkömmlicherweise zum Erwärmen des Ausgangsmaterials verwendet werden, ganz oder zumindest teilweise verzichtet werden. Dies bringt eine Reihe gewichtiger Vorteile mit sich: Eine enorme Energiemenge lässt sich einsparen, da nicht mehr ganze Öfen aufgeheizt und wieder abgekühlt werden müssen. Das Einstrahlen von Licht ermöglicht ferner einen äußerst dynamischen Temperaturverlauf in der Keramik. Das träge Aufheiz- und Abkühl-Verhalten des Ofens kann überwunden werden. Im Gegensatz zu Heizbändern, Öfen oder Strom kann daher eine sehr effiziente Kontrolle der Temperatur der Keramik ausgeübt werden.

In einer Ausführungsform wird vor Beginn der Lichteinstrahlung und/oder nach Ende der Lichteinstrahlung das keramische Material mittels eines Sinterofens oder auf andere Weise gesintert. Damit kann das vorgeschlagene Verfahren beispielsweise nur bei Bedarf an einer hohen Versetzungsdichte zugeschaltet werden.

Das vorgeschlagene Verfahren weist vorzugsweise folgende vorteilhafte Merkmale und Eigenschaften auf, die jeweils alleine, alle zusammen und/oder in beliebiger Kombination ausgenutzt werden können:

• Keramiken nahezu beliebiger Geometrien, vor allem quaderförmige Geometrien mit Dicken unter 1 mm oder auch mit Dicken von 1 mm bis 5 mm, lassen sich mit dem Verfahren sintern.

• Das Verfahren arbeitet berührungslos.

• Das Verfahren ist skalierbar.

• Das Verfahren kann besonders viel Fläche gleichzeitig behandeln.

• Das Verfahren ist das erste industriell skalierbare Herstellungsverfahren für Keramiken, wie keramische Membranen, welche ihre herausragenden Eigenschaften optional durch die erzeugten Versetzungen erhalten.

• Das Verfahren erreicht sehr kurze Prozesszeiten bei nur geringem technologischem Aufwand.

• Das Verfahren, insbesondere der mit diesem verbundene Sinterprozess, kann direkt in bestehende industrielle Foliengießanlagen integriert werden.

• Das Verfahren ermöglicht optional eine sehr hohe Anzahl und eine sehr hohe Dichte von Versetzungen.

• Das Verfahren ist auch für die Massenproduktion gut skalierbar und einfach umzusetzen (beispielsweise können gut verfügbare Leuchten verwendet werden).

• Die Prozessführung im Labormaßstab kann besonders ähnlich zur industriellen Prozessführung gestaltet werden, wodurch Weiterentwicklungen besonders schnell realisiert werden können und Qualitätskontrollen vereinfacht werden.

• Das Verfahren kann sogar in bestehenden Anlagen nachgerüstet werden, da nur wenig Technik notwendig ist.

Das Verfahren kann als kontinuierlicher Prozess gestaltet werden. • Es ist eine erhebliche Energieeinsparung bei der Herstellung möglich, da keine Öfen notwendig sind, die aufgeheizt und wieder abgekühlt werden müssen. Nur das Material selbst wird erwärmt.

• Das Verfahren ist gut reproduzierbar und kontrollierbar wodurch auch ungewünschte Nebeneffekte, wie eine Leitfähigkeitsänderung durch Punktdefekte im keramischen Material, vermieden werden, da sehr definierte Verfahrensparameter herrschen - im Gegensatz etwa zu der Situation beim Flash-Sintering. Dadurch wird das Verfahren in seiner Komplexität reduziert.

• Das Verfahren arbeitet drucklos.

Das Verfahren kann dabei besonders gut für die Herstellung von Keramiken in einem oder mehreren der folgenden Bereiche eingesetzt werden: Brennstoffzellentechnik,

Elektrolysezellen, Festkörperbatterien, Sensoren, Festkörperbatterien, Wasserstofftechnik, Solarzellen, Katalysetechnik, Kondensatoren und Aktuatoren.

Der Fachmann versteht dabei freilich, dass während des Einstrahlens des Lichts der Übergang von dem keramischen Ausgangsmaterial hin zu dem keramischen Produkt in Folge des Sintervorgangs fließend ist.

Die Erfindung ermöglicht es dabei vorzugsweise, die Temperatur derart einzustellen, insbesondere eine laterale Variation des Temperaturprofils zu minimieren, dass keine großen lokalen Gradienten im keramischen Ausgangsmaterial entstehen. Dadurch wird das gesinterte Material reißfester. Zusätzlich können optional die Übergänge zwischen beleuchteten und nicht beleuchteten Bereichen als Gradient gestaltet werden.

In einer Ausführungsform wird gleichzeitig eine Fläche von 1 cm² oder mehr, vorzugsweise von 250 cm² oder mehr, und/oder von 2000 cm² oder weniger, vorzugsweise von 100 cm² oder weniger, des Materials beleuchtet.

Die mit dem Verfahren hergestellten Keramiken können aufgrund ihrer optional hohen Versetzungsdichte besonders leistungsfähig sein. Beispielsweise können mit dem Verfahren Funktionskeramiken hergestellt werden. Beim Einsatz von Funktionskeramiken besteht ein Interesse an möglichst leistungsfähigen Keramiken, da dies dem Gesamtsystem (etwa einer Batterie) zugutekommt.

Als Funktionskeramik wird dabei vorzugsweise eine Keramik mit besonderen funktionellen Eigenschaften, etwa hinsichtlich Kondensatoren, Sensoren oder Batteriemembranen, verstanden. Sie unterscheidet sich beispielsweise von der Strukturkeramik welche ihren Mehrwert durch ihre Struktur und mechanischen Eigenschaften definiert. Versetzungen sind dabei in einschlägiger Fachliteratur definiert, z.B. „Theory of dislocations“

3rd edition Peter M. Anderson, John P. Hirth und Jens Lothe, Cambridge University Press“. Versetzungen im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind vorzugsweise eindimensionale Kristalldefekte im Material, die vorzugsweise bei der Herstellung generiert werden können.

Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das bereichsweise Aufwärmen des keramischen Ausgangsmaterials mit einer Heizrate von (a) 1 K/s oder mehr, vorzugsweise von 10 K/s oder mehr, vorzugsweise von 100 K/s oder mehr, vorzugsweise von 1000 K/s oder mehr, (b) 10000 K/s oder weniger, vorzugsweise 5000 K/s oder weniger, vorzugsweise 1000 K/s oder weniger, und/oder (c) zwischen 10 und 5000 K/s, vorzugsweise zwischen 100 und 2000 K/s, vorzugsweise zwischen 100 und 1500 K/s, vorzugsweise zwischen 100 und 1000 K/s, erfolgt.

Indem durch das Einstrahlen von Licht entsprechende Heizraten in dem keramischen Material erzielt werden, lassen sich optional eine hohe Anzahl und eine hohe Dichte von Versetzungen im keramischen Produkt realisieren.

Optional beträgt die Heizrate maximal 2500 K/s, vorzugsweise maximal 500 K/s, vorzugsweise maximal 150 K/s, vorzugsweise maximal 50 K/s, vorzugsweise maximal 50 K/ s. Die Heizrate kann alternativ oder ergänzend auch 1 K/s oder mehr betragen.

Beispielsweise beträgt die Heizrate in einer Ausführungsform zwischen 1 K / s und 5000 K/ s, vorzugsweise zwischen 50 K / s und 1000 K/ s, vorzugsweise zwischen 50 K / s und 800 K/ s, vorzugsweise zwischen 100 K / s und 600 K/ s.

Beispielsweise wird die Zieltemperatur in einer Ausführungsform mit einer Heizrate von mehr als 500 K / s in weniger als 5 Sekunden, bevorzugt in weniger als 1 Sekunde noch weiter bevorzugt in weniger als 0,1 Sekunden erreicht. Beispielsweise wird die Zieltemperatur innerhalb von weniger als 10 Sekunden bevorzugt von weniger als 5 Sekunden weiter bevorzugt von weniger als 2 Sekunden, noch weiter bevorzugt von weniger als 1 Sekunde mit einer Genauigkeit von +/- 20 K stabilisiert.

Alternativ oder ergänzend beträgt die Kühlrate zwischen 25000 K/ s und 50 K / s, vorzugsweise zwischen 1000 K / s und 50 K / s. Insbesondere die Kühlrate von der Sintertemperatur auf eine Temperatur von 1000 °C ist bevorzugt sehr schnell. Bevorzugt liegt die Kühlrate von der Sintertemperatur auf eine Temperatur von 1000 °C in einem Bereich von 50 K/s bis 1000 K/s, beispielsweise von 100 K/s bis 500 K/s, oder von 150 K/s bis 250 K/s.

Die Kühlrate kann insbesondere auch dickenabhängig sein. Beispielsweise kann der Quotient aus der Kühlrate und der Materialdicke in einem Bereich zwischen 25000 K / (mm*s) und 10 K / (mm*s), vorzugsweise zwischen 1000 K / (mm*s) und 50 K/ (mm*s) liegen. Bei dem weiteren Einstrahlen von Licht mit größeren Leistungsdichten für sehr kurze Zeiten können noch deutlich höhere Heizraten auftreten, beispielsweise bis zu 5.000.000 K/s, bis zu 1.000.000 K/s, oder bis zu 500.000 K/s. Mit dem Lichtblitz kann beispielsweise eine dichte Schicht auf einem porösen Untergrund hergestellt werden.

In einer Ausführungsform ist die Heizrate an der beleuchteten Oberfläche feststellbar. Durch Messen der Temperaturänderung an der beleuchteten Oberfläche kann dann die Heizrate kontrolliert werden. Dies kann bevorzugt kontaktlos durch ein geeignetes Pyrometer geschehen. Andere Methoden zur Temperaturmessung sind ebenfalls möglich, beispielsweise mittels Thermoelemente, resistive Temperatursensoren oder indirekte Messverfahren auf Basis der Eigenschaften des zu sinternden Materials. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Leistungsdichte während des Aufheizens höher gewählt als es anschließend notwendig ist um die Temperatur zu halten, um die Heizrate möglichst hoch und konstant zu gestalten. Dabei wird die Leistungsdichte bevorzugt während des Aufheizens erhöht um eine möglichst gleichmäßige Heizrate zu erzielen.

Um die Heizrate zu kontrollieren, kann beispielsweise die Leistungsdichte des einfallenden Lichtes als Parameter direkt kontrolliert werden. Diese Kontrolle kann optional auch aufweisen, dass eine lokal und/oder zeitlich variierende Heizrate eingestellt wird. Der Parameter der Leistungsdichte ist auch messtechnisch gut zugänglich.

Daher wird in einer Ausführungsform die Heizrate anhand der Leistungsdichte des einfallenden Lichtes kontrolliert. Optional beträgt die Leistungsdichte zwischen 2 W / cm² und 750 W / cm² bevorzugt zwischen 4 W / cm² und 500 W / cm² noch weiter bevorzugt zwischen 5 W / cm² und 200 W / cm², oder zwischen 10 und 150 W / cm². Die Leistungsdichte beträgt weniger als 800 W / cm², beispielsweise höchstens 750 W / cm², höchstens 700 W / cm², höchstens 650 W / cm², höchstens 600 W / cm², höchstens 550 W / cm², höchstens 500 W / cm², höchstens 450 W / cm², höchstens 400 W / cm², höchstens 350 W / cm², höchstens 300 W / cm², höchstens 250 W / cm², höchstens 200 W / cm², höchstens 150 W / cm², höchstens 100 W / cm², oder höchstens 75 W / cm². Die Leistungsdichte kann beispielsweise mindestens 1 W / cm², mindestens 2 W / cm², mindestens 4 W / cm², mindestens 5 W / cm², mindestens 10 W / cm², mindestens 20 W / cm², mindestens 30 W / cm², mindestens 40 W / cm², mindestens 50 W / cm², oder mindestens 60 W / cm² betragen.

Für kurze Zeiten können auch deutlich höhere Leistungsdichten eingestrahlt werden, wie oben beschrieben (Lichtblitz).

Eine mathematische Betrachtung zeigt, dass die Maximaltemperatur der Keramik, insbesondere des Grünkörpers, ca. von der 4. Wurzel der Leistungsdichte abhängen kann, sobald sich eine Probentemperatur gemäß der Leistungsdichte des einfallenden Lichtes angepasst hat. Beispielsweise entspricht 5 W / cm² ca. 750°C und 200 W/ cm² entspricht ca. 1750°C für einen exemplarischen keramischen Probenkörper, insbesondere Grünkörpers. Liegt die Leistungsdichte oberhalb der Leistungsdichte, welche für die aktuelle Temperatur benötigt wird, heizt sich die Keramik auf. Wird die Leistungsdichte reduziert, kühlt die Keramik ab. Bei hohen Temperaturen wird ein großer Teil der Leistungsdichte genutzt, um die von der Keramik abgestrahlte Wärmeenergie zu kompensieren.

Dabei wird die Leistungsdichte insbesondere mit einer guten zeitlichen Auflösung kontrolliert, wodurch sehr genau definierte Leistungsdichtenprofile bzw. Temperaturprofile ermöglicht werden. Beispielsweise kann mit einer sehr hohen Leistungsdichte die Keramik erwärmt werden, welche dann schnell auf einen niedrigeren Wert angepasst wird, welcher der aktuellen Temperatur entspricht. Dadurch kann die Keramik sehr schnell erhitzt werden wobei die Maximaltemperatur schnell und insbesondre sehr präzise erreicht wird. Dadurch kann beispielsweise die Zeit, in welcher die Temperatur von 90% auf 100% der Zieltemperatur gesteigert wird im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, wie einem gewöhnlichen Ofen, deutlich reduziert, insbesondere minimiert, werden und gleichzeitig kann ein Überschreiten der Zieltemperatur verhindert werden. Durch die technische Kontrolle der Leistungsdichte werden somit nahezu beliebige Temperaturprofile insbesondere mit schnellen Temperaturwechseln ermöglicht. Weiterhin erlaubt die lokale (und/oder zeitliche) Variation des Temperaturprofils lokal variierende Eigenschaften und Versetzungsdichten in dem keramischen Material einzustellen. Dem Anwender wird somit eine deutliche freiere Gestaltung des Temperaturprofils ermöglicht. So sind auch komplexe Temperaturprofile vorzugsweise möglich.

