WO2009030546A1 - Verfahren zur herstellung von porösen keramiken - Google Patents

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WO2009030546A1
WO2009030546A1 PCT/EP2008/058812 EP2008058812W WO2009030546A1 WO 2009030546 A1 WO2009030546 A1 WO 2009030546A1 EP 2008058812 W EP2008058812 W EP 2008058812W WO 2009030546 A1 WO2009030546 A1 WO 2009030546A1
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fibers
particles
composition
ceramic
base material
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PCT/EP2008/058812
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Ulrich Sauter
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Robert Bosch Gmbh
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/06—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances
    • C04B38/063—Preparing or treating the raw materials individually or as batches
    • C04B38/0635—Compounding ingredients
    • C04B38/0645—Burnable, meltable, sublimable materials
    • C04B38/068—Carbonaceous materials, e.g. coal, carbon, graphite, hydrocarbons
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/02—Details
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing porous ceramics, ceramics produced by this method and their use.
  • Porous ceramics are often made by sintering mixtures of ceramic particles and combustible particles.
  • a paste is used consisting of organic binders and solvents, scaffold particles and Porenbildnerpumblen.
  • Scaffold particles are usually ceramics such as ZrO 2 or Al 2 O 3 .
  • a pore former materials are often used which burns at temperatures below the sintering temperature of the scaffold particles in air.
  • Suitable pore formers are, for example, elemental carbon and plastics.
  • Binding agent and solvent whereby a porous system of a ceramic scaffold and the previously occupied by the pore-forming, binding and solvent cavities formed.
  • the inventive method for producing porous ceramics, according to claim 1 has the advantage that by this method, for example by the use of fibers of suitable length and defined diameter, porous ceramics with low porosities, arbitrarily adjustable pore size and directed pores can be produced.
  • Figure 1a is a schematic cross section through a composition of the invention applied to a substrate, a ceramic base material, a binder and / or solvent, and combustible fibers, the fibers being electrically and / or magnetically polarizable or polarized prior to alignment of the fibers by applying an electric and / or magnetic field;
  • FIG. 1b is a schematic cross-section through the inventive composition of FIG. 1a applied to a substrate after aligning the fibers by applying an electric and / or magnetic field;
  • FIG. 1b is a schematic cross-section through the inventive composition of FIG. 1a applied to a substrate after aligning the fibers by applying an electric and / or magnetic field;
  • FIG. 1b is a schematic cross-section through the inventive composition of FIG. 1a applied to a substrate after aligning the fibers by applying an electric and / or magnetic field;
  • Fig. Ic is an enlargement of a detail of Fig. Ib.
  • Fig. 1 d is a schematic cross section through a porous ceramic produced according to the invention.
  • FIGS. 1a to id illustrate the production of a porous ceramic with arbitrarily low porosity and arbitrarily adjustable pore size by the method according to the invention.
  • FIG. 1 a shows a pasty one provided in a first process step according to the invention
  • Composition 1 which comprises a ceramic base material 3 (for example aluminum oxide and / or zirconium oxide), a binder and / or solvent 4 and combustible fibers 2 (for example carbon fibers), wherein the fibers 2 are electrically and / or magnetically polarizable or polarized.
  • This composition 1 is arranged on a temperature-stable substrate 5 (for example a ceramic carrier material).
  • a temperature-stable substrate 5 for example a ceramic carrier material.
  • the fibers 2 are randomly distributed in the composition 1 and have no special orientation.
  • the fibers 2 in the context of the present invention may have an average fiber length which is slightly longer than the thickness d of the porous ceramic to be produced. In this way it can be ensured that the ceramic produced by the process according to the invention has pores 8 (see FIG. 1 d) which extend continuously over the entire thickness d of the porous ceramic to be produced.
  • the term "particles" is understood as meaning both substantially spherical particles and, for example, ellipsoidal / elongated particles having a permanent electrical and / or magnetic dipole moment or an inducible electrical and / or magnetic dipole moment.
  • FIG. 1 b shows that the pasty composition 1 provided in the first method step is introduced into a strong electric and / or magnetic field in a second method step.
  • the composition 1 can for this purpose be introduced between two electrodes and / or between the two poles of a magnet. Since the fibers 2 have a permanent or induced electrical and / or magnetic dipole moment, the fibers 2 align themselves in the electric and / or magnetic field. The direction in which the pores 8 are to be present in the ceramic after sintering can therefore be adjusted in a targeted manner by aligning the electrical and / or magnetic field with respect to the composition.
