WO2021152043A1 - Polycrystalline ceramic with improved properties - Google Patents

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WO2021152043A1
WO2021152043A1 PCT/EP2021/052032 EP2021052032W WO2021152043A1 WO 2021152043 A1 WO2021152043 A1 WO 2021152043A1 EP 2021052032 W EP2021052032 W EP 2021052032W WO 2021152043 A1 WO2021152043 A1 WO 2021152043A1
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Jürgen Rödel
Lukas PORZ
Xufei FANG
Arne Jan KLOMP
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Technische Universität Darmstadt
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Definitions

  • the present invention relates to a polycrystalline ceramic with improved properties, in particular with improved crack tip fracture toughness (in metallurgy also referred to as intrinsic fracture toughness) and preferably plastic deformability.
  • the invention also relates to a method for producing the ceramic.
  • Ceramic materials have many advantages over metals, e.g. corrosion resistance, higher melting point or functional properties.
  • all technical ceramics are brittle at room temperature, which severely limits the areas of application.
  • Metals are tough and ductile and fail “good-natured”, while ceramics fail due to catastrophic breakage. This means that, on the one hand, stress peaks are not reduced, which means that cracks can easily develop and grow in the ceramics, and on the other hand, the materials are almost impossible to deform plastically. This prevents their use in numerous areas, severely restricts the processing methods and thus the exploitation of the potential of ceramic materials.
  • the object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art and to provide correspondingly improved polycrystalline Kera mics.
  • the object is achieved in particular by a polycrystalline ceramic, a) the ceramic with nanoindentation with a tip radius of 50-200 nm at least 30 out of 50 impressions with a minimum distance from each other of 20 pm at a maximum load of 5 mN below preferably 1 .5 GPa, more preferably less than 1 GPa, even more preferably less than 0.5 GPa, exhibits non-elastic behavior and / or the ceramic exhibits a transition from elastic to plastic behavior with at most 20 out of 50 impressions.
  • the ceramic has a crack tip fracture toughness of at least 3.5 MPa m 1/2 , more preferably at least 4 MPa m 1/2 , even more preferably at least 5 MPa m 1 / 2 when implemented in any ceramic with the exception of ceramics with a Pero- Has vskitkristall Modell.
  • the ceramic preferably has a crack tip fracture toughness of 3.5 MPa m 1/2 to 40 MPa m 1/2 , preferably from 5 MPa m 1/2 to 20 MPa m 1/2 .
  • a crack tip fracture toughness of at least 2 MPa m 1/2 is preferred, more preferably of at least 2.5 MPa m 1/2, still further preferably of at least 3.5 MPa m 1/2 .
  • a crack tip fracture toughness of 2 MPa m 1 ' 2 to 35 MPa m 1/2 is preferred, more preferably from 3 MPa m 1/2 to 20 MPa m 1/2 .
  • fracture toughness also includes mechanisms far behind the crack tip such as crack bridging. Only with a high crack tip fracture toughness can short cracks of, for example, 1 ⁇ m or 10 ⁇ m in length be effectively kept open, whereby a massively increased strength and operational reliability can be achieved.
  • the increased ductility from a) preferably leads to reduced crack formation, so that the ceramic with a Vickers impression of at least 10 g, preferably of at least 15 g, further preferably of at least 25 g, even more preferably of at least 50 g, even more preferred of at least 100 g, less than an average of 1.5 cracks.
  • the Vickers impression carries a maximum of 150 g, preferably a maximum of 100 g, preferably a maximum of 60 g, preferably a maximum of 30 g, preferably a maximum of 20 g.
  • the ceramic has more than 0.01, preferably more than 0.05, cracks.
  • the operational reliability of the ceramic is preferably controlled by controlling short cracks. In this case, the crack length is particularly preferably reduced to zero.
  • the ceramic preferably has at least 1 * 10 9 dislocation sources per cm 3 but not more than 10 18 cm -3 and / or at least one dislocation source per grain (in contrast to one-dimensional dislocations, which are measured in cm -2 , zero-dimensional displacements are measurement sources in cm -3 ).
  • Sources of dislocation include, for example, vacancy clusters, dislocation rings (slip rings) which are left behind by dislocation movement, grain boundaries (under certain conditions), vacancy complexes which are left behind by dislocation movement and kinematic sources ("Theory of Dislocations” 3 rd edition Peter M. Anderson, John P. Hirth and Jens Lothe, Cambridge University Press).
  • Dislocations are one-dimensional crystal defects which are responsible for the plastic deformability of most metals and which also allow very local plastic deformation there. This results in a reduction in voltage peaks at stress concentrators like notches or pores. They also form at the tip of a crack by nucleating there and allowing ductile deformation through their movement, which leads to a massively increased fracture toughness. This region at the top of the crack is known as the "plastic zone”. According to the relevant opinion in the specialist literature, (Ritchie, RO The conflicts between strength and toughness. Nat Mater 10, 817-822, doi: 10.1038 / Nmat3115 (2011) and Evans, AG, Perspective on the Development of High-Toughness Ceramics. Journal of the American Ceramic Society, 1990. 73 (2): p. 187-206.), This mechanism for ceramics was never considered for interlocking.