Die Leistungsdichte kann vorzugsweise mit besonders geringer zeitlicher Verzögerung an und ausgeschaltet oder beliebig dosiert werden. Die erreichbaren Schaltgeschwindigkeiten sind dabei durch die Leuchten und die verwendete Optik bestimmt und können z.B. 1 Sekunde oder weniger, vorzugsweise 1 Millisekunde oder weniger betragen. „Schaltgeschwindigkeit“ bedeutet dabei vorzugsweise die Zeit, die benötigt wird, um die Beleuchtung ein- und wieder auszuschalten. Alternativ oder ergänzend kann das Schalten auch durch die Optik geregelt werden, während die Lampe beispielsweise durchgehend leuchtet.

Optional beträgt die Änderung der Leistungsdichte zwischen 1%/s und 100000%/s bevorzugt von 100 %/s und 10000 %/s. Insbesondere sind diese Änderungsraten im Bereich von 50% bis 100% bevorzugt von 75% bis 100% weiter bevorzugt von 90% bis 100% der Sintertemperatur erreichbar.

Optional kann die Leistungsdichte in weniger als 10 s, bevorzugt in weniger als 1 s, bevorzugt von weniger als 10 ms um mehr als 80% reduziert werden und bevorzugt vollständig ausgeschaltet werden. Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das, insbesondere bereichsweise, Aufwärmen des keramischen Ausgangsmaterials durch das Einstrahlen von Licht für einen Zeitraum von (a) wenigstens 0,25 Sekunden, vorzugsweise von wenigstens 3 Sekunden, vorzugsweise von wenigstens 20 Sekunden, und/oder (b) maximal 10 Minuten, vorzugsweise maximal 8 Minuten, vorzugsweise maximal 5 Minuten, vorzugsweise maximal 3 Minuten, vorzugsweise maximal 1 Minute, vorzugsweise maximal 30 Sekunden, vorzugsweise maximal 10 Sekunden, vorzugsweise maximal 5 Sekunden, vorzugsweise maximal 3 Sekunden, vorzugsweise maximal 1 Sekunde, erfolgt.

Aufgrund des geringen Zeitraums eignet sich das Verfahren auch besonders gut für Großproduktionen.

Optional beträgt der Zeitraum maximal 10 Minuten, vorzugsweise maximal 1 Minute, vorzugsweise maximal 10 Sekunden,

Beispielsweise beträgt der Zeitraum in einer Ausführungsform zwischen 0,1 Sekunde und 10 Minuten, vorzugsweise zwischen 1 Sekunde und 1 Minute, vorzugsweise zwischen 2 Sekunden und 30 Sekunden.

Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass die lokal erzeugten Versetzungen eine Dichte von 10⁵ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10⁶ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10⁷ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10⁸ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10⁹ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10¹⁰ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10¹¹ / cm², aufweisen.

Das Verfahren ist nicht nur besonders einfach zu implementieren, sondern lässt auch entsprechend hohe Versetzungsdichten zu.

Beispielsweise handelt es sich bei den angegebenen Versetzungsdichten um solche, die lokal erzeugt werden. Anders ausgedrückt: Beispielsweise handelt es sich bei den angegebenen Versetzungsdichten um Versetzungsdichten, denen die zumindest lokal erzeugten Versetzungen genügen.

Dies kann bedeuten, dass durch das Einstrahlen von Licht und das Aufwärmen des Materials großräumiger Versetzungen entstehen als die zumindest lokal erzeugten Versetzungen, wobei die großräumiger erzeugten Versetzungen nicht alle den angegebenen Versetzungsdichten genügen und damit nicht zu den lokal erzeugten Versetzungen zählen. Beispielsweise können um die lokal erzeugten Versetzungen (mit entsprechenden Versetzungsdichten) weitere Versetzungen bestehen, die aber eine geringere Dichte aufweisen. Beispielsweise beziehen sich die Versetzungsdichten auf eine Fläche von 1 pm², 1cm² oder 1 m² der Keramik. Bei größeren Flächen, kann die Dichte beispielsweise an zehn repräsentativen Orten stichprobenartig lokal getestet werden.

Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass

(i) sich die lokal erzeugten Versetzungen innerhalb des durch das Licht erwärmten Bereichs des keramischen Materials befinden;

(ii) die Leistungsdichte des eingestrahlten Lichtes (a) zwischen 1 W/cm² und 750 W/cm², weiter bevorzugt zwischen 5 W/cm² und 150 W/cm² liegt, und/oder (b) einen definierten oder definierbaren Zielwert mit einer Genauigkeit von besser als 10%, besser als 5%, besser als 2% oder besser als 1% in weniger als 5 Sekunden, bevorzugt in weniger als 2 Sekunden, weiter bevorzugt in weniger als 1 Sekunde, weiter bevorzugt in weniger als 0,5 Sekunden, weiter bevorzugt in weniger als 0,1 Sekunde, erreicht und danach stabilisiert wird; und/oder

(iii) die Leistungsdichte und/oder das Temperaturprofil frei gestaltet werden kann bzw. können.

Folglich muss also nicht der gesamte durch das Licht erwärmte Bereich des keramischen Materials Versetzungen aufweisen. Und/oder erweist auch Bereiche mit Versetzungen auf, die nicht den an die lokal erzeugten gestellten Bedingungen genügen. Versetzungen sind lediglich optional Vorgesehen. Die Erfindung betrifft insbesondere auch keramische Produkte ohne Versetzungen.

Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das keramische Ausgangsmaterial zumindest einen keramischen Schichtverbund, zumindest ein keramisches Kompositmaterial und/oder zumindest ein keramisches Pulver aufweist, und/oder in Form einer Folie, eines Endlosbands, eines, vorzugsweise quaderförmigen oder runden, Presslings und/oder als Festkörper bereitgestellt wird.

Das keramische Ausgangsmaterial lässt sich besonders gut und sicher handhaben, indem es als Pressling oder als Festkörper bereitgestellt wird.

Ein Pressling kann beispielsweise zu einem Keramikkörper gepresstes pulverförmiges keramische Material aufweisen oder darstellen.

Ein Grünkörper im Sinne der vorliegenden Anmeldung kann ein Rohling vor der Sinterung aus keramischem Pulver sein, welcher beispielsweise über Pressverfahren hergestellt wird. Ein Grünkörper im Sinne der vorliegenden Anmeldung kann auch ein Rohling vor der Sinterung sein, der mittels Flüssigkeitsbasierter Verfahren wie Schlickerguß hergestellt wird. Ein Grünkörper im Sinne der vorliegenden Anmeldung kann auch ein Rohling vor der Sinterung sein, der mittels gegossener Folien hergestellt wird.

In einer Ausführungsform wird das keramische Ausgangsmaterial in Form eines Endlosbandes bereitgestellt und/oder relativ zu der Lichtquelle bewegt. Dadurch können selbst große Flächen schnell und ökonomisch, mithin schnell und günstig, bearbeitet, insbesondere gesintert, werden.

Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass

(i) die Dicke des keramischen Ausgangsmaterial zwischen 0,00005 mm und 15,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,001 mm und 10,0 mm, vorzugsweise 0,1 mm bis 5 mm vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 4,0 mm, beträgt;

(ii) das keramische Ausgangsmaterial SrTi0₃, und/oder PO2 als Material aufweist oder daraus besteht und/oder wobei das keramische Produkt eine keramische Membran aufweist oder darstellt; und/oder

(iii) das keramische Ausgangsmaterial eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweist:

(a) Ein beliebiges keramisches Material, insbesondere ein nichtmetallisch anorganisches Material mit kristallinem Aufbau;

(b) Eine Keramik mit Perowskitstruktur, Spinellstruktur, Zinkblendestruktur, Wurzitstruktur, Natrium Chlorid Struktur, oder Fluoridstruktur;

(c) Eine Keramik auf Basis von Bariumtitanat, Bariumzirkonat, Blei-Zirkonat- Titanat, Titanoxid, Siliziumkarbid, Siliciumnitrid, Borcarbid, Bornitrid, Zirkondiborid, Nickeloxid, Zinkoxid, Zirkoniumoxid, Strontiumtitanat, Magnesiumoxid, Lithium-Lanthan-Titanat, Lithium-Lanthan-Zirkonat, Lithium-Lanthan-T antalat, Lithium-Cobalt-Oxid, Lithium-Mangan-Oxid, Lithium-Nickel-Mangan-Oxid und/oder Aluminiumoxid, jeweils mit beliebigen Dotierungszusätzen und/oder Sinteradditiven sowie Mischungen aus mehreren diesen Materialien;

(d) Ein beliebiges Metall; oder/und

(e) Ein oder mehrere Materialien aus der Gruppe aufweisend: Silber, Lithium, Palladium, Platin, Gold, Nickel, Titan, Aluminium, Kupfer, Eisen, Niob, Chrom, Vanadium, Iridium, Tantal, Osmium, Rhenium, Molybdän, Wolfram, Magnesium oder eine Legierung aus mehreren dieser Metalle.

(f) Ein beliebiges nichtmetallisches anorganisches Material, welches überwiegend keine kristalline Struktur aufweist und welches mit Hilfe eines Sinterprozesses seine Form erhält.

(g) Silikatfasern, Borosilikatglas und Tetraborsilizid.

Mit dem Verfahren der Erfindung können Sintervorgänge bei hohen Temperaturen in nichtmetallisch-anorganischen Werkstoffen durchgeführt werden. Dies ist auch möglich, wenn eine kristalline Struktur in überwiegend nicht vorhanden ist. Beispielsweise kann können damit Keramik- oder Glasfasern zu einem festen und hoch porösen Block versintert werden. Ein Beispiel ist der Verbund aus hochporöser eingebetteter Glasfaser mit einer dichten Deckschicht, welche als Hitzeschutzkachel für den Wiedereintritt in die Atmosphäre von Raumfahrtzeugen zum Einsatz kommen. Diese Bauteile sind beispielsweise vom Spaceshuttle bekannt und kommen auch bei neuen und zukünftigen Raumfahrzeugen zum Einsatz wie z.B. dem Starship von SpaceX. Mit der Beleuchtung als Wärmeübertragungsmedium kann das Ausgangsmaterial besonders schnell und energiesparend hergestellt werden. Weiterhin können die Deckschicht und der Volumenkörper unterschiedlich aufgeheizt werden. Zusätzlich ist die Herstellungstemperatur nicht durch einen Ofen begrenzt wodurch diese höher gewählt werden kann. Dadurch kann die Materialauswahl verbessert werden wodurch höhere Einsatztemperaturen ermöglicht werden.

Keramiken mit bevorzugten Dicken sind für übliche Anwendungen relevant. Keramiken mit bevorzugten Dicken lassen sich mit einfachen und gut verfügbaren Leuchten sintern und dabei eine hohe Versetzungsdichte erreichen. Denn die Erwärmung des keramischen Materials durch das eingesetzte Licht kann dann besonders gut kontrolliert werden. Es ist folglich bevorzugt, dass das Verfahren zum Herstellen dünner Keramiken eingesetzt wird.

Der Fachmann weiß, dass sich die Dicke der fertigen Keramik von der des keramischen Ausgangsmaterials unterscheiden kann. Beispielsweise findet eine Dickenreduktion um beispielsweise 40 % während des Sintervorgangs statt. In einer Ausführungsform beträgt die Dicke des keramischen Ausgangsmaterials vorzugsweise 20 mm oder weniger, 5 mm oder weniger, vorzugsweise von 2 mm oder weniger, vorzugsweise 1,0 mm oder weniger, vorzugsweise von 0,1 mm oder weniger, vorzugsweise 0,02 mm oder weniger, vorzugsweise von 0,01 mm oder weniger, vorzugsweise von 0,005 mm oder weniger. Optional beträgt die Dicke 0,0002 mm oder mehr, vorzugsweise 0,002 mm oder mehr, vorzugsweise 0,01 mm oder mehr, vorzugsweise 0,05 mm oder mehr, vorzugsweise 0,1 mm oder mehr, beispielsweise 0,2 mm oder mehr, 0,5 mm oder mehr, oder 1,0 mm oder mehr. Beispielsweise kann die Keramik eine Dicke aufweisen von zwischen 0,001 mm und 5 mm, insbesondere von zwischen 0,01 mm und 2 mm.

In einer Ausführungsform kann das keramische Produkt eine Membrane, insbesondere eine dünne Membrane, aufweisen. Diese Membrane, insbesondere dünne Membrane, kann vorzugsweise die vorstehend genannten Dicken aufweisen.

Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass durch das Licht wenigstens eine Oberfläche, insbesondere Seitenfläche, vorzugsweise Hauptseitenfläche, des keramischen Ausgangsmaterials, vorzugsweise vollständig oder teilweise, ausgeleuchtet wird.

Durch das vollständige Ausleuchten kann das keramische Material sogar in einem Arbeitsgang vollständig erwärmt und dadurch in Gänze bearbeitet, insbesondere gesintert und/oder mit Versetzungen versehen, werden.

Als Hauptseitenfläche ist vorzugsweise die flächenmäßig größte Seitenfläche des keramischen Ausgangsmaterials, wie insbesondere eines Presslings oder Festkörpers, zu verstehen.

Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass

(i) das Licht parallel und/oder sequentiell, insbesondere unter relativer, vorzugsweise kontinuierlicher, Verschiebung des keramischen Materials relativ zu dem einfallenden Licht, auf mehrere Bereiche, insbesondere Oberflächenbereiche, des keramischen Ausgangsmaterials eingestrahlt wird, um dadurch parallel bzw. sequentiell an mehreren lokalen Orten Versetzungen im keramischen Produkt zu erzeugen;

(ii) die durch die Bestrahlung in einer aufgeheizten Zone eine definierte Geometrie, insbesondere mit einer großen Fläche, erzeugt wird, welche quadratisch ist oder vom Anwender in ihrer Form frei wählbar ausgestaltet werden kann;

(iii) die Bestrahlung mit einer Verzögerung von weniger als 10 Sekunden bevorzugt in weniger als 1 Sekunde, weiter bevorzugt in weniger als 0,1 Sekunde, bevorzugt von weniger als 0,01 Sekunde weiter bevorzugt von weniger als 1 Millisekunde, noch weiter bevorzugt von weniger als 0,1 Millisekunde um mehr als 90% reduziert werden kann, und/oder wobei durch das Abschalten der Bestrahlung eine Abkühlrate von mehr als 10 K/s, weiter bevorzugt von mehr als 50 K/s, noch weiter bevorzugt von mehr als 200K/S erreicht wird; und/oder

(iv) das Temperaturprofil lokal oder/und zeitlich variierend kontrolliert werden kann.

Wenn das Einstrahlen parallel erfolgt, können beispielsweise mehrere Lichtquellen eingesetzt werden. Somit können auch große Flächen zügig bearbeitet, insbesondere erwärmt, werden und/oder hohe Heizraten selbst über eine große Fläche und/oder den darunter liegenden Volumenbereichen erreicht werden.

Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Einstrahlen derart erfolgt, dass das im keramischen Material erzeugte Temperaturprofil lokal variiert, um Temepraturgradienten und/oder Muster von Versetzungsdichten zu erhalten. Beispielsweise kann dazu eine lokale Leistungsdichtenvariation durchgeführt werden.

Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Licht

(i) Wellenlängen im sichtbaren Wellenlängenbereich oder im nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich, insbesondere im UV-Bereich oder im sichtbaren Bereich, aufweist, vorzugsweise ausschließlich solche aufweist,

(ii) Von zumindest einer Lichtquelle, insbesondere aufweisend zumindest eine Leuchtdiode, zumindest eine Xe-Blitzlampe, zumindest einen Laser, zumindest eine UV-Lampe, zumindest einen Mitteldruck-UV-Strahler und/oder zumindest eine Metalldampflampe, zumindest eine Halogenlampe, zumindest einen Infrarotstrahler, ausgestrahlt wird,

(iii) von einer Optik auf das keramische Ausgangsmaterial gelenkt und/oder, vorzugsweise auf den aufzuwärmenden Bereich, fokussiert wird, und/oder

(iv) das keramische Ausgangsmaterial an der Oberfläche und/oder innerhalb eines an die Oberfläche angrenzenden Volumenbereichs erwärmt.

Wenn das Licht von mehreren Lichtquellen eingestrahlt wird, kann jede Lichtquelle vorzugsweise ein individueller Typ von Lichtquelle sein. Indem das Licht von außen eingestrahlt wird und auf eine Oberfläche des keramischen Ausgangsmaterials auftrifft, erwärmt sich auch ein an die Oberfläche angrenzender Volumenbereich sehr zuverlässig.

Das Licht kann dabei, insbesondere bei einer flächigen Keramik, von oben, von unten und von beiden Seiten eingestrahlt werden. Alternativ kann das Licht nur von einer Seite eingestrahlt werden. Dabei kann die Seite, von welcher kein Licht eingestrahlt wird offen oder abgedeckt sein oder mit einem Spiegel versehen werden. Eine Ausführung in horizontaler oder vertikaler Ausrichtung ist möglich, sowie beliebige Winkel.

Eine Lichtquelle weist vorzugsweise auf: eine oder mehrere Leuchtdioden, einen oder mehrere Laser (insbesondere mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 200 nm bis 700 nm, beispielsweise 300 nm bis 600 nm oder 400 nm bis 500 nm), eine oder mehrere Xe-Blitzlampen (insbesondere im quasikontinuierlichen Multipulsbetrieb), eine oder eine oder mehrere UV Lampen, insbesondere eine oder mehrere Mitteldruck-UV-Strahler und/oder eine oder mehrere Metalldampflampen oder eine oder mehrere Halogenlampen oder Infrarotstrahler.

Die Erfindung kann mit einem Laser als Lichtquelle realisiert werden. Beispielsweise kann ein Laser auch zusätzlich und/oder gleichzeitig zu einer anderen Lichtquelle eingesetzt werden, um Muster mit Nuancen hersteilen zu können.

Allerdings ist ein Vorteil eines Lasers, dass er Licht stark bündeln kann, worauf Laserlichtquellen typischerweise optimiert sind. Dies reduziert jedoch die Fläche, welche gleichzeitig bearbeitet werden kann. Daher sollten die Laserstrahlen zum Einsatz in dieser Erfindung vorzugsweise zunächst aufgeweitet werden. Dabei kommt vorzugsweise ein Diodenlaser, vorzugsweise aus mehreren Dioden, insbesondere Diodenstapeln, mit homogener Intensitätsverteilung zum Einsatz.

Denn mit der vorliegenden Erfindung können große Flächenbereiche gleichzeitig und nahezu homogen bestrahlt werden. Dadurch können große Flächen schnell und ökomimisch bearbeitet werden. Insbesondere ist es so möglich, ein Endlosband schnell und günstig zu bearbeiten.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt dadurch gelöst, dass eine

Vorrichtung, insbesondere (i) zur Herstellung von Keramiken (mit oder ohne Versetzungen), (ii) zum Ausführen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder (iii) die dazu eingerichtet ist, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auszuführen, die Vorrichtung aufweisend zumindest eine Aufnahme zum Aufnehmen eines keramischen Ausgangsmaterial und zumindest eine Lichtquelle zum Einstrahlen von Licht auf das in der Aufnahme aufgenommene oder aufnehmbare keramische Ausgangsmaterial, wobei vorzugsweise die Vorrichtung dazu eingerichtet ist das Licht auf das keramische Ausgangsmaterial einzustrahlen, um dieses zumindest bereichsweise aufzuwärmen und dadurch ein keramisches Produkt zu erzeugen und wobei die Aufnahme eine Isolierung aufweist vorgeschlagen wird.

Die Isolierung sollte selbst gegenüber der Beleuchtung für die nötige Prozesszeit ausreichend stabil sein.

Die Wärmeleitfähigkeit der Isolierung kann bei 1400°C beispielsweise weniger als 400 W/(m*K) betragen, höchstens 50 W/(m*K), höchstens 20 W/(m*K), höchstens 10 W/(m*K), höchstens 5 W/(m*K), höchstens 2 W/(m*K), höchstens 1 W/(m*K), höchstens 0,5 W/(m*K), oder höchstens 0,25 W/(m*K). Die Wärmeleitfähigkeit der Isolierung kann beispielsweise mindestens 0,01 W/(m*K), mindestens 0,05 W/(m*K), mindestens 0,1 W/(m*K), oder mindestens 0,2 W/(m*K) betragen.

Die Dichte der Isolierung kann beispielsweise in einem Bereich von 0,05 bis 0,25 g/cm³ liegen, insbesondere in einem Bereich von 0,10 bis 0,15 g/cm³, beispielsweise bei etwa 0,12 g/cm³.

Die Isolierung lässt bei einer Temperatur von 1400°C bevorzugt höchstens 50 W/cm², höchstens 15 W/cm², oder höchstens 5 W/cm² Wärmefluss aus dem keramischen Ausgangsmaterial und/oder dem keramischen Produkt zu.

Bei einer Ausführung in der Schwerelosigkeit ist keine Unterlage und damit keine Isolierung notwendig.

Als Isolierung kann beispielsweise Keramikwolle oder Blähgraphit (englisch: „expandable graphite“) eingesetzt werden. Blähgraphit ist besonders bevorzugt, da dieser weniger mit der Keramik reagiert als Keramische Wolle.

Eine vorteilhafte Isolierung kann auch ein Edelmetall umfassen oder daraus bestehen. Bevorzugt sind insbesondere hochschmelzende Edelmetalle. Die Isolierung kann beispielsweise ein Material umfassen oder daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Iridium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Osmium, Rhenium, Wolfram, Tantal, Molybdän, Hafnium und Legierungen aus zwei oder mehr davon. Iridium und Platin sowie Legierungen daraus sind besonders bevorzugt. Ganz besonders bevorzugt ist Iridium. Die Isolierung kann insbesondere in Form einer Wolle, eines Netzes und/oder einer Folie vorliegen.

Die Isolierung umfasst bevorzugt ein Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ein oder mehreren Edelmetallen, Blähgraphit, Keramikwolle, insbesondere Aluminiumoxid, und Kombinationen von zwei oder mehr davon.

Die Isolierung weist bevorzugt eine Dicke in einem Bereich von 0,25 bis 5,0 cm, von 0,5 bis 3,0 cm, von 0,75 bis 2,5 cm, oder von 1 ,0 bis 2,0 cm auf. Die Dicke der Isolierung kann beispielsweise mindestens 0,25 cm, mindestens 0,5 cm, mindestens 0,75 cm, oder mindestens 1,0 cm betragen. Die Dicke der Isolierung kann beispielsweise höchstens 5,0 cm, höchstens 3,0 cm, höchstens 2,5 cm, oder höchstens 2,0 cm betragen.

Die Isolierung kann auch in Form eines Gasfilms realisiert werden. Insbesondere kann die Isolierung einen Gasfilm umfassen oder daraus bestehen. Beispielsweise kann Gas durch Löcher in einer Metallplatte strömen und so ein Gasfilm gebildet werden, auf dem dann die Keramik schwebt.

Die Isolierung sorgt für eine besonders homogene Temperaturverteilung, die wiederum mit besonders homogenen Materialeigenschaften verbunden ist. Außerdem ermöglicht die Isolierung die Durchführung des Verfahrens bei vergleichsweise niedrigen Leistungsdichten, da ein ungewollter Energieverlust vermieden oder zumindest drastisch reduziert werden kann.

Dass gerade Blähgraphit besonders gut geeignet ist, ist überraschend. Für eine herkömmliche Sinterung im Ofen ist Blähgraphit nicht geeignet, da er vollständig verbrennen würde. Den kurzen Sinterzeiten und verhältnismäßig niedrigen Leistungsdichten der vorliegenden Erfindung hält Blähgraphit jedoch hervorragend stand. Als isolierende Unterlage kann auch ein Gasfilm dienen auf dem die Keramik schwebt. Die Abgeführte Wärmemenge durch die Unterlage ist eine dynamische Größe, wenn sich die Temperatur ändert. Im Fall, dass eine Zieltemperatur für viele Sekunden gehalten wird, könnte eine 1 cm dicke Kupferunterlage mit einer Wärmeleitfähigkeit von 400 W/mK ca 6000 W/cm² abführen. Im Gegensatz dazu könnte eine Keramikwolle mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,4 W/mK nur 6,4 W/cm² abführen. Es wird klar, dass der Wärmefluss durch die Isolation nur einen Bruchteil der Beleuchtungsleistungsdichte beträgt während eine metallische Unterlage ein Vielfaches an ungewünschtem Wärmefluss erlaubt.

Zur weiteren Verbesserung der Energieeffizienz, insbesondere bei längeren Belichtungen, kann die emittierte Wärmestrahlung der Keramik während des Sinterns mit einem Spiegelsystem auf die Keramik zurückgeworfen werden. Dazu kann beispielsweise ein parabol oder elliptisch geformter und/oder mit Gold beschichteter Spiegel eingesetzt werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, Keramiken mit hoher Versetzungsdichte herzustellen. Insbesondere ist es damit möglich, Keramiken mit Versetzungen herzustellen, indem das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung damit ausgeführt wird.

Für die Vorrichtung gelten daher die gleichen Vorteile und die gleichen Einsatzgebiete, wie sie vorstehend auch in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung beschrieben wurden.

Die Vorrichtung kann in einer Ausführungsform mehrere Lichtquellen aufweisen. Wenn die Vorrichtung mehrere Lichtquellen aufweist, kann jede Lichtquelle vorzugsweise ein individueller Typ von Lichtquelle sein.

Beispielsweise kann mit mehreren Lichtquellen die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung beschriebene Ausleuchtung eines, etwa in Form eines Presslings bereitgestellten, und in der Aufnahme aufgenommenen oder aufnehmbaren keramischen Ausgangsmaterials, durchgeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung auch eine Optik aufweisen. Damit kann die Beleuchtung des Materials eingestellt werden. Die Optik kann Linsen, Spiegel und/oder dergleichen mehr aufweisen.

Die Vorrichtung kann alternativ oder ergänzend auch Kontrollmittel aufweisen, die es ermöglichen, die Heizrate der Aufwärmung, den Zeitraum des Einstrahlens, und/oder den beleuchteten Bereich zu ermitteln und das Einstrahlen des Lichts, insbesondere hinsichtlich der Heizrate, des Zeitraums und/oder des beleuchteten Bereichs, entsprechend zu kontrollieren, insbesondere zu regeln und/oder zu steuern.

In einer besonders bevorzugten Ausführung wird das Verfahren durch eine besonders flexible Vorrichtung realisiert. Die kleine Größe vergleichbar mit etwa einem Schuhkarton und die Möglichkeit die Vorrichtung mit einem gewöhnlichen Steckdosenanschluss zu betreiben (230 V, 16A in Deutschland) ermöglicht den kostengünstigen Einsatz z.B. auf dem Tisch, in Dentallaboren, Kleinkunstwerkstätten oder in Handschuhboxen, welche in Laboren für luftempfindliche Materialien eingesetzt werden.

Innerhalb einer Umhausung welche die Umgebung vor dem verwendeten Licht schützt ist als zentraler Bestandteil ein Stapel von Leuchtdioden angebracht. Diese beleuchten das Keramische Produkt, welches auf einer wechselbaren Isolierung positioniert wird. Diese kann einfach herausgenommen werden, was beispielsweise durch eine Ausziehbare Schublade ermöglicht wird.

Die Leuchtdioden emittieren bevorzugt UV Licht, bevorzugt mit 375 nm oder 450 nm Wellenlänge. Die Leuchtdioden sind dabei an eine wassergekühlte thermische Senke angeschlossen wobei das emittierte Licht mit Mikrolinsen und Linsen gebündelt werden kann um die Leistungsdichte zu verbessern. Sie sind bevorzugt über der Keramik angeordnet und können alternativ oder ergänzend in anderen Winkeln angebracht sein.