  • the particles of the ceramic base material 3 are small.
  • the diameter of the ceramic base material particles 3 may be of the order of magnitude of the fiber diameter of the fibers 2 used, in particular less than or equal to the fiber diameter of the fibers 2 used.
  • FIG. 1c is an enlargement of the section indicated by a rectangle in FIG. 1b and illustrates the arrangement and orientation of the fibers 2 along the field lines of the electric and / or magnetic field.
  • the electrical and / or magnetic field may also be maintained during the subsequent sintering process in which the ceramic base material 3 is solidified and the fibers 2 are burned.
  • FIG. 1 d shows the porous ceramic produced from the composition 1 shown in FIGS. 1 a, 1 b and 1 c, by sintering the composition 1 in a third method step.
  • FIG. 1 d illustrates that the porous ceramic has directed, continuous pores 8 at the locations where fibers 2 which were still aligned prior to sintering have their pores 8
  • the porous ceramic produced according to the invention is permeable only in the direction which was predetermined in the manufacturing process by the applied electrical and / or magnetic field.
  • the present invention is a process for the preparation of porous ceramics comprising the process steps: providing a composition which
  • At least one ceramic base material and - comprises combustible fibers and / or particles, wherein the fibers and / or particles are electrically and / or magnetically polarizable or polarized;
  • the alignment of particles in the sense of the present invention can also be understood as the formation of aligned particle chains from a multiplicity of particles.
  • the present invention is based on the principle that align the fibers and / or particles in the electrical and / or magnetic field such that after completion of the alignment, the longitudinal axes of the fibers and / or particles or the particle chains formed by many particles in a predetermined by the electrical and / or magnetic field direction are aligned and formed during sintering of the composition directed pores of defined diameter.
  • a porous ceramic produced according to the invention is permeable only in the direction predetermined by the applied electric and / or magnetic field.
  • composition of the invention may further comprise at least one organic binder and / or solvent.
  • the composition can be provided by first distributing the fibers and / or particles in the ceramic base material and then mixing the resulting mixture with the organic binder and / or solvent. Such a procedure has been found to be advantageous, as a result, a homogeneous distribution of the fibers and / or particles in the Composition can be guaranteed.
  • the distribution of the fibers in the ceramic base material and / or the organic binder and / or solvent can be carried out in the context of the present invention by mechanical shearing and / or ultrasound.
  • the applied electric and / or magnetic field is maintained during sintering of the composition.
  • the composition is applied to a temperature-stable, for example ceramic and / or smooth, substrate before the orientation of the fibers and / or particles, for example by screen printing.
  • a temperature-stable for example ceramic and / or smooth, substrate before the orientation of the fibers and / or particles, for example by screen printing.
  • the orientation of the fiber and / or particles through the electrical and / or magnetic field is dependent on the viscosity of the composition, the strength of the electric and / or magnetic field, the length of the period over which the electric and / or magnetic field is applied , the average particle diameter, the average fiber diameter and the average fiber length.
  • these parameters are therefore set such that the alignment of the fibers and / or particles in the matrix material can be ensured.
  • the kinetics of the orientation of the fibers and / or particles in the electrical and / or magnetic field can be improved by the simultaneous application of ultrasound.
  • this is done Providing the composition and / or the alignment of the fibers and / or particles in the composition therefore upon exposure to the composition of ultrasound.
  • the viscosity of the composition is adjusted so that alignment of the fibers and / or particles in the electrical and / or magnetic field and / or the application of the composition to a substrate can be ensured by screen printing.
  • the viscosity of the composition at 25 ° C. may be, for example, ⁇ 200,000 mPas, in particular ⁇ 100,000 mPas and / or> 5,000 mPas, in particular> 20,000 mPas.
  • the electric field can have an electric field strength of> 0.1 kV / cm to ⁇ 5 kV / cm, in particular from> 1 kV / cm to ⁇ 5 kV / cm.
  • the electric field can be both a DC voltage field and an AC voltage field.
  • the use of a DC field may cause the fibers and / or particles to move towards one or both poles of the electric field during alignment, resulting in inhomogeneous distribution of the fibers and / or Particles can cause.
  • an alternating voltage field can be applied in the context of the present invention.