  • the dislocation source density also play a role for the ductility and crack-tip fracture toughness.
  • the dislocation density in ceramics is generally very low and is usually below 1 * 10 6 cm -2 (see Figure 1).
  • the dislocation density can be reduced to a maximum value in the range of 1 * 10 9 cmr 2 (for strontium titanate e.g. 1, 8 * 10 9 cmr 2 , see Figure 2). If there are sources or other crystal defects, new dislocations can easily be generated from them - also in ceramics. However, these sources are extremely rare in ceramics.
  • One object of the present invention is therefore to provide polycrystalline ceramics with improved mechanical properties, in particular with improved crack tip fracture toughness.
  • the solution to the problem by the present invention is to increase the displacement source density.
  • a particularly high density of dislocation sources contrary to all expectations, a plastic zone can be made possible.
  • the dislocation density in polycrystalline ceramics cannot be increased by deformation as in metals, since deformation is not possible according to the prior art. Even in ceramic single crystals, which are often deformable, there is an upper limit dislocation density caused by the multiplication mechanisms, which is not sufficient for a plastic zone. Deformation must be possible in any volume at low stresses. The possibility of this can be tested using nanoindentation (see Figure 3 and Figure 4). A substantially increased dislocation source density can provide the necessary dislocation density in the relevant volumes.
  • the crack tip fracture toughness in a ceramic of the prior art is extremely low. This means that the area in which the stress is large enough for dislocation movement to take place at all is extremely small. The size of the area is presumably inversely quadratic proportional to the crack tip fracture toughness. In this area, suitable dislocations must occur in this area, which is much smaller in the case of ceramics than in metals. This means that an even greater dislocation density or dislocation source density in the environment is necessary in order to obtain a self-reinforcing mechanism of the plastic zone. In addition, grain boundaries without nucleation in neighboring grains would restrict the deformation to individual grains and thus significantly reduce the size of the plastic zone. The restriction of the deformability to one grain also excludes the plastic deformability of a polycrystal. Therefore, a nucleation in the desired volume (e.g. the grain boundary or its proximity and the area around the crack tip) must be brought about.
  • the desired volume e.g. the grain boundary or its proximity and the area around the crack tip
  • the solution to the problem by the present invention consists in increasing the dislocation source density, which on the one hand enables dislocations to be provided in any relevant volume and is also the key to achieving the local dislocation density. In this way, contrary to all expectations, local deformation in any volume and thus also a plastic zone is possible.
  • dislocation sources enable nucleation at or near the crack tip.
  • a particularly high dislocation source density can locally increase the dislocation density by more than a hundred times the value that can be achieved by multiplication. It is also possible to activate dislocation sources under special conditions (e.g. additional hydrostatic pressures of e.g. over 500 MPa or temperatures of e.g. over 800 ° C) already during production.
  • the grain size which is preferably determined in accordance with DIN EN 623-3, is particularly small, disadvantageous competing deformation mechanisms can occur particularly easily. Furthermore, the distance that a dislocation can cover and thus the effectiveness of the dislocations and dislocation sources for the desired properties is particularly low in the case of small grains.
  • the melting point of the claimed materials extends over a range of over 2000 ° C (e.g. of lithium fluoride: 848 ° C, e.g. of magnesium oxide: 2852 ° C)
  • the process parameters vary significantly between the material classes.
  • these methods are preferably selected from the group consisting of:
  • Plastic deformation at high temperature in particular between 30% and 98% of the melting temperature in Kelvin at mechanical loads that are at least the yield point of the ceramic at that temperature, with plastic deformation between 0.5% and 80%, preferably between 0, 5% and 25%, more preferably between 0.5% and 20% and elongation rates in the range from 10 5 s _1 to 10 3 s _1 ,
  • Pulse energies of, for example, 5 to 10 microjoules, especially about 7.5 microjoules, are preferred. Multiple pulses of e.g. 10 to 1000 pulses are preferred,
  • the invention can be applied to many classes of materials, e.g. perovskites, diborides of transition metals, ceramics with a sodium chloride crystal structure, ceramics with a zinc blende crystal structure and ceramics with a wurtzite crystal structure.
  • Some semiconductors can also be regarded as ceramics. Specifically mentioned are e.g. the ceramics of the titanates and niobates of the perovskite structure, e.g.
  • the transferability to other material classes is given in particular if in that material class dislocation movement is possible at the relevant temperature, e.g. room temperature. This can be shown, for example, by the deformation of single crystals or by indentation. All ceramics and ceramic classes in which the mobility of dislocations is given are according to the invention. The person skilled in the art can easily determine whether a certain class fulfills this requirement without inventive intervention, for example by deforming single crystals or by indentation. This can be checked individually for each ceramic or is already known from various literature sources. An example of this transferability is given below. In the following study, indentation in CaF2 at room temperature was investigated (Shikimaka, O.