Die Temperatur wird dabei durch ein geeignetes Pyrometer ausgelesen wobei bevorzugt eine aktiver Regelkreis zwischen Pyrometerdaten und Leistungsdichte vorhanden ist.

Die Stromversorgung, Regelung und Kühlung der Leuchtdioden kann in der gleichen Umhausung untergebracht sein oder alternativ in einer separaten Box installiert sein wobei eine Verbindung durch Kabel und Schläuche vorhanden ist.

Die Spitzenlast der Stromversorgung kann durch einen geeigneten Energiezwischenspeicher deutlich reduziert werden. Für eine Leistungsdichte von 50 W/cm² auf einer Fläche von 80 cm² wird eine Leistung von mindestens 4 kW benötigt. Dies übersteigt die Maximalleistung einer gewöhnlichen Steckdose. Ein Energiezwischenspeicher kann beispielsweise 8 kW für 30 Sekunden bereitstellen und dann über wenige Minuten mit deutlich geringerer Leistung wieder geladen werden. Hier kann beispielsweise eine gewöhnliche Autostarterbatterie zum Einsatz kommen, die mehrere Beleuchtungen zulässt bevor sie geladen werden muss.

Der Bearbeitungsraum ist bevorzugt so gestaltet, dass die Unterlage durch andere Vorrichtungen ausgewechselt werden kann. Beispielsweise ist es möglich eine Unterlage mit Isolierung ein einer gasdichten Kammer einzusetzen. Diese kann auf der Oberseite durch eine Quarzglasfenster das Licht einstrahlen lassen, jedoch die Atmosphäre gezielt kontrollieren, beispielsweise mit einem kontinuierlichen Gasfluss mit einem Gas wie z.B. Luft, Sauerstoff, Argon, Stickstoff oder Formiergas. Eine Quarzglasscheibe schützt auch die Vorrichtung vor Verunreinigung.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem dritten Aspekt dadurch gelöst, dass ein keramisches Produkt (mit oder ohne Versetzungen), insbesondere hergestellt und/oder herstellbar mit dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder mit der Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, das insbesondere eine zumindest partiell gesinterte Mikrostruktur aufweist vorgeschlagen wird.

Das keramische Produkt kann insbesondere eine gesinterte Mikrostruktur aufweisen. Das keramische Produkt kann beispielsweise eine partiell gesinterte Mikrostruktur oder eine vollständig gesinterte Mikrostruktur aufweisen.

Das keramische Produkt kann beispielsweise zumindest lokal Versetzungen mit einer Dichte von 10⁵ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10⁶ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10⁷ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10⁸ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10⁹ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10¹⁰ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10¹¹ / cm², aufweisen.

Ein keramisches Produkt, das eine solch hohe Versetzungsdichte aufweist, kann erstmalig überhaupt mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden. Die lokale Versetzungsdichte beträgt vorzugsweise 10⁹ / cm² oder mehr, insbesondere 10¹⁰ / cm² oder mehr.

Ein erfindungsgemäßes keramisches Produkt kann Nanoporen enthalten. Dies gilt insbesondere dann, wenn das keramische Produkt PO2, BaTiCh, YSZ (englisch: „Yttria- stabilized zirconia“) oder Lio_.sLao TiOs als Material aufweist.

Bevorzugt weist das keramische Produkt eine derartige Porosität auf, dass in einer Transmissionselektronenmikroskopischen (TEM) Aufnahme auf einer Fläche von 100 pm² mindestens 2 Nanoporen, weiter bevorzugt mindestens 4 Nanoporen, weiter bevorzugt mindestens 8 Nanoporen, weiter bevorzugt mindestens 10 Nanoporen, weiter bevorzugt mindestens 12 Nanoporen, weiter bevorzugt mindestens 15 Nanoporen, weiter bevorzugt mindestens 20 Nanoporen vorhanden sind, insbesondere wenn die Probendicke 250 nm beträgt. Die Anzahl der Nanoporen kann beispielsweise höchstens 150 Nanoporen, höchstens 100 Nanoporen, höchstens 75 Nanoporen, höchstens 50 Nanoporen, höchstens 40 Nanoporen, oder höchstens 30 Nanoporen auf einer Fläche von 100 pm² betragen, insbesondere bei einer Probedicke von 250 nm. Die Anzahl der Nanoporen liegt bevorzugt in einem Bereich von 2 bis 150 Nanoporen, von 4 bis 150 Nanoporen, von 8 bis 100 Nanoporen, von 10 bis 75 Nanoporen, von 12 bis 50 Nanoporen, von 15 bis 40 Nanoporen, oder von 20 bis 30 Nanoporen auf einer Fläche von 100 pm², insbesondere bei einer Probendicke von 250 nm.

In TEM-Aufnahmen können zwei Arten von Nanoporen unterschieden werden. Es gibt Poren, die sich durch die gesamte Probendicke erstrecken. Diese Poren erscheinen weiß. Andere Poren erstrecken sich nicht durch die gesamte Probendicke und erscheinen daher weniger weiß bis hell gräulich. Für die erfindungsgemäße Auswertung der Anzahl der Nanoporen werden beiden Arten von Nanoporen mitgezählt.

Die Anzahl der beobachteten Nanoporen ist abhängig von der Probendicke. Insbesondere steigt die Anzahl der sichtbaren Nanoporen mit der Probendicke. Die Porenanzahl ist jedoch auch bei einer Probendicke von quasi null selbst nicht null. Auch eine minimal dünne Schicht zeigt noch ein Mindestmaß an Poren. Unabhängig von der Probendicke beträgt die Anzahl der Nanoporen auf einer Fläche von 100 pm² bevorzugt mindestens 2 Nanoporen, weiter bevorzugt mindestens 4 Nanoporen, weiter bevorzugt mindestens 8 Nanoporen, weiter bevorzugt mindestens 10 Nanoporen, weiter bevorzugt mindestens 12 Nanoporen, weiter bevorzugt mindestens 15 Nanoporen, weiter bevorzugt mindestens 20 Nanoporen. Die Anzahl der Nanoporen pro 250 nm Probendicke kann unabhängig von der Probendicke beispielsweise höchstens 150 Nanoporen, höchstens 100 Nanoporen, höchstens 75 Nanoporen, höchstens 50 Nanoporen, höchstens 40 Nanoporen, oder höchstens 30 Nanoporen auf einer Fläche von 100 pm² betragen.

Die beobachtete Anzahl der Poren, die sich über die gesamte Probendicke erstrecken, reduziert sich mit steigender Probendicke. Wenn diese Anzahl null beträgt und gleichzeitig viele Poren zu beobachten sind, welche sich nicht über die gesamte Probendicke erstrecken, ist anzunehmen, dass die Probendicke größer als der mittlere Porendurchmesser ist. Im Gegenschluss kann geschlussfolgert werden, dass wenn ca. die Hälfte der Poren sich über die gesamte Probendicke erstreckt, die Probendicke ca. dem mittleren Porendurchmesser entspricht. Weiterhin nimmt die Anzahl der beobachteten Poren, welche sich nicht über die gesamte Dicke erstrecken, kontinuierlich mit der Probendicke zu. Im Gegenschluss kann geschlussfolgert werden, dass wenn überwiegend oder nur Poren beobachtet werden, welche sich über die gesamte Probendicke erstrecken, die Probendicke deutlich geringer ist als der mittlere Porendurchmesser. Erfindungsgemäß wird die Anzahl der Nanoporen bezogen auf eine Probedicke von 250 nm angegeben. Die Angabe der Probendicke bedeutet nicht, dass das keramische Produkt diese Dicke aufweist. Vielmehr bezieht sich der Ausdruck „Probendicke“ auf die Dicke der untersuchten Probe. Die Probendicke kann deutlich geringer sein als die Dicke des keramischen Produkts. Die Probe kann insbesondere aus dem keramischen Produkt erhalten werden, indem eine Lamelle mit einem fokussierten lonenstrahl herausgeschnitten wird oder durch das mechanische Polieren mit anschließender Dünnung durch Argon Ionen.

Für eine Quantifizierung der Anzahl der Nanoporen wird die Anzahl der Nanoporen in fünf Bildausschnitten bestimmt, die jeweils mindestens 50 pm² groß sind. Die Anzahl der Nanoporen der Probe pro 100 pm² wird als Mittelwert aus den entsprechenden Werten der fünf Bildausschnitte bestimmt. Zur Bestimmung der Anzahl der Nanoporen pro 100 pm² in einem Bildausschnitt ist es nicht notwendig, dass der Bildausschnitt eine Größe von 100 pm² aufweist. Der Bildausschnitt kann auch eine Größe von mehr als 100 pm² oder eine Größe von weniger als 100 pm² aufweisen. Die Anzahl der Nanoporen pro 100 pm² lässt sich dann einfach rechnerisch extrapolieren. Werden beispielsweise bei einem Bildausschnitt mit einer Größe von 50 pm² Nanoporen in einer Anzahl von 8 festgestellt, so ergeben sich für diesen Bildausschnitt 16 Nanoporen pro 100 pm². Werden beispielsweise bei einem Bildausschnitt mit einer Größe von 200 pm² Nanoporen in einer Anzahl von 12 festgestellt, so ergeben sich für diesen Bildausschnitt 6 Nanoporen pro 100 pm².

Nanoporen können parallel zu größeren Poren existieren. Porosität mit größeren Poren ist jedoch nicht gewünscht und wird bevorzugt minimiert. Nanoporen bieten hingegen erstaunliche Vorteile. Nanoporen können mit verschiedenen Vorteilen verbunden sein, beispielsweise mit einer Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit, insbesondere bei PO2, und/oder mit einer Verbesserung der ionischen Leitfähigkeit, insbesondere bei YSZ. Die ionische oder elektrische Leitfähigkeit kann sich beispielsweise um 10 % oder mehr im Vergleich zu einer Keramik mit identischer Zusammensetzung aber ohne Nanoporösität erhöhen.

In ferroelektrischen Produkten, beispielsweise BaTiCh, kann eine Änderung der klassischen Hysteresekurven für die Polarisation und die Dehnung beobachtet werden. Durch das Anlegen eines externen elektrischen Feldes richten sich Ladungsschwerpunkte im ferroelektrischen Produkt aus. Es entstehen Bereiche gleicher Ausrichtung, sogenannte Domänen, welche zu einer spontanen Polarisation und Dehnung des keramischen Produkts führen, die dann technisch nutzbar sind. Die spontane Polarisation wird mittels einer Messchaltung nach Sawyer und Tower gemessen, die Dehnung simultan mittels eines optischen Wegsensors.

Weiteres Erhöhen des elektrischen Feldes resultiert in dem Erreichen einer Sättigungspolarisation. Diese nimmt bei Reduktion der Feldstärke zur remanenten Polarisation, bei einer Feldstärke von null, ab und ist bei invers angelegtem Feld reversibel, sodass eine Hystereseschleife entsteht, welche maßgeblich die Eigenschaften des ferroelektrischen Produkts bestimmt. Das erfindungsgemäße keramische Produkt zeigt bevorzugt eine höhere Sättigungspolarisation verglichen mit einer konventionell gesinterten Probe, gleichen Pulvers. Die Sättigungspolarisation eines erfindungsgemäßen keramischen Produkts übersteigt die Sättigungspolarisation eines konventionell gesinterten keramischen Produkts derselben Zusammensetzung bevorzugt um mindestens 10%, weiter bevorzugt um mindestens 20%, weiter bevorzugt um mindestens 30%, weitere bevorzugt um mindestens 40%. Die Sättigungspolarisation eines erfindungsgemäßen keramischen Produkts kann die Sättigungspolarisation eines konventionell gesinterten keramischen Produkts derselben Zusammensetzung beispielsweise um höchstens 100%, um höchstens 80%, um höchstens 70% oder um höchstens 60% übersteigen. Die Sättigungspolarisation eines erfindungsgemäßen keramischen Produkts kann die Sättigungspolarisation eines konventionell gesinterten keramischen Produkts derselben Zusammensetzung beispielsweise um 10% bis 100%, um 20% bis 80%, um 30% bis 70% oder um 40% bis 60% übersteigen.

Unter „konventioneller Sinterung“ für die Keramik BaTiCh wird erfindungsgemäß Sinterung in Sauerstoff bei 1220 °C für 5 Stunden mit einer Heiz- und Kühlrate von 10 Kelvin pro Minute verstanden. Unter „konventioneller Sinterung“ ist erfindungsgemäß genereller eine Sinterung zu einer Dichte von größer als 90% in einem herkömmlichen Ofen mit Heiz- und Kühlraten im Bereich 1 bis 200 Kelvin pro Minute zu verstehen. Ein Vergleich ist bevorzugt dann geeignet, wenn sich die Korngrößen der verglichenen Keramiken um nicht mehr als einen Faktor von zwei unterscheiden. Das erfindungsgemäße keramische Produkt weist insbesondere eine Sättigungspolarisation von mehr als 12 pC/cm² auf. Weiter bevorzugt beträgt die Sättigungspolarisation des erfindungsgemäßen keramischen Produkts mindestens 14 pC/cm², weiter bevorzugt mindestens 15 pC/cm², weiter bevorzugt mindestens 16 pC/cm², weiter bevorzugt mindestens 17 pC/cm², weiter bevorzugt mindestens 17.5 pC/cm². Die Sättigungspolarisation kann beispielsweise höchstens 50 pC/cm², höchstens 40 pC/cm², höchstens 30 pC/cm², höchstens 25 pC/cm², höchstens 20 pC/cm², oder höchstens 18.5 pC/cm² betragen. Die Sättigungspolarisation liegt bevorzugt in einem Bereich von >12 bis 50 pC/cm², von 14 bis 40 pC/cm², von 15 bis 30 pC/cm², von 16 bis 25 pC/cm², von 17 bis 20 pC/cm² oder von 17.5 bis 18.5 pC/cm². Die in diesem Absatz genannten Werte für die Sättigungspolarisation betreffen insbesondere den Fall, dass das keramische Produkt BaTiCh umfasst oder daraus besteht.