  • the frequency of the alternating voltage field may be in a range from> 0.05 kHz to ⁇ 1 kHz.
  • the magnetic flux density of the magnetic field may be in a range of> 0.1 Tesla to ⁇ 30 Tesla, for example> 0.5 Tesla to ⁇ 10 Tesla, in particular> 1 Tesla to ⁇ 5 Tesla.
  • Orientation of the fibers and / or particles applied is from> 0.5 min to ⁇ 120 min, for example from> 0.5 min to ⁇ 60 min, in particular from> 1 min to ⁇ 30 min.
  • Ceramic base material comprises zirconium oxide and / or aluminum oxide and / or magnesium oxide and / or titanium dioxide and / or silicon carbide and / or boron carbide and / or silicon nitride and / or aluminum nitride and / or boron nitride.
  • the ceramic base material particles Preferably, in the present invention, have an average diameter that is less than or equal to the average diameter of the fibers.
  • Suitable binders and / or solvents in the context of the present invention are, for example, polyvinyl butyrate (PVB) and / or butylcarbitol.
  • the temperature at which both the Keramikbasismatetrial solidified according to the invention and the fibers and / or particles are burned, can in the context of the present
  • the fibers and / or particles which can be used according to the invention are not limited in terms of their type, their diameter and their fiber length ,
  • the average fiber diameter may in the context of the present invention in a range of> 0.1 microns to ⁇ 30 microns, for example from> 0.5 microns to ⁇ 10 microns, in particular of
  • the usable fibers may have an average fiber length which is> 1% to ⁇ 10% greater than the thickness d of the porous ceramic to be produced.
  • Fibers usable in the process according to the invention can be electrically and / or magnetically polarizable along their fiber axis or have a permanent electrical and / or magnetic dipole moment along their fiber axis.
  • fibers which are electrically conductive and / or diamagnetic for example plastic fibers and / or in particular carbon fibers, can be used.
  • fibers can be used which are electrically polarized along its fiber axis and / or ferromagnetic.
  • fibers in the form of whiskers, spirals, tubes or a mixture thereof can be used in the present invention.
  • carbon fibers such as pitch, polyacrylonitrile (PAN), and / or viscose / rayon-based carbon fibers, and / or plastic fibers may be used as fibers in the process of the present invention.
  • PAN polyacrylonitrile
  • the pore density and size of the porous ceramic produced by the process according to the invention can be determined via the fiber fraction of the composition and the fiber diameter and the fiber length of the fibers used.
  • electrically conductive particles are in the context of the present invention, for example, soot particles.
  • Another object of the present invention is a produced by the inventive method, in particular porous, ceramic.
  • a ceramic produced according to the invention in a sensor in particular a lambda probe and / or a particle sensor, and / or in a fuel cell is the subject of the present invention.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von porösen Keramiken umfassend die Verfahrensschritte: Bereitstellen einer Zusammensetzung (1), die mindestens ein Keramikbasismaterial (3) und verbrennbare Fasern (2) und/oder Partikel umfasst, wobei die Fasern (2) und/oder Partikel elektrisch und/oder magnetisch polarisierbar oder polarisiert sind; Ausrichten der Fasern (2) und/oder Partikel in der Zusammensetzung (1) durch Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes; und Sintern der ausgerichtete Fasern (2) und/oder Partikel umfassenden Zusammensetzung (1) bei einer Temperatur, bei der sich das Keramikbasismaterial (3) verfestigt und die Fasern (2) und/oder Partikel verbrannt werden, sowie durch dieses Verfahren hergestellte Keramiken und deren Verwendung.

Description

Titel
Verfahren zur Herstellung von porösen Keramiken
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von porösen Keramiken, durch dieses Verfahren hergestellte Keramiken und deren Verwendung.
Stand der Technik
Poröse Keramiken werden häufig durch Sintern von Mischungen aus Keramikpartikeln und brennbaren Partikeln hergestellt. Dabei wird eine Paste bestehend aus organischen Binde- und Lösemitteln, Stützgerüstpartikeln und Porenbildnerpartikeln verwendet. Bei den
Stützgerüstpartikeln handelt es sich üblicherweise um Keramiken wie ZrO2 oder AI2O3. Als Porenbildner werden häufig Materialien eingesetzt, die bei Temperaturen unterhalb der Sintertemperatur der Stützgerüstpartikeln an Luft verbrennt. Als Porenbildner eignen sich beispielsweise elementarer Kohlenstoff und Kunststoffe. Während des Sintervorgangs verbrennen die in den Stützgerüst fein verteilt vorliegenden Porenbildnerpartikeln sowie die
Binde- und Lösemittel, wodurch ein poröses System aus einem keramischen Stützgerüst und den zuvor vom Porenbildner, Binde- und Lösemittel besetzten Hohlräumen entsteht.