Wird die Dehnung verglichen fällt auf, dass das erfindungsgemäße keramische Produkt eine deutlich schmalere Hysteresekurve zeigt als die Vergleichsprobe. Sie ist aufgrund der wesentlich kleineren Koerzitivfeldstärke (dem Minimum in der Dehnung) einfacher zu Schalten als die Referenzprobe und damit interessanter für beispielsweise Aktuartoranwendungen.

Die Koerzitivfeldstärke eines erfindungsgemäßen keramischen Produkts beträgt bevorzugt höchstens 50%, weiter bevorzugt höchstens 40%, weiter bevorzugt höchstens 30%, weiter bevorzugt höchstens 25% der Koerzitivfeldstärke eines konventionell gesinterten keramischen Produkts derselben Zusammensetzung. Die Koerzitivfeldstärke eines erfindungsgemäßen keramischen Produkts kann beispielsweise mindestens 2%, mindestens 5%, mindestens 10% oder mindestens 15% der Koerzitivfeldstärke eines konventionell gesinterten keramischen Produkts derselben Zusammensetzung betragen. Die Koerzitivfeldstärke eines erfindungsgemäßen keramischen Produkts kann beispielsweise 2% bis 50%, 5% bis 40%, 10% bis 30% oder 15% bis 25% der Koerzitivfeldstärke eines konventionell gesinterten keramischen Produkts derselben Zusammensetzung betragen.

Die Koerzitivfeldstärke liegt beim erfindungsgemäßen keramischen Produkt bevorzugt in einem Bereich von 0,005 bis <0,19 kV/mm, von 0,01 bis 0,15 kV/mm, von 0,02 bis 0,10 kV/mm, oder von 0,03 bis 0,05 kV/mm. Die Koerzitivfeldstärke beträgt bevorzugt weniger als 0,19 kV/mm, weiter bevorzugt höchstens 0,15 kV/mm, weiter bevorzugt höchstens 0,10 kV/mm, weiter bevorzugt höchstens 0,05 kV/mm. Die Koerzitivfeldstärke kann beispielsweise mindestens 0,005 kV/mm, mindestens 0,01 kV/mm, mindestens 0,02 kV/mm, oder mindestens 0,03 kV/mm betragen. Die in diesem Absatz genannten Werte für die Koerzitivfeldstärke betreffen insbesondere den Fall, dass das keramische Produkt BaTiCh umfasst oder daraus besteht.

Durch das vorliegende Verfahren lassen sich Defekte einbringen, welche einen signifikanten Einfluss auf die resultierende Domänenstruktur haben. Deutlich wird dies an der Änderung der

Domänenstruktur in Figuren 17 und 18. Während die Domänenwanddichte vor einem Auslagerungsschritt, bei beispielsweise 800 °C, gering war, so ist sie im Anschluss sichtbar höher. Eine Änderung hat vielfach Einfluss auf die Eigenschaften des ferroelektrischen Produkts. Durch das Auslagern bei 800 °C, und der damit verbundenen Feinung der Domänenstruktur, kann die Dehnung des keramischen Produkts gesteigert werden. Dies wird durch den Vergleich der ausgelagerten Probe mit der ursprünglichen in Figur 19 deutlich. Die dort gezeigten Verläufe der Dehnung wurden wie in Bespiel 9 beschrieben gemessen. Einzige Ausnahme ist die Frequenz, welche hier 20 Hz beträgt.

Die Dehnung eines erfindungsgemäßen keramischen Produkts übersteigt die Dehnung eines konventionell gesinterten keramischen Produkts derselben Zusammensetzung bevorzugt um mindestens 15%, weiter bevorzugt um mindestens 25%, weiter bevorzugt um mindestens 50%, weitere bevorzugt um mindestens 70%. Die Dehnung eines erfindungsgemäßen keramischen Produkts kann die Dehnung eines konventionell gesinterten keramischen Produkts derselben Zusammensetzung beispielsweise um höchstens 150%, um höchstens 125%, um höchstens 100% oder um höchstens 90% übersteigen. Die Sättigungspolarisation eines erfindungsgemäßen keramischen Produkts kann die Sättigungspolarisation eines konventionell gesinterten keramischen Produkts derselben Zusammensetzung beispielsweise um 15% bis 150%, um 25% bis 125%, um 50% bis 100% oder um 70% bis 90% übersteigen.

Die Dehnung des keramischen Produkts liegt bevorzugt in einem Bereich von >0,07% bis 0,20%, von 0,075% bis 0,175%, von 0,10% bis 0,15%, von 0,11% bis 0,14%, oder von 0,12% bis 0,13%. Die Dehnung des keramischen Produkts beträgt bevorzugt mehr als 0,07%, weiter bevorzugt mindestens 0,075%, weiter bevorzugt mindestens 0,10%, weiter bevorzugt mindestens 0,11%, weiter bevorzugt mindestens 0,12%. Die Dehnung des keramischen Produkts kann beispielsweise höchstens 0,20%, höchstens 0,175%, höchstens 0,15%, höchstens 0,14%, oder höchstens 0,13% betragen.

Insbesondere bei BaTiCh können zwei Arten von Domänen auftreten, die 90° und die 180° Domänen. Die erfindungsgemäßen keramischen Produkte weisen bevorzugt eine große Domänenwanddichte auf. Dadurch lassen sich viele ferro- und dielektrische Eigenschaften einstellen. Die hohe Domänenwanddichte kann beispielsweise zur Erhöhung zur Dehnung beitragen.

Für das keramische Produkt gelten daher die gleichen Vorteile und die gleichen Einsatzgebiete, wie sie vorstehend auch in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung beschrieben wurden.

Beispielsweise kann das keramische Produkt in Form einer Membrane, insbesondere einer dünnen Membrane, vorliegen. Eingesetzt als dünne Membrane werden Funktionskeramiken beispielsweise in Brennstoffzellen, Elektrolysezellen, Sensoren, Festkörperbatterien, Gastrennmembranen, Aktuatoren und Kondensatoren. Insbesondere können diese Dünnen Membranen als Vielschichten gestapelt sein und auch Lagen wie metallische Elektroden enthalten.

Das erfindungsgemäße Produkt kann vorzugsweise verwendet werden in Brennstoffzellen, Elektrolysezellen, Sensoren und/oder Festkörperbatterien.

Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass

(i) die Dicke des keramischen Produkts zwischen 0,00005 mm und 20 mm beträgt, wobei das keramische Produkt eine keramische Membran aufweist oder darstellt und/oder wobei das keramische Produkt SrTiCh, und/oder T1O2 als Material aufweist oder daraus besteht; und/oder

(ii) das keramische Produkt eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweist:

(d) Ein beliebiges Metall; oder/und

(e) Ein oder mehrere Materialien aus der Gruppe aufweisend: Silber, Lithium, Palladium, Platin, Gold, Nickel, Titan, Aluminium, Kupfer, Eisen, Niob, Chrom, Vanadium, Iridium, Tantal, Osmium, Rhenium, Molybdän, Wolfram, Magnesium oder eine Legierung aus mehreren dieser Metalle. (f) Ein beliebiges nichtmetallisches anorganisches Material, welches überwiegend keine kristalline Struktur aufweist und welches mit Hilfe eines Sinterprozesses seine Form erhält.

(g) Silikatfasern, Borosilikatglas und Borsilizid.

Das keramische Material kann ein Material enthalten oder daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PO2, BaTiCh, YSZ, Lio_.3Lao Ti0₃ und Kombinationen von zwei oder mehr davon.

Keramiken mit bevorzugten Dicken sind für übliche Anwendungen relevant.

In einer Ausführungsform beträgt die Dicke des keramischen Ausgangsmaterials vorzugsweise 20 mm oder weniger, vorzugsweise von 10 mm oder weniger, vorzugsweise von 5 mm oder weniger, vorzugsweise 2 mm oder weniger, vorzugsweise von 1 mm oder weniger, vorzugsweise von 0,5 mm oder weniger, vorzugsweise 0,05 mm oder weniger. Optional beträgt die Dicke 0,001 mm oder mehr, vorzugsweise 0,005 mm oder mehr, vorzugsweise 0,01 mm oder mehr, vorzugsweise 0,05 mm oder mehr, vorzugsweise 0,1 mm oder mehr. Beispielsweise kann die Keramik eine Dicke aufweisen von zwischen 0,001 mm und 20 mm, insbesondere von zwischen 0,005 mm und 15 mm, von 0,1 bis 10,0 mm, von 0,2 bis 8,0 mm, von 0,5 bis 6,0 mm, oder von 1,0 bis 5,0 mm, beispielsweise von 2,0 bis 4,0 mm.

Das keramische Produkt kann insbesondere einen Korngrößengradienten, eine Texturierung, eine hohe Temperaturbeständigkeit, besonders homogene Materialeigenschaften, und/oder eine Nanoporosität aufweisen.

Die Korngröße kann sich beispielsweise um mehr als einen Faktor drei in weniger als 50 pm, bevorzugt von mehr als einen Faktor fünf in weniger als 20 pm, bevorzugst von mehr als einen Faktor 15 in weniger als 10 pm, in einer Richtung ändern und gleichzeitig um weniger als einen Faktor zwei in einer orthogonalen Richtung variieren. Bevorzugt kann sich die Korngröße graduell, insbesondere wie in Figur 4, oder Stufenartig, insbesondere wie in Figur 7, ändern. Bevorzugt überschreitet der Unterschied in der Korngröße einen Faktor 1000 nicht.

Die Porosität kann beispielsweise in weniger als 5 pm von kleiner als 5%, insbesondere keiner offenen Porosität, zu größer als 15%, insbesondere zu offener, perkolierender Porosität übergehen. Die Texturierung kann so signifikant sein, dass mehr als 15% der Körner mit einer Abweichung von weniger als 15°, bevorzugt mehr als 20% der Körner mit einer Abweichung von weniger als 10° von einer Vorzugsachse ausgerichtet sind.

Das keramische Produkt der Erfindung kann auch ein Schichtverbund sein, insbesondere ein Schichtverbund mit mehreren Lagen.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Schichtverbund umfassend oder bestehend aus dem keramischen Produkt der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Kondensator umfassend oder bestehend aus dem keramischen Produkt der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Festkörperbatterie umfassend oder bestehend aus dem keramischen Produkt der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung des keramischen Produkts der Erfindung als oder in einem Kondensator oder einer Festkörperbatterie.

Versuche

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht optional eine sehr hohe Dichte von Versetzungen. Zur Einordnung wurden die folgenden Versuche mit den jeweils angegebenen Ergebnissen durch die Erfinder durchgeführt: (1.) Einfaches Sintern einer Keramiktasse führte zu einer Versetzungsdichte von bis zu 10⁵/cm². (2.) Mechanische Verformung führte zu einer Versetzungsdichte von bis zu 10⁸/cm². (3.) Flash-Sintern führte zu einer Versetzungsdichte von bis zu 10¹⁰/cm². (4.) Das vorgeschlagene Verfahren kann optional Versetzungsdichten mit Größenordnungen von sogar größer als oder gleich 10¹⁰/cm² erreichen. Die Versetzungsdichte kann durch Optimierung des Temperaturprofils verbessert werden.

Kurzbesch reibuna der Figuren

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen erläutert werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung in einer

Seitenansicht;

Fig. 2 ein keramisches Material, das in der Vorrichtung der Fig. 1 verwendet wird; Fig. 3 eine weitere Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 4 eine lichtmikroskopische Aufnahme eines keramischen Produkts mit einem Korngrößengradienten;

Fig. 5, 6, 7 eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines keramischen Produkts mit Texturierung und sprunghaftem Dichtegradient;

Fig. 8 Darstellung der Quantifizierung der Texturierung;

Fig. 9 eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines keramischen Produkts hergestellt aus zwei keramischen Ausgangsmaterialien;

Fig. 10 eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Vielschichtkondensators hergestellt mit dem Verfahren der Erfindung;

Fig. 11, 12 Temperatur-Zeit-Kurven der Herstellung eines keramischen Produkts mit dem Verfahren der Erfindung.

Fig. 13 eine weitere Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 14 Transmissionselekronenmikroskopiebild eines keramischen Produkts mit Nanoporen.

Fig. 15 Feldabhängige Polarisationskurven für das keramische Produkt 43 und einer Referenzprobe 45

Fig. 16 Feldabhängige Dehnungskurven für das keramische Produkts 47 und einer Referenzprobe 49

Fig. 17 Rasterkraftmikroskopaufnahme des keramischen Produkts im Piezo-Modus vor dem Auslagern

Fig. 18 Rasterkraftmikroskopaufnahme des keramischen Produkts im Piezo-Modus nach dem Auslagern

Fig. 19 Feldabhängige Dehnungskurven für das keramische Produkt vor 51 und nach dem Auslagern 55, sowie einer Referenzprobe 53

Fig. 20 Transmissionselektronenmikroskopaufnahme einer erfindungsgemäßen BaTiOs Keramik. Beispiele

Beispiel 1 : Grünkörper aus gepresstem SrTiCh Pulver

Ein scheibenförmiger Grünkörper aus SrTi0₃ Pulver mit 99,99% Reinheit wird mit einer Dicke von 1 mm und einem Durchmesser von 6,4 mm bei einem Druck von 700 MPa gepresst. Die Ausgangspartikelgröße des Pulvers beträgt ca. 400 nm. Der Grünkörper wird anschließend von einer Seite, bevorzugt von oben, beleuchtet. Auf der Unterseite liegt der Grünkörper auf einer dünnen, beispielsweise 1 cm bis 2 cm dicken, Schicht sehr poröser Aluminiumoxidwolle oder alternativ auf einer 1 cm oder 2 cm dicken Schicht aus Blähgrafit mit einer Dichte von ca. 0,12 g/cm³.