Bei mittleren Volumenanteilen an Porenbildner bilden sich in Abhängigkeit der Partikelgrößenverteilungen von Stützgerüst und Porenbildner Porensysteme mit engeren oder weiteren jedoch meist zusammenhängenden Poren aus. Eine Verringerung der Volumenanteile an Porenbildner führen zu einer steigenden Zahl von isolierten Porenbereichen. Unterhalb eines kritischen Volumenanteils an Porenbildner existieren keine zusammenhängenden Poren, die sich durch das gesamte Poröse Material ziehen. Auf diese herkömmliche Weise lassen sich folglich keine durchlässigen porösen Materialien mit geringer Porosität, das heißt einem niedrigen Volumenverhältnis des Porenvolumens zum Gesamtvolumen, erzeugen.
Darüber hinaus hängen bei den herkömmlichen Herstellungsverfahren von porösen Materialien
- auch bei einem konstanten Volumenverhältnis von Stützgerüstpartikeln zu Porenbildnerpartikeln - sowohl die Porosität als auch die Porengrößenverteilung von der Partikelgrößenverteilung der Mischung ab.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von porösen Keramiken, nach Anspruch 1 hat den Vorteil, dass durch dieses Verfahren, beispielsweise durch die Verwendung von Fasern angepasster Länge und definierten Durchmessers, poröse Keramiken mit geringen Porositäten, beliebig einstellbarer Porengröße und gerichteten Poren hergestellt werden können.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen zu entnehmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird durch die im Folgenden gezeigten und diskutierten Figuren und die nachfolgende Beschreibung genauer erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Fig. 1 a ist ein schematischer Querschnitt durch eine auf einem Substrat aufgebrachte erfindungsgemäße Zusammensetzung, ein Keramikbasismaterial, ein Binde- und/oder Lösemittel und verbrennbare Fasern umfasst, wobei die Fasern elektrisch und/oder magnetisch polarisierbar oder polarisiert sind, vor dem Ausrichten der Fasern durch Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes; Fig. Ib ist ein schematischer Querschnitt durch die auf einem Substrat aufgebrachte erfindungsgemäße Zusammensetzung aus Fig. 1 a, nach dem Ausrichten der Fasern durch Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes;
Fig. Ic ist eine Vergrößerung eines Ausschnitts aus Fig. Ib; und
Fig. 1 d ist ein schematischer Querschnitt durch eine erfindungsgemäß hergestellte poröse Keramik.
Beschreibung der Abbildung
Die Figuren Ia bis Id veranschaulichen die Herstellung einer porösen Keramik mit beliebig geringer Porosität und beliebig einstellbarer Porengröße durch das erfindungsgemäße Verfahren.
Figur 1 a zeigt eine in einem ersten erfindungsgemäßen Verfahrenschritt bereitgestellte, pastöse
Zusammensetzung 1, die ein Keramikbasismaterial 3 (beispielsweise Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumoxid), ein Binde- und/oder Lösemittel 4 und verbrennbare Fasern 2 (beispielsweise Kohlenstofffasern) umfasst, wobei die Fasern 2 elektrisch und/oder magnetisch polarisierbar oder polarisiert sind. Diese Zusammensetzung 1 ist auf einem temperaturstabilen Substrat 5 (beispielsweise einem keramischen Trägermaterial) angeordnet. Eine derartige Anordnung kann erfindungsgemäß durch das Auftragen der pastösen Zusammensetzung 1 auf das Substrat 5 mit Hilfe eines Siebdruckverfahrens gewährleistet werden. Wie Figur 1 a zeigt, liegen die Fasern 2 statistisch verteilt in der Zusammensetzung 1 vor und verfügen über keine spezielle Ausrichtung.
Insofern die Ausrichtung der Fasern 2 im elektrischen und/oder magnetischen Feld nicht beeinträchtigt wird, können die Fasern 2 im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine durchschnittliche Faserlänge aufweisen, die etwas länger als die Dicke d der herzustellenden porösen Keramik ist. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Keramik über Poren 8 (siehe Fig. 1 d) verfügt, welche sich durchgängig über die gesamte Dicke d der herzustellenden porösen Keramik erstrecken. Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch ebenso möglich derartige durchgängige Poren 8 unter Verwendung von verbrennbaren, elektrisch und/oder magnetisch polarisierbaren oder polarisierten Partikeln und/oder Fasern 2 mit einer Faserlänge < d zu erzeugen, da diese in einem elektrischen und/oder magnetischen Feld dazu neigen dem elektrischen und/oder magnetischen Feld entsprechend ausgerichtete Partikel- und/oder - A -
Faserketten auszubilden. Dabei werden im Sinn der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „Partikel" sowohl im Wesentlichen kugelförmige Partikel als auch, beispielsweise ellipsoide/längliche, Partikel mit einem permanenten elektrischen und/oder magnetischen Dipolmoment oder einem induzierbaren elektrischen und/oder magnetischen Dipolmoment verstanden.
Figur Ib zeigt, dass die in dem ersten Verfahrenschritt bereitgestellte, pastöse Zusammensetzung 1, in einem zweiten Verfahrensschritt in ein starkes elektrisches und/oder magnetisches Feld eingebracht wird. Beispielsweise kann die Zusammensetzung 1 dafür zwischen zwei Elektroden und/oder zwischen den beiden Polen eines Magneten eingebracht werden. Da die Fasern 2 ein permanentes oder induziertes elektrisches und/oder magnetisches Dipolmoment aufweisen, richten sich die Fasern 2 im elektrischen und/oder magnetischen Feld aus. Die Richtung in der die Poren 8 nach dem Sintern in der Keramik vorliegen sollen, kann daher durch Ausrichten des elektrischen und/oder magnetischen Feldes bezüglich der Zusammensetzung gezielt eingestellt werden. Um das Ausrichten der Faser 2 zu vereinfachen, ist es von Vorteil, wenn die Partikel des Keramikbasismaterials 3 klein sind. Beispielsweise kann der Durchmesser der Keramikbasismaterialpartikel 3 im Rahmen der vorliegenden Erfindung in der Größenordnung wie der Faserdurchmesser der verwendeten Fasern 2 liegen, insbesondere kleiner oder gleich dem Faserdurchmesser der verwendeten Fasern 2.
Figur Ic ist eine Vergrößerung des in Fig. Ib durch ein Rechteck gekennzeichneten Ausschnitts und verdeutlicht die Anordnung und Ausrichtung der Fasern 2 entlang der Feldlinien des elektrischen und/oder magnetischen Feldes. Das elektrische und/oder magnetische Feld kann wahlweise auch während des folgenden Sintervorgangs, bei dem das Keramikbasismatetrial 3 verfestigt und die Fasern 2 verbrannt werden, aufrechterhalten werden.
Figur Id zeigt die aus der in Figur Ia, Ib und Ic gezeigten Zusammensetzung 1, durch Sintern der Zusammensetzung 1 in einem dritten Verfahrensschritt, hergestellte poröse Keramik. Figur 1 d veranschaulicht, dass die poröse Keramik an den Stellen, an denen sich vor dem Sintern noch ausgerichtete Fasern 2 befunden haben, über gerichtete, durchgängige Poren 8 verfügt, deren
Durchmesser in der Größenordnung des Durchmessers der während des Sinterns verbrannten Fasern 2 liegt. Wie Figur 1 d zeigt ist die erfindungsgemäß hergestellte poröse Keramik nur in der Richtung durchlässig, welche im Herstellungsprozess durch das angelegte elektrische und/oder magnetische Feld vorgegeben wurde. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von porösen Keramiken umfassend die Verfahrensschritte: Bereitstellen einer Zusammensetzung, die
- mindestens ein Keramikbasismaterial und - verbrennbare Fasern und/oder Partikel umfasst, wobei die Fasern und/oder Partikel elektrisch und/oder magnetisch polarisierbar oder polarisiert sind;
Ausrichten der Fasern und/oder Partikel in der Zusammensetzung durch Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes; und - Sintern der ausgerichtete Fasern und/oder Partikel umfassenden Zusammensetzung bei einer Temperatur, bei der sich das Keramikbasismatetrial verfestigt und die Fasern und/oder Partikel verbrannt werden.