Mit der Beleuchtung wird der Grünkörper mit einer Heizrate von 100 K/s bis 500 K/s auf die oder nahe unter oder über die Sintertemperatur, 1875 °C, erhitzt und 25 Sekunden lang auf dieser Temperaturgehalten. Dabei wird die Sintertemperatur bevorzugt um weniger als 15 °C unter- oder überschritten. Weiterhin wird die Sintertemperatur nach dem Aufheizen bevorzugt in weniger als 6 Sekunden stabilisiert. Danach wird die Beleuchtung abgeschaltet und der Grünkörper wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Abkühlung von der Sintertemperatur auf weniger als 1000 °C erfolgt dabei in weniger als 3 Sekunden. Für die Beleuchtung wird bevorzugt ein Diodenlaserstapel mit 450 nm Wellenlänge, Xe-Blitzlampe, Halogenlampe, UV- Mitteldrucklampe oder Infrarotlampe verwendet. Bei der Sintertemperatur beträgt die Leistungsdichte bevorzugt 170 W/cm² bei der Verwendung eines Diodenlaserstapels mit 450 nm Wellenlänge.

Die Versetzungsdichte kann bevorzugt mit der Dunkelfeld-

Transmissionselelektronenmikroskopie oder dem Electron channelling contrast imaging (ECCI) überprüft werden.

Beispiel 2:

Eine Folie aus dem Material BaTiO_ß wird durch Foliengießen hergestellt. Dabei beträgt die durchschnittliche Partikelgröße weniger als oder gleich 250 nm. Das Bindemittel wird zunächst ausgebrannt. Temperaturprofile, welche Temperaturen deutlich unterhalb der Sintertemperatur benötigen, und oftmals Zeiten im Bereich von Minuten bis Stunden benötigen, sind aus dem Stand der Technik zum entsprechenden Bindemittel bekannt. Dieser Schritt kann, alternativ zu einem konventionellen Ofen, optional auch mit Hilfe der Bestrahlung durchgeführt werden, wobei die Leistungsdichte gering, beispielsweise um 80 % geringer, zu wählen ist. Sobald das Bindemittel ausgebrannt ist, wird die Folie mittels Beleuchtung zur Sintertemperatur erhitzt. Während der Beleuchtung kann die Folie beispielsweise auf einem dünnen Gasfilm über einer reflektierenden Oberfläche schweben oder alternativ auf einer 1 cm dicken Schicht Blähgraphit liegen und von oben beleuchtet werden. Alternativ kann sie senkrecht hängen und von zwei Seiten bestrahlt werden, wobei die Leistungsdichte dann von beiden Seiten aufzubringen ist.

Die laterale Ausmessung ist dabei nur beschränkt durch die Größe der Lichtquelle.

Insbesondere kann die Folie gegenüber der Lichtquelle oder die Lichtquelle gegenüber der Folie bewegt werden. Dadurch kann das Temperaturprofil, bzw. die Leistungsdichte zusätzlich durch das Bewegungsprofil eingestellt werden. Bevorzugt ermöglicht die relative Bewegung von Folie und Lichtquelle die Bearbeitung eines kontinuierlichen Bandes.

Die Folie wird durch die Bestrahlung mit 400 K/s auf die oder nahe unter oder über die Sintertemperatur 1150 °C bis 1550 °C erhitzt und für 30 Sekunden auf dieser Temperatur gehalten. Dabei wird die Sintertemperatur bevorzugt um weniger als 15 °C unter- oder überschritten. Weiterhin wird die Sintertemperatur nach dem Aufheizen bevorzugt in weniger als 6 Sekunden, beispielsweise in weniger als 2 Sekunden stabilisiert. Danach wird die Beleuchtung abgeschaltet und der Grünkörper wieder auf Raumtemperatur abkühlt. Die Abkühlung von der Sintertemperatur auf weniger als 900 °C erfolgt dabei in weniger als 3 Sekunden. Für die Beleuchtung wird bevorzugt ein Diodenlaserstapel mit 450 nm Wellenlänge, Xe-Blitzlampe, UV-Mitteldrucklampe, Halogenlampe, oder Infrarotlampe verwendet. Bei der Sintertemperatur beträgt die Leistungsdichte bevorzugt ca. 92 W/cm² bei der Verwendung eines Diodenlaserstapels mit 450 nm Wellenlänge.

Beispiel 3:

Durch lateral unterschiedliche thermische Kontaktierung zur Unterlage wurde ein Korngrößengradient erzeugt. Dabei war die Bestrahlung homogen. Alternativ kann auch der thermische Kontakt zur Unterlage homogen sein und die Strahlung variieren bzw. es kann sowohl die thermische Kontaktierung als auch die Bestrahlung variieren.

Es wurde ein Grünkörper aus 99,99% reinem T1O2 mit einer Dicke von etwa 150 pm gepresst. Dieser wurde auf eine Kupferunterlage gelegt wobei Kontakt nur an einem kleinen Punkt bzw. kleinen Punkten bestand. Dadurch wurden diese Bereiche gekühlt wobei bei den freischwebenden Bereichen deutlich weniger Wärmeabfuhr stattfand. In diesen Bereichen ist die Korngröße deutlich größer mit Gradienten zu den kälteren Bereichen. Die Beleuchtung wurde mit einem Diodenlaserstapel mit 450 nm Wellenlänge mit 200 W/cm² für 10 s durchgeführt.

Figur 4 zeigt ein entsprechend erzeugtes keramisches Produkt mit einem Korngrößengradienten. Beispiel 4:

Durch unterschiedliche Temperaturprofile an der Oberfläche und im Inneren der Keramik wurden ein Korngrößengradient und eine Texturierung erzeugt. Es wurde ein Grünkörper aus 99,99% reinem T1O2 mit einer Dicke von etwa 150 pm gepresst. Die unterschiedlichen Temperaturprofile wurden durch ein zeitliches Leistungsdichtenprofil mit einer ersten Leistungsdichte in einem Bereich von 4350 W/cm² für einen Zeitraum von 20 ms, gefolgt von einer zweiten Leistungsdichte in einem Bereich von 100 W/cm² für einen Zeitraum von 10 s erzeugt. Im ersten Beleuchtungsschritt war keine Isolierung notwendig, da die Temperatur nur die Oberfläche aber nicht das Volumen erreicht hat. Im zweiten Beleuchtungsschritt wurde eine etwa 2 cm Dicke Schicht aus Blähgraphit mit einer Dichte von etwa 0,12 g/cm³ als isolierende Unterlage verwendet.

In diesem Beispiel entsteht, wie in Figur 5, 6 und 7 gezeigt, eine quasi vollständig dichte Schicht an der Oberfläche mit einer Dicke von etwa 20 pm und einer Korngröße von etwa 15 pm sowie eine darunter liegende, dickere Schicht mit deutlich kleineren Körnern und sehr großer Porosität. Dabei ist in Figur 7, welche eine Bruchfläche nach dem ersten Behandlungsschritt zeigt, zu erkennen, dass ein großer Teil der Körner sich durch die gesamte Dicke der Schicht erstreckt. Weiterhin weisen die Körner in dieser Schicht eine Vorzugsorientierung welche als Texturierung bezeichnet wird auf. Diese Texturierung wurde mittels Elektronenbeugung, englisch „electron backscatter diffraction“ für mehr als 5000 Körner bestimmt und ist in Figur 8 dargestellt und quantifiziert. Alternativ kann die Quantifizierung durch eine Wahrscheinlichkeit einer bestimmten Orientierungsbereiches angegeben werden, der hier ein 16% Wahrscheinlichkeit für eine Orientierung mit weniger als 15° Abweichung von der 100 Achse bestimmt wurde.

Weiterhin entstand durch den zweiten Beleuchtungsschritt unter der dichten Schicht eine poröse Schicht über die gesamte restliche Dicke. Diese zeichnet sich bevorzugt durch eine offene Porosität aus die gasdurchlässig ist wobei die Schicht mechanische Integrität aufweist.

Ein besonders Merkmal ist, dass diese Kombination einer dichten und einer porösen Schicht aus einer zuvor vollständig homogenen Grünkörper gefertigt werden kann. Weiterhin kann der kurze und intensive Beleuchtungsschritt, hier der erste Schritt, während des längeren und weniger Intensiven Beleuchtungsschrittes durchgeführt werden wodurch die Gesamtprozessierung in einem Zug und beispielsweise in 10 Sekunden oder weniger erfolgen kann.

Beispiel 5: Mit dem Verfahren der Erfindung wurden zwei keramische Ausgangsmaterialien, T1O2 und BaTiCh, die in zwei Schichten gemeinsam als Pulver gepresst wurden, zu einem keramischen Produkt zusammengesintert. Es wurde eine scharfe Grenzfläche erhalten. Die Figur 9 zeigt ein entsprechend erzeugtes keramisches Produkt.

Beispiel 6:

Es wurde ein Vielschichtkondensator mit dem Verfahren der Erfindung hergestellt (siehe Figur 10). Der Vielschichtkondensator besteht auf der Keramik BaTiCh und dünnen lagen aus Platinelektroden. Die Lagen aus BaTiCh wurden mittels Foliengießen hergestellt wobei die Platinelektroden mittels Siebdruck (englisch: „screen printing“) hergestellt wurden. Die Bindermaterialien, welche für das Foliengießen benötigt werden wurden in einem Konventionellen Ofen bei mittlerer Temperatur ausgebrannt. Anschließend wurde das Rohbauteil auf eine etwa 2 cm dicke Isolierung aus Blähgrahit gelegt und von oben beleuchtet. Die Leistungsdichte betrug 47 W/cm² für 5 Sekunden gefolgt von 75 W/cm² für 20 Sekunden gefolgt von 47 W/cm² für weitere 10 Sekunden.

Figur 10 zeigt einen polierten Querschnitt durch die Bauteildicke.

Beispiel 7:

Das Beispiel 7 betrifft verschiedene Temperatur-Zeit- Verläufe der Herstellung eines keramischen Produkts mit dem Verfahren der Erfindung.

In Figur 11 ist die Temperaturabhängigkeit der Absorption des eingestrahlten Lichts gezeigt. Bei hohen Temperaturen kommt es zu einer verstärkten Absorption längerer Wellenlängen. Der zeitliche Verlauf der Temperatur zeigt, dass es zunächst bei einer Temperatur von etwa 800°C annähernd zur Ausbildung eines Temperaturplateaus mit einer deutlichen Verlangsamung des Temperaturanstiegs kommt. Sobald ein Kipppunkt oberhalb von 800°C erreicht wurde, kam es zu einem massiven Temperaturanstieg auf nahezu 1600°C. Bei Temperaturen unterhalb des Kipppunkts ist die Absorption des Lichts durch das Material verhältnismäßig gering. Oberhalb von 800°C wird das eingestrahlte Licht deutlich besser absorbiert. Dieses Beispiel wurde an 1 mm dickem gepressten Pulver aus lithium ionen leitender Li_6,4La₃Zn_,4Tao_,60i₂ Keramik durchgeführt.

Figur 12 zeigt hingegen den Temperatur-Zeit- Verlauf einer Probe ohne nennenswerte Temperaturabhängigkeit der Absorption des eingestrahlten Lichts. Diese Temperaturkurve wurde im Experiment in Beispiel 1 aufgezeichnet.

Beispiel 8: Ein scheibenförmiger Grünkörper aus T1O2 Pulver mit 99,99% Reinheit wird mit einer Dicke von 1 mm und einem Durchmesser von 6,4 mm bei einem Druck von 700 MPa gepresst. Die Ausgangspartikelgröße des Pulvers beträgt ca. 300 nm. Der Grünkörper wird anschließend von einer Seite, bevorzugt von oben, beleuchtet. Auf der Unterseite liegt der Grünkörper auf einer dünnen, beispielsweise 1 cm bis 2 cm dicken, Schicht sehr poröser Aluminiumoxidwolle oder alternativ auf einer 1 cm oder 2 cm dicken Schicht aus Blähgrafit mit einer Dichte von ca. 0,12 g/cm³.

Mit der Beleuchtung wird der Grünkörper mit einer Heizrate von 100 K/s bis 500 K/s auf die oder nahe unter oder über die Sintertemperatur, 1600 °C, erhitzt und 10 bis 30 Sekunden lang auf dieser Temperatur gehalten. Dabei wird die Sintertemperatur bevorzugt um weniger als 15 °C unter- oder überschritten. Weiterhin wird die Sintertemperatur nach dem Aufheizen bevorzugt in weniger als 6 Sekunden stabilisiert. Danach wird die Beleuchtung abgeschaltet und der Grünkörper wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Abkühlung von der Sintertemperatur auf weniger als 1000 °C erfolgt dabei in weniger als 3 Sekunden. Für die Beleuchtung wird bevorzugt ein Diodenlaserstapel mit 450 nm Wellenlänge, Xe-Blitzlampe, Halogenlampe, UV-Mitteldrucklampe oder Infrarotlampe verwendet. Bei der Sintertemperatur beträgt die Leistungsdichte bevorzugt 115 bis 135 W/cm² bei der Verwendung eines Diodenlaserstapels mit 450 nm Wellenlänge.

Die Nanoporösität kann bevorzugt mit Transmissionseielektronenmikroskopie oder in einem Schliffbild einer polierten Oberfläche im Rasterelektronenmikrsoskop überprüft werden. Figur 14 zegit ein Transmissionsmikroskopiebild auf welchem Nanoporen zu sehen sind und einzelne markiert sind. Bezugszeichen 39 markiert dabei eine Pore, welche sich über die gesamte beobachtete Probendicke erstreckt. Die beobachtete Gesamtanzahl von Poren kann nicht kleiner sein als die Anzahl dieser Art von Poren. Bezugszeichen 41 markiert dabei eine Pore, welche sich über nur über einen Teil der beobachteten Probendicke erstreckt.

Beispiel 9:

Ferroelektrische Eigenschaften aus Figur 15 und 16.