Dabei kann unter dem Ausrichten von Partikeln im Sinn der vorliegenden Erfindung auch das Ausbilden von ausgerichteten Partikelketten aus einer Vielzahl von Partikeln verstanden werden.
Die vorliegende Erfindung beruht dabei auf dem Prinzip, dass sich die Fasern und/oder Partikel derart in dem elektrischen und/oder magnetischen Feld ausrichten, dass nach Abschluss des Ausrichtens die Längsachsen der Fasern und/oder Partikel bzw. die von vielen Partikeln gebildeten Partikelketten in eine vom elektrischen und/oder magnetischen Feld vorgegebene Richtung fluchten und beim Sintern der Zusammensetzung gerichtete Poren definierten Durchmessers entstehen. Vorteilhafterweise ist eine erfindungsgemäß hergestellte poröse Keramik daher nur in der durch das angelegte elektrische und/oder magnetische Feld vorgegebenen Richtung durchlässig.
Neben den Fasern und/oder Partikeln und dem mindestens einen Keramikbasismaterial, kann eine erfindungsgemäße Zusammensetzung weiterhin mindestens ein organisches Binde- und/oder Lösungsmittel umfassen.
Im Rahmen einer Ausführungsform der Erfindung kann die Zusammensetzung bereitgestellt werden, indem die Fasern und/oder Partikel zunächst in dem Keramikbasismaterial verteilt werden und die resultierende Mischung anschließend mit dem organischen Binde- und/oder Lösungsmittel vermischt wird. Eine derartige Vorgehensweise hat sich als vorteilhaft herausgestellt, da hierdurch eine homogene Verteilung der Fasern und/oder Partikel in der Zusammensetzung gewährleistet werden kann. Die Verteilung der Fasern in dem Keramikbasismaterial und/oder dem organischen Binde- und/oder Lösungsmittel kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch mechanische Scherung und/oder Ultraschall erfolgen.
Im Rahmen einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das angelegte elektrische und/oder magnetische Feld während des Sinterns der Zusammensetzung aufrechterhalten. Hierdurch können nachteilige Auswirkungen von Diffusions- und/oder Konvektionsvorgängen auf die Ausrichtung der Fasern und/oder Partikeln vermieden oder zumindest vermindert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Zusammensetzung vor dem Ausrichten der Fasern und/oder Partikel, beispielsweise durch Siebdruck, auf ein temperaturstabiles, beispielsweise keramisches und/oder glattes, Substrat aufgebracht. Durch eine derartige Vorgehensweise ist es vorteilhafterweise sowohl möglich eine poröse Keramik direkt auf einem für die spätere Verwendung gewünschten Trägermaterial herzustellen, als auch eine poröse Keramik ohne ein damit verbundenes Trägermaterial herzustellen. In sofern eine auf einem Trägermaterial angeordnete poröse Keramik hergestellt werden soll, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Zusammensetzung auf ein noch nicht gesintertes Trägermaterial aufzudrucken, welches sich nach dem Sintern - aufgrund von Sinterschrumpf - an die hergestellte poröse Keramik anpasst. Insofern es jedoch gewünscht ist eine poröse Keramik ohne ein damit verbundenes Trägermaterial herzustellen, ist es von Vorteil ein möglichst glattes und bei den Sintertemperaturen stabiles Substrat zu verwenden, welches es ermöglicht die hergestellte poröse Keramik nach dem Sintern davon zu entfernen.
Die Ausrichtung der Faser und/oder Partikel durch das elektrische und/oder magnetische Feld ist dabei abhängig von der Viskosität der Zusammensetzung, der Stärke des elektrischen und/oder magnetischen Feldes, der Länge des Zeitraums über den das elektrische und/oder magnetische Feld angelegt wird, dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser, dem durchschnittlichen Faserdurchmesser und der durchschnittlichen Faserlänge.
Zweckmäßigerweise werden diese Parameter daher derart eingestellt, dass das Ausrichten der Fasern und/oder Partikel in dem Matrixmaterial gewährleistet werden kann. Die Kinetik der Ausrichtung der Fasern und/oder Partikel im elektrischen und/oder magnetischen Feld kann durch gleichzeitiges Anlegen von Ultraschall verbessert werden. Vorzugsweise erfolgt das Bereitstellen der Zusammensetzung und/oder das Ausrichten der Fasern und/oder Partikel in der Zusammensetzung daher unter Einwirken von Ultraschall auf die Zusammensetzung.
Zweckmäßigerweise wird die Viskosität der Zusammensetzung derart eingestellt, dass eine Ausrichtung der Fasern und/oder Partikel im elektrischen und/oder magnetischen Feld und/oder das Auftragen der Zusammensetzung auf ein Substrat durch Siebdruck gewährleistet werden kann. Dabei kann die Viskosität der Zusammensetzung bei 25 0C beispielsweise < 200.000 mPa-s, insbesondere < 100.000 mPa-s und/oder > 5.000 mPa-s, insbesondere > 20.000 mPa-s betragen.
Das elektrische Feld kann eine elektrische Feldstärke von > 0, 1 kV/cm bis < 5 kV/cm, insbesondere von > 1 kV/cm bis < 5 kV/cm, aufweisen. Das elektrische Feld kann dabei sowohl ein Gleichspannungsfeld als auch ein Wechselspannungsfeld sein. Beim Einsatz von elektrisch geladenen Fasern und/oder Partikeln kann die Verwendung eines Gleichspannungsfeldes dazu führen, dass sich die Fasern und/oder Partikel während des Ausrichtens in Richtung auf einen oder beide Pole des elektrischen Feldes bewegen, was eine unhomogene Verteilung der Fasern und/oder Partikel nach sich ziehen kann. Um dies zu vermeiden, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein ein Wechselspannungsfeld angelegt werden. Dabei kann die Frequenz des Wechselspannungsfeldes in einem Bereich von > 0,05 kHz bis < 1 kHz_liegen.
Die magnetische Flussdichte des magnetischen Feldes kann in einem Bereich von > 0,1 Tesla bis < 30 Tesla, beispielsweise > 0,5 Tesla bis < 10 Tesla, insbesondere > 1 Tesla bis < 5 Tesla, liegen.
Weiterhin kann der Zeitraum über den das elektrische und/oder magnetische Feld zur
Ausrichtung der Fasern und/oder Partikel angelegt wird von > 0,5 min bis < 120 min, beispielsweise von > 0,5 min bis < 60 min, insbesondere von > 1 min bis < 30 min, betragen.
Grundsätzlich eignen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung alle Keramikbasismaterialien, die zu Keramiken verfestigt werden können. Beispielsweise kann das
Keramikbasismaterial Zirkoniumoxid und/oder Aluminiumoxid und/oder Magnesiumoxid und/oder Titandioxid und/oder Siliciumcarbid und/oder Borcarbid und/oder Siliciumnitrid und/oder Aluminiumnitrid und/oder Bornitrid umfassen. Vorzugsweise weisen die Keramikbasismaterialpartikel im Rahmen der vorliegenden Erfindung einen durchschnittlichen Durchmesser auf, der kleiner oder gleich dem durchschnittlichen Durchmesser der Fasern ist. Als Binde- und/oder Lösungsmittel eignen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise Polyvinylbutyrat (PVB) und/oder Butylcarbitol.
Die Temperatur, bei der sich erfindungsgemäß sowohl das Keramikbasismatetrial verfestigt als auch die Fasern und/oder Partikel verbrannt werden, kann im Rahmen der vorliegenden
Erfindung in einem Bereich von > 600 ° C bis < 2000° C, beispielsweise > 800 ° C bis
< 1600 0 C,.
Insofern gewährleistet ist, dass die Fasern und/oder Partikel in der Lage sind sich in der Zusammensetzung unter Einwirkung eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes auszurichten, sind die erfindungsgemäß einsetzbaren Fasern und/oder Partikel nicht bezüglich ihrer Art, ihres Durchmessers und ihrer Faserlänge beschränkt.