BaTiOs Pulver wurde mittels konventioneller Festkörpersynthese aus stöchiometrisch abgewogenem T1O2 (99,9%) und BaC0₃ (99,95%) bei 885 °C für 4 Stunden kalziniert. Die Rohmaterialien wurden vorher mit einer Attritor- und nachher mit einer Planetenkugelmühle gemahlen. Die Proben wurden wie in Beispiel 8 geschrieben gepresst und im Anschluss wurde die Referenzprobe in Sauerstoff bei 1220 °C für 5 Stunden mit einer Heiz- und Kühlrate von 10 Kelvin pro Minute gesintert. Die andere Probe wurde gemäß dem beschriebenen Verfahren mit einer Xenonblitzlampe mit einer Leistungsdichte von weniger als 800 W/cm² für 15 s bestrahlt. Die Hysteresekurven der Polarisation und Dehnung wurden parallel mit einer Messschaltung nach Sawyer und Tower für die Polarisation und einem optischen Wegsensor für die Dehnung gemessen. Außerdem wurde die Messung bipolar bis zu einer Feldstärke von 1,5 kV/mm, bzw. -1,5 kV/mm durchgeführt. Die Figuren 15 und 16 wurden mit einer Frequenz von 100 Hz gemessen. Die durchgezogenen Linien, markiert mit den Bezugszeichen 43 und 47, stellen die gemessene Polarisation und Dehnung der mit der Xenonblitzlampe gesinterten Probe dar, die Bezugszeichen 45 and 49 die der Referenzprobe.

Beispiel 10:

Einfluss auf Domänenstruktur aus Figuren 17 - 19.

Für Beispiel 10 wurde je eine Referenzprobe konventionell und eine Probe mit der Xenonblitzlampe gesintert. Die erfindungsgemäße Keramik wurde mit einem Auslagerungsschritt bei 800 °C nachbehandelt, wobei die Heiz und Kühlrate 5 K/min betrugen. Alle anderen Syntheseparameter können aus Beispiel 8 und 9 entnommen werden. Anschließend wurden die Proben mit Diamantpaste der Partikelgröße 15 pm, 6 pm, 3 pm, 1 pm und 0.25 pm poliert und anschließend für mehrere Stunden Vibrationspoliert.

In BaTiCh treten zwei Arten von Domänen auf, die 90° und die 180° Domänen. Beide sind in Figur 17 sichtbar. Es fällt jedoch auf, dass die Abstände der Domänenwände der ursprünglichen Probe verglichen mit der ausgelagerten, bei 800 °C, deutlich kleiner sind. Es ist anzunehmen, dass die größere Domänenwanddichte viele ferro- und dielektrische Eigenschaften ändert. Zum Beispiel ist anzunehmen, dass die erhöhte Domänenwanddichte zur Erhöhung zur Dehnung in Figur 19 beitragen kann.

Alternativ kann eine Domänenstruktur auch mittels Transmissionselektronenmikroskopie wie in Figur 20 dargestellt visualisiert werden.

Detaillierte Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.

Die Vorrichtung 1 weist eine Aufnahme 3 auf, die ein pulverförmiges keramisches Ausgangsmaterial 5 aufnimmt. Vorliegend ist die Aufnahme 3 eine Unterlage, auf der das keramische Material 5 aufliegt. Das keramische Material 5 ist ein quaderförmiger oder folienartiger Grünkörper.

Die Vorrichtung 1 weist außerdem eine Lichtquelle 7 auf. Die Lichtquelle 7 ist eine Halogenlampe, die Licht im Infraroten Wellenlängenbereich aussendet.

Die Vorrichtung 1 ist dazu eingerichtet, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auszuführen.

Dazu wird Licht 9 der Lichtquelle 7 auf einen Oberflächenbereich 11a des keramischen Materials 5 eingestrahlt. Das Material des Oberflächenbereichs 11a und dem darunter liegenden Volumenbereich wird dadurch erwärmt und gesintert. Die Erwärmung erfolgt dabei so schnell, das heißt, mit einer so hohen Heizrate, dass dort optional lokal eine hohe Dichte von Versetzungen in dem keramischen Produkt, dass nach dem Sintern erhalten wird, erzeugt werden kann. Die optional lokal erzeugten Versetzungen bestehen also in dem erwärmten Bereich.

Anschließend wird die Lichteinstrahlung verändert, so dass das Licht 9 der Lichtquelle 7 auf einen Oberflächenbereich 11b des keramischen Materials 5 eingestrahlt wird und ganz entsprechend auch dort das keramische Material 5 gesintert und optional eine hohe Versetzungsdichte erzeugt wird. Das Verändern der Lichteinstrahlung erfolgt beispielsweise mittels einer in Fig. 1 nicht dargestellten Kontroll- und Steuereinheit, die einen oder mehrere Sensoren, wie Temperatursensoren und optische Sensoren, aufweisen kann.

Anschließend kann das keramische Material 5 in Form des dann hergestellten keramischen Produkts entnommen werden.

Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf das von der (in Fig. 2 nicht dargestellten) Aufnahme 3 aufgenommene keramische Material 5. Die beiden Oberflächenbereiche 11a und 11b sind darin eingezeichnet, wobei sie zur besseren Erkennbarkeit beabstandet von dem Rand des Presslings 5 dargestellt sind. Das keramische Material 5 wird also sequentiell erst im Oberflächenbereich 11a und dann im Bereich 11b durch Lichteinstrahlung erwärmt (genauer gesagt natürlich vor allem der darunter liegenden Volumenbereich des Materials). Während vorliegend die Lichteinstrahlung dabei sozusagen von dem Oberflächenbereich 11a zu dem Oberflächenbereich 11b übergeht, sind auch andere Realisierungen möglich.

Beispielsweise könnten auf die Oberflächenbereich 11a und 11b gleichzeitig Licht eingestrahlt werden. Sei es, indem eine zweite Lichtquelle eingesetzt wird, oder dass das Licht der Lichtquelle 7 aufgeweitet wird.

Beispielsweise könnte der Grünkörper 5 auch relativ zu dem Lichtkegel 9 kontinuierlich bewegt werden. Dann könnte der Grünkörper 5 relativ betrachtet in den Lichtkegel 9 hineinbewegt werden und damit nach einer gewissen Zeit im Oberflächenbereich 11a ausgeleuchtet sein. Während die relative Bewegung anhält, könnte der Grünkörper 5 nach einer gewissen Zeit im Oberflächenbereich 11b ausgeleuchtet sein und anschließend könnte der Grünkörper 5 wieder relativ betrachtet aus dem Lichtkegel 9 herausbewegt werden.

Figur 3 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, bei welcher ein keramisches Material 5 in Folienform relativ zur Beleuchtung bewegt wird. Insbesondere kann das keramische Material 5 in Form eines Endlosbandes verwendet werden, wobei das keramische Material 5 auch ein Schichtverbund sein kann.

Auf einer oder zwei Seiten können Lichtquellen 13 gleicher oder (wie in Fig. 3 vorgesehen) verschiedener Art installiert sein. Das Licht wird durch für die jeweilige Lichtquelle 13 geeignete Optiken 15 auf das keramische Material 5 gelenkt. Dabei sind in Fig. 3 der Strahlengang 17 sowie die beleuchtete Zone 19 schematisch skizziert.

Das Temperaturprofil wird dabei durch die Ausformung der jeweils beleuchteten Zone 19, die zeitliche Variation der Intensität und durch die relative Bewegung des Strahlengangs 17 bzw. der Lichtquelle 13 und dem keramischen Material individuell kontrolliert. Weiterhin kann das Temperaturprofil durch den Einsatz von mehreren beleuchteten Zonen, welche auch überlappend eingesetzt werden können, optimiert werden.

Figur 4 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines keramischen Produkts mit einem Korngrößengradienten. Auf der linken Seite sind große Korngrößen mit einem Durchmesser im Bereich von 100 pm zu erkennen. Auf der rechten Seite sind deutlich kleinere Korngrößen zu erkennen. Der Skalenbalken beträgt ca. 250 pm.

Die Figuren 5 und 6 zeigen elektronenmikroskopische Aufnahmen eines keramischen Produkts mit einem stufenartigen Dichtegradienten. Unter einer dichten Oberflächenschicht befindet sich ein poröses Volumen. Der Skalenbalken beträgt 100 pm in Figur 5 und 50 pm in Figur 6.

Figur 7 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines keramischen Produkts bei welchem nur die Oberfläche behandelt wurde welches eine Vorstufe zum Keramischen Produkt in Figur 5 und 6 darstellt. Es ist eine Bruchfläche gezeigt. Hier wird deutlich, dass die Körner der dichten Schicht sich durch die gesamte Schichtdicke erstrecken.

Figur 8 zeigt eine Quantifizierung der Textur von Titandioxid, welches auch in Figur 5 und 6 dargestellt ist. Es wird die Wahrscheinlichkeit dargestellt mit welcher die Kristall Struktur der Körner in einer bestimmten Richtung orientiert ist. In Zentrum des Kreises liegt die 100 Richtung. An den Rändern des Kreises ist die Orientierung 90° verschieden von der 100 Richtung wobei zwei orthogonale Richtungen A1 und A2 eingezeichnet sind. Die Schwarzen Linien grenzen jeweils Bereiche ab in welchen eine gewisse Orientierungswahrscheinlichkeit vorliegt. Die Linien stehen jeweils für Zahlenwerte von vielfachen einer statistischen Wahrscheinlichkeit (Englisch: „times random“). Von außen nach innen betragen die Werte für die Linien 0,71 ; 1 ; 1 ,41; 2; 2,83 und 4.

Figur 9 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines keramischen Produkts hergestellt aus zwei keramischen Ausgangsmaterialien. Eine scharfe Abgrenzung ist erkennbar. Der Skalenbalken beträgt 5 pm.

Figur 10 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Vielschichtkondensators hergestellt mit dem Verfahren der Erfindung. Zwischen keramischen Anteilen sind metallische Leiterstrukturen zu erkennen. Der Skalenbalken beträgt 200 pm.

Die Figuren 11 und 12 zeigen Temperatur-Zeit-Kurven der Herstellung eines keramischen Produkts mit dem Verfahren der Erfindung. Mit der zur Messung der Temperatur verwendeten Anordnung bestehend aus einem Pyrometer für den Temperaurbereich von 500 °C bis 3000 °C konnten keine Temperaturen unterhalb von 500°C detektiert werden. In den Kurven ist daher für Temperaturen von < 500°C stets ein Wert von 500°C gezeigt.

Die in der vorangehenden Beschreibung, in den Ansprüchen und in den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination wesentlich für die Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen sein.

Fig. 13 zeigt eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.

Die Vorrichtung weist eine Stromversorgung, einen Energiezwischenspeicher,

Regelungstechnik und eine Wasserkühlung auf, welche in einer Umhausung 21 untergebracht werden können. Diese kann mit Kabeln und Schläuchen an eine weiteren lichtabschirmenden Umhausung 25 angeschlossen sein in welcher sich Leuchtdioden und das Keramische Material befinden.

Die Leuchtdioden 27 sind möglichst dicht angeordnet und zusätzlich zur Stromversorgung mit einer wassergekühlten thermischen Senke verbunden. Die Anordnung der Leuchtdioden 27 ist über einer Vorrichtung zum einfachen Wechseln des keramischen Materials 29 angebracht. Diese besteht aus einer wechselbaren Isolierung 31 auf welcher das keramische Material 33 aufgelegt werden kann.

Die Umhausung 25 kann über eine Kühlung 35 durch beispielsweise einen Ventilator verfügen. Weiterhin kann die Vorrichtung über ein Pyrometer 37 verfügen, welches die Temperatur der Oberfläche der Keramik auslesen kann.

Fig. 14 zeigt eine geeignete Transmissionsmikroskopieaufnahme von erfindungsgemäß hergestelltem T1O2 mit Nanoporen wie in Beispiel 8 beschrieben. Nanoporen 39 und 41 sind darauf beispielhaft markiert. Eine Nanopore 39 kann sich über die gesamte beobachtete Probendicke erstrecken. Alternativ kann eine Nanopore 41 auch nur einen Teil der Probendicke ausmachen. Der Skalenbalken beträgt 2 pm.

Fig. 15 zeigt eine Hysteresekurve der Polarisation in Abhängigkeit des elektrischen Feldes für das erfindungsgemäße keramische Produkt 43, in diesem Fall BaTiOs, und einer Referenzprobe 45, ebenfalls BaTiOs.

Fig. 16 zeigt eine Hysteresekurve der Dehnung in Abhängigkeit des elektrischen Feldes für das erfindungsgemäße keramische Produkt 43, in diesem Fall BaTiOs, und einer Referenzprobe 45, ebenfalls BaTiOs.

Figur 17 zeigt eine Rasterkraftmikroskopaufnahme im Piezomodus einer erfindungsgemäßen Keramik welche ohne Auslagerungsschritt hergestellt wurde. Die Länge einer Seite der quadratischen Bilder beträgt 10 pm. Der Kontrast wird durch die Auslenkung einer leitfähigen Rastkraftmikroskopspitze erzeugt. Durch das Anlegen von Wechselspannung wird der inverse piezoelektrische Effekt genutzt, um die Domänenstruktur abzubilden.

Fig. 18 zeigt eine Rasterkraftmikroskopaufnahme im Piezomodus einer erfindungsgemäßen BaTiOs Keramik nach einem Auslagerungsschritt.

Fig. 19 zeigt ähnlich zu Fig. 16 eine Hysteresekurve der Dehnung in Abhängigkeit des elektrischen Feldes für das erfindungsgemäße keramische Produkt, in diesem Fall BaTiOs, ohne Auslagerungsschritt 51 sowie nach einem Auslagerungsschritt 55 und einer Referenzprobe 53, ebenfalls BaTiOs.