Der durchschnittliche Faserdurchmesser kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einem Bereich von > 0,1 μm bis < 30 μm, beispielsweise von > 0,5 μm bis < 10 μm, insbesondere von
> 1 μm bis < 5 μm, und die durchschnittliche Faserlänge in einem Bereich von > 5 μm bis
< 2 mm, beispielsweise von > 20 μm bis < 1000 μm, insbesondere von > 15 μm bis < 750 μm, liegen. Beispielsweise können die einsetzbaren Fasern im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine durchschnittliche Faserlänge aufweisen, die um > 1 % bis < 10 % größer als die Dicke d der herzustellenden porösen Keramik ist.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzbare Fasern können entlang ihrer Faserachse elektrisch und/oder magnetisch polarisierbar sein oder entlang ihrer Faserachse ein permanentes elektrisches und/oder magnetisches Dipolmoment aufweisen. Insbesondere können im Rahmen des vorliegenden Verfahrens Fasern, die elektrisch leitfähig und/oder diamagnetisch sind, beispielsweise Kunststofffasern und/oder insbesondere Kohlenstofffasern, eingesetzt werden. Darüber hinaus können Fasern eingesetzt werden, die entlang ihrer Faserachse elektrisch polarisiert und/oder ferromagnetisch sind. Weiterhin ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich Fasern mit einer elektrisch und/oder magnetisch polarisierbaren Beschichtung oder mit einer in Richtung der Faserachse elektrisch und/oder magnetisch polarisierten Beschichtung zu versehen.
Beispielsweise können im Rahmen der vorliegenden Erfindung Fasern in Form von Whiskern, Spiralen, Röhren oder einer Mischung davon eingesetzt werden. Beispielsweise können Kohlenstofffasern, wie Pech-, Polyacrylnitril-(PAN)-, und/oder Viskose/Rayon-basierte Kohlenstofffasern, und/oder Kunststofffasern als Fasern im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden. Vorteilhafterweise kann über den Fasernanteil der Zusammensetzung sowie den Faserdurchmesser und die Faserlänge der eingesetzten Fasern die Porendichte und -große der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten porösen Keramik festgelegt werden.
Als elektrisch leitfähige Partikel eignen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise Rußpartikel.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte, insbesondere poröse, Keramik. Darüber hinaus ist die Verwendung einer erfindungsgemäß hergestellten Keramik in einem Sensor, insbesondere einer Lambdasonde und/oder einem Partikelsensor, und/oder in einer Brennstoffzelle Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von porösen Keramiken umfassend die Verfahrensschritte:
- Bereitstellen einer Zusammensetzung (1), die
- mindestens ein Keramikbasismaterial (3) und - verbrennbare Fasern (2) und/oder Partikel umfasst, wobei die Fasern (2) und/oder Partikel elektrisch und/oder magnetisch polarisierbar oder polarisiert sind;
- Ausrichten der Fasern (2) und/oder Partikel in der Zusammensetzung (1) durch Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes; und - Sintern der ausgerichtete Fasern (2) und/oder Partikel umfassenden Zusammensetzung
(1) bei einer Temperatur, bei der sich das Keramikbasismatetrial (3) verfestigt und die Fasern (2) und/oder Partikel verbrannt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung (1) weiterhin mindestens ein organisches Binde- und/oder Lösungsmittel (4) umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung (1) bereitgestellt wird, indem die Fasern (2) und/oder Partikel zunächst in dem Keramikbasismaterial (3) verteilt werden und die resultierende Mischung anschließend mit dem organischen Binde- und/oder Lösungsmittel (4) vermischt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen der Zusammensetzung (1) und/oder das Ausrichten der Fasern (2) und/oder Partikel in der Zusammensetzung (1) unter Einwirken von Ultraschall auf die Zusammensetzung (1) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das angelegte elektrische und/oder magnetische Feld während des Sinterns der Zusammensetzung (1) aufrechterhalten wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Zusammensetzung vor dem Ausrichten der Fasern (2) und/oder Partikel, beispielsweise durch Siebdruck, auf ein temperaturstabiles, beispielsweise keramisches und/oder glattes, Substrat (5) aufgebracht wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Keramikbasismaterialpartikel (3) einen durchschnittlichen Durchmesser aufweisen, der kleiner oder gleich dem durchschnittlichen Durchmesser der Fasern (2) ist.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstofffasern, wie Pech-, Polyacrylnitril-(PAN)-, und/oder Viskose/Rayon-basierte
Kohlenstofffasern, und/oder Kunststofffasern als Fasern (2) eingesetzt werden.
9. Keramik, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Verwendung einer Keramik nach Anspruch 9, in einem Sensor, insbesondere in einer
Lambdasonde und/oder einem Partikelsensor, und/oder in einer Brennstoffzelle.
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