Fig. 20 Zeigt eine Transmissionselektronenmikroskopaufnahme einer erfindungsgemäßen BaTiOs Keramik wie in Beispiel 9 beschrieben. Es sind sowohl Nanoporosität als auch Domänen zu erkennen. Bezuqszeichenliste

1 Vorrichtung

3 Aufnahme

5 Keramisches Material

7 Lichtquelle

9 Licht

11a, 11b Oberflächenbereich

13 Lichtquelle

15 Optik

17 Strahlengang

19 Beleuchtete Zone

21 Umhausung für Stromversorgung, Energiezwischenspeicher, Regelungstechnik und Wasserkühlung.

23 Verbindung für Kabel und Schläuche

25 Lichtabschirmende Umhausung

27 Anordnung von Leuchtdioden mit wassergekühlter thermischer Senke

29 Vorrichtung zum einfachen Wechseln des Keramischen Materials und Isolierung

31 Wechselbare Isolierung

33 Keramisches Material

35 Kühlung

37 Pyrometer

39, 41 Nanoporen

43 Polarisation lichtgesinterte Probe Polarisation Referenzprobe Dehnung lichtgesinterte Probe Dehnung Referenzprobe Dehnung vor Auslagern Dehnung Referenz

Dehnung nach Auslagern

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Keramiken, das Verfahren aufweisend:

Einstrahlen von Licht auf ein keramisches Ausgangsmaterial, um dieses zumindest bereichsweise aufzuwärmen und dadurch ein keramisches Produkt zu erzeugen, wobei das Einstrahlen von Licht gleichzeitig auf einer Fläche von mindestens 0,1 mm² und/oder auf mehr als 20% der Fläche des keramischen Ausgangsmaterials erfolgt, und wobei die Leistungsdichte des eingestrahlten Lichtes weniger als 800 W/cm² beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das bereichsweise Aufwärmen des keramischen Ausgangsmaterials mit einer Heizrate von (a) 1 K / s oder mehr, vorzugsweise von 10 K / s oder mehr, vorzugsweise von 100 K / s oder mehr, vorzugsweise von 1000 K / s oder mehr, (b) 10000 K/s oder weniger, vorzugsweise 5000 K/s oder weniger, vorzugsweise 1000 K/s oder weniger, und/oder (c) zwischen 10 und 5000 K/s, vorzugsweise zwischen 100 und 2000 K/s, vorzugsweise zwischen 100 und 1500 K/s, vorzugsweise zwischen 100 und 1000 K/s, erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das, insbesondere bereichsweise, Aufwärmen des keramischen Ausgangsmaterials durch das Einstrahlen von Licht für einen Zeitraum von (a) wenigstens 0,1 Sekunden, wenigstens 0,5 Sekunden, wenigstens 1 Sekunde, vorzugsweise von wenigstens 5 Sekunden, vorzugsweise von wenigstens 20 Sekunden, und/oder (b) maximal 10 Minuten, vorzugsweise maximal 8 Minuten, vorzugsweise maximal 5 Minuten, vorzugsweise maximal 3 Minuten, vorzugsweise maximal 1 Minute, vorzugsweise maximal 30 Sekunden, vorzugsweise maximal 10 Sekunden, vorzugsweise maximal 5 Sekunden, vorzugsweise maximal 3 Sekunden, vorzugsweise maximal 1 Sekunde, erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei lokal Versetzungen mit einer Dichte von 10⁵ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10⁶ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10⁷ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10⁸ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10⁹ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10¹⁰ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10¹¹ / cm², erzeugt werden.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,

(i) wobei sich die lokal erzeugten Versetzungen innerhalb des durch das Licht erwärmten Bereichs des keramischen Materials befinden;

(ii) wobei die Leistungsdichte des eingestrahlten Lichtes (a) zwischen 1 W/cm² und 750 W/cm², weiter bevorzugt zwischen 25 W/cm² und 175 W/cm² liegt, und/oder (b) einen definierten oder definierbaren Zielwert mit einer Genauigkeit von besser als 5% in weniger als 5 Sekunden, bevorzugt von besser als 2% in weniger als 2 Sekunden, weiter bevorzugt besser als 1 % in weniger als 0,5 Sekunden, erreicht und danach stabilisiert wird; und/oder

(iii) wobei die Leistungsdichte und/oder das Temperaturprofil frei gestaltet werden kann bzw. können.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das keramische Ausgangsmaterial zumindest einen keramischen Schichtverbund, zumindest ein keramisches Kompositmaterial und/oder zumindest ein keramisches Pulver aufweist, und/oder in Form einer Folie, eines Endlosbands, eines, vorzugsweise quaderförmigen, Presslings und/oder als Festkörper bereitgestellt wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,

(i) wobei die Dicke des keramischen Ausgangsmaterial zwischen 0,00005 mm und 20 mm, vorzugsweise zwischen 0,001 mm und 10 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 4,0 mm beträgt;

(ii) wobei das keramische Ausgangsmaterial SrTiCh, und/oder T1O2 als Material aufweist oder daraus besteht und/oder wobei das keramische Produkt eine keramische Membran aufweist oder darstellt; und/oder

(iii) wobei das keramische Ausgangsmaterial eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweist:

(a) Ein beliebiges keramisches Material, insbesondere ein nichtmetallisch anorganisches Material mit kristallinem Aufbau; (b) Eine Keramik mit Perowskitstruktur, Spinellstruktur, Zinkblendestruktur, Wurzitstruktur, Natrium Chlorid Struktur, oder Fluoridstruktur;

(d) Ein beliebiges Metall; oder/und

(g) Ein oder mehrere Materialien aus der Gruppe aufweisen: Silikatfasern, Borosilikatglas und Borsilizid.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei durch das Licht wenigstens eine Oberfläche, insbesondere Seitenfläche, vorzugsweise Hauptseitenfläche, des keramischen Ausgangsmaterials, vorzugsweise vollständig oder teilweise, ausgeleuchtet wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,

(i) wobei das Licht parallel und/oder sequentiell, insbesondere unter relativer, vorzugsweise kontinuierlicher, Verschiebung des keramischen Materials relativ zu dem einfallenden Licht, auf mehrere Bereiche, insbesondere Oberflächenbereiche, des keramischen Ausgangsmaterials eingestrahlt wird, um dadurch parallel bzw. sequentiell an mehreren lokalen Orten Versetzungen im keramischen Produkt zu erzeugen; (ii) wobei die durch die Bestrahlung in einer aufgeheizten Zone eine definierte Geometrie, insbesondere mit einer großen Fläche, erzeugt wird, welche quadratisch ist oder vom Anwender in ihrer Form frei wählbar ausgestaltet werden kann;

(iii) wobei die Bestrahlung mit einer Verzögerung von weniger als 10 Sekunden bevorzugt in weniger als 1 Sekunde, weiter bevorzugt in weniger als 0,1 Sekunde, bevorzugt von weniger als 0,01 Sekunde, weiter bevorzugt von weniger als 1 Millisekunde, noch weiter bevorzugt von weniger als 0,1 Millisekunde um mehr als 90% reduziert wird, und/oder wobei durch das Abschalten der Bestrahlung eine Abkühlrate von mehr als 10 K/s, weiter bevorzugt von mehr als 50 K/s, noch weiter bevorzugt von mehr als 200K/S erreicht wird; und/oder

(iv) wobei das Temperaturprofil lokal oder/und zeitlich variierend kontrolliert werden kann.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Licht

(i) Wellenlängen im sichtbaren Wellenlängenbereich oder im nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich, insbesondere im UV-Bereich oder sichtbaren Bereich, aufweist, vorzugsweise ausschließlich solche aufweist,

(ii) Wellenlängen im Bereich von 200 bis 700 nm aufweist, vorzugsweise ausschließlich solche aufweist,

(iii) Von zumindest einer Lichtquelle, insbesondere aufweisend zumindest eine Leuchtdiode, zumindest einen Laser, Xe-Blitzlampe, zumindest eine Halogenlampen, zumindest eine UV-Lampe, zumindest einen Mitteldruck-UV- Strahler und/oder zumindest eine Metalldampflampe, zumindest einen Infrarotstrahler, ausgestrahlt wird,

(iv) von einer Optik auf das keramische Ausgangsmaterial gelenkt und/oder, vorzugsweise auf den aufzuwärmenden Bereich, fokussiert wird, und/oder

(v) das keramische Ausgangsmaterial an der Oberfläche und/oder innerhalb eines an die Oberfläche angrenzenden Volumenbereichs erwärmt.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im keramischen Ausgangsmaterial und/oder im keramischen Produkt eine Temperatur von mindestens 1800°C erreicht wird.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren zusätzlich ein weiteres Einstrahlen von Licht umfasst, wobei das weitere Einstrahlen von Licht mit einer Leistungsdichte von mindestens 1500 W/cm² und einer Zeitdauer von maximal 50 ms erfolgt.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren einen Auslagerungsschritt umfasst, bei dem das keramische Produkt bei einer Temperatur in einem Bereich von 300 °C bis 1000 °C für einen Zeitraum von mindestens 10 s gehalten wird.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abkühlrate im Temperaturbereich von 800°C bis 100°C über eine Spanne von mindestens 100 K höchstens 1 Kelvin pro Sekunde beträgt.

15. Vorrichtung, insbesondere (i) zur Herstellung von Keramiken (mit oder ohne Versetzungen), (ii) zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und/oder (iii) die dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auszuführen, die Vorrichtung aufweisend zumindest eine Aufnahme zum Aufnehmen eines keramischen Ausgangsmaterial und zumindest eine Lichtquelle zum Einstrahlen von Licht auf das in der Aufnahme aufgenommene oder aufnehmbare keramische Ausgangsmaterial, wobei vorzugsweise die Vorrichtung dazu eingerichtet ist das Licht auf das keramische Ausgangsmaterial einzustrahlen, um dieses zumindest bereichsweise aufzuwärmen und dadurch ein keramisches Produkt zu erzeugen, und wobei die Aufnahme eine Isolierung aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Isolierung bei 1400°C höchstens 10 W/(m*K) beträgt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 und 16, a. bei der Leichtdioden auf einer thermischen Senke montiert und optional mit Mikrolinsen und/oder Linsen versehen sind, insbesondere um ein Keramisches Material in einer handlichen Umhausung zu beleuchten, welche die Umgebung vor dem verwendeten Licht schützt, b. bei welcher die Lichtleistung mindestens 5 W/cm² erreichen kann, c. bei welcher der Bearbeitungsraum modular gestaltet ist und/oder über eine wechselbare Isolierung verfügt und/oder die Temperatur durch ein Pyrometer ausgelesen werden kann und/oder die Lichtquellen durch eine Quarzglasscheibe vom keramischen Material getrennt sind, d. wobei ein Energiezwischenspeicher Lichtleistungen von größer 3 kW ermöglicht obwohl die elektrische Anschlussleistung kleiner als 3,6 kW beträgt, und/oder e. wobei ergänzend oder alternativ zur Anordnung von Leuchtdioden ein Laserdiodenstapel zum Einsatz kommt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Isolierung in Form einer Wolle, eines Netzes und/oder einer Folie vorliegt.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Isolierung ein Material umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ein oder mehreren Edelmetallen, Blähgraphit, Aluminiumoxid und Kombinationen von zwei oder mehr davon.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die Isolierung eine Dicke in einem Bereich von 0,25 bis 5,0 cm aufweist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei die Isolierung einen Gasfilm umfasst.

22. Keramisches Produkt, insbesondere hergestellt und/oder herstellbar mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und/oder mit der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21.

23. Keramisches Produkt nach Anspruch 22,

(i) wobei die Dicke des keramischen Produkts zwischen 0,0005 mm und 20 mm beträgt, wobei das keramische Produkt eine keramische Membran aufweist oder darstellt und/oder wobei das keramische Produkt SrTi0₃, und/oder T1O2 als Material aufweist oder daraus besteht;

(ii) wobei das keramische Produkt eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweist: (a) Ein beliebiges keramisches Material, insbesondere ein nichtmetallisch anorganisches Material mit kristallinem Aufbau;

(d) Ein beliebiges Metall; oder/und

(e) Ein oder mehrere Materialien aus der Gruppe aufweisend: Silber, Lithium, Palladium, Platin, Gold, Nickel, Titan, Aluminium, Kupfer, Eisen, Niob, Chrom, Vanadium, Iridium, Tantal, Osmium, Rhenium, Molybdän, Wolfram, Magnesium oder eine Legierung aus mehreren dieser Metalle;

(g) Silikatfasern, Borosilikatglas und Borsilizid.

(iii) wobei das keramische Produkt zumindest lokal Versetzungen mit einer Dichte von 10⁵ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10⁶ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10⁷ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10⁸ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10⁹ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10¹⁰ / cm² oder mehr, vorzugsweise von 10¹¹ / cm², aufweist; und/oder

(iv) wobei das keramische Produkt einen Korngrößengradienten, eine Texturierung, eine hohe Temperaturbeständigkeit, oder/und homogene Materialeigenschaften aufweist.

24. Keramisches Produkt nach einem der Ansprüche 22 und 23, a. wobei sich die Korngröße um mehr als einen Faktor fünf in weniger als 50 pm in einer Richtung ändert und wobei die Korngröße um weniger als einen Faktor zwei einer orthogonalen Richtung variiert, b. wobei die Porosität in weniger als 5 pm von kleiner als 5%, insbesondere keiner offenen Porosität, zu größer als 15%, insbesondere mit offener, perkolierender Porosität übergeht, und/oder c. wobei mehr als 15% der Körner mit einer Abweichung von weniger als 15° von einer Vorzugsachse ausgerichtet sind.

25. Keramisches Produkt nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei das Produkt ein Schichtverbund mit mehreren Lagen darstellt.

26. Keramisches Produkt nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei das keramische Produkt eine derartige Porosität aufweist, dass in einer

Transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahme auf einer Fläche von 100 pm² mindestens 4 Nanoporen vorhanden sind.

27. Keramisches Produkt nach einem der Ansprüche 22 bis 26, wobei die Sättigungspolarisation des keramischen Produkts die Sättigungspolarisation eines konventionell gesinterten keramischen Produkts derselben Zusammensetzung um mindestens 10% übersteigt.

28. Keramisches Produkt nach einem der Ansprüche 22 bis 27, wobei die Koerzitivfeldstärke des keramischen Produkts höchstens 50% der Koerzitivfeldstärke eines konventionell gesinterten keramischen Produkts derselben Zusammensetzung beträgt.

29. Keramisches Produkt nach einem der Ansprüche 22 bis 28, wobei die Dehnung des keramischen Produkts die Dehnung eines konventionell gesinterten keramischen Produkts derselben Zusammensetzung um mindestens 15% übersteigt.