  • Ceramics are preferably selected from the group which is characterized by possible displacement mobility at room temperature.
  • Ceramics with a perovskite crystal structure e.g. BaTiCh, SrTiCh, KNbCh
  • ceramics with a sodium chloride crystal structure e.g. NaCI, LiF, MgO
  • ceramics with a zinc blende crystal structure e.g. ZnS
  • ceramics with a wurtzite crystal structure ZB ZnO
  • ceramics with a calcium fluoride crystal structure ZB CaF2
  • preferred ceramics are e.g. ZrB2 and HfB2.
  • the invention can be applied to any polycrystalline ceramic, and therefore this ceramic is used, which is characterized by the natural property of displacement mobility at room temperature.
  • the invention preferably relates to a polycrystalline ceramic a) with a dislocation source density of at least one dislocation source per grain, a combination of dislocation source density and dislocation source quality is characterized by the ability to be preferably 1.5 GPa, more preferably 1, in any volume in the polycrystal GPa, more preferably of 0.5 GPa displacements (with nanoindentation, the ceramic preferably has at least 30 out of 50 indentations with a minimum distance from one another on a surface that has been prepared from the volume and properly polished with a tip radius of 50-200 nm of 20 pm at a maximum load of 5 mN below preferably 1.5 GPa, more preferably below 1 GPa, even more preferably below 0.5 GPa, and / or the ceramic exhibits non-elastic behavior at a maximum of 20 out of 50 impressions a transition from elastic to plastic behavior (English: "pop-in”) above 1 GPa.), and b) with a crack tip fracture toughness of at least 3.5 MPa m
  • a crack tip fracture toughness of 2 MPa m 1/2 is preferred, more preferably of at least 2.5 MPa m 1/2, even more preferably of 3.5 MPa m 1/2 .
  • the crack tip fracture toughness only describes the toughness at the crack tip and can be clearly distinguished from the total fracture toughness (commonly referred to as fracture toughness), which also includes mechanisms far behind the crack tip such as crack bridging. Only with a high crack tip fracture toughness can short cracks of, for example, 1 ⁇ m or 10 ⁇ m in length be effectively stopped, whereby a massively increased strength and operational reliability can be achieved.
  • the values in a) with the unit GPa are preferably maximum stress values in the polycrystalline.
  • the increased ductility from a) preferably leads to reduced crack formation, so that the ceramic with a Vickers impression of at least 10 g, preferably of at least 15 g, further preferably of at least 25 g, even more preferably of at least 50 g, even more preferred of at least 100 g, less than an average of 1.5 cracks.
  • the Vickers impression carries a maximum of 150 g, preferably a maximum of 100 g, preferably a maximum of 60 g, preferably a maximum of 30 g, preferably a maximum of 20 g.
  • the ceramic has more than 0.01, preferably more than 0.05, cracks.
  • the operational reliability of the ceramic is preferably controlled by controlling short cracks. In this case, the crack length is particularly preferably reduced to zero.
  • Sources of dislocation are in particular those that are activated by the stress field of a crack instead of a homogeneous stress field.
  • dislocation sources for the basic book "Theory of dislocations" (3 rd edition Peter M. Anderson, John P. Hirth and Jens Lothe, Cambridge University Press 2017), for example, vacancy clusters, seal rings, grain boundary sources and kinematic sources.
  • the dislocation sources are preferably selected from the group consisting of vacancy clusters, slip rings, grain boundary sources, kinematic sources, mobile dislocations and combinations thereof.
  • the dislocation sources are of particular importance for the desired properties, but quantification is difficult since a dislocation source can have different shapes and can generate different numbers of dislocations.
  • the lower limit of the dislocation source density that is present in a material can be estimated.
  • the dislocation source In the event of a load, the dislocation source must have generated a dislocation. With the exception of small-angle grain boundaries, which is rare in polycrystals, grain boundaries are not permeable to dislocations in the case of relevant stresses. Thus, in every grain in which at least one mobile dislocation can be observed after the load case, at least one dislocation source must have been present. However, one dislocation source can result in exactly one or 100 dislocations, for example, whereby this depends on several factors. A dislocation source density in the range of 1 * 10 12 cm -3 (this corresponds to one source per pm 3 ) appears to be a desirable dislocation source density.
  • a displacement source density in the preferred range of 1 * 10 9 cm -3 to 1 * 10 15 cm -3 is desirable.
  • the displacement source density is preferably in a range from 10 9 cm -3 to 10 18 cm -3 , more preferably from 10 1 ° cm -3 to 10 17 cm -3 , more preferably from 10 12 cm -3 to 10 17 cm -3 , more preferably from 10 13 cm -3 to 10 16 cm 3 , more preferably from 10 14 cm 3 to 10 16 cm 3 .
  • dislocation sources according to the invention must have generated dislocations; these dislocations must be detected with: transmission electron microscopy, etching pits, rocking curve measurements, dark field X-ray microscopy, electron channeling contrast imaging, electron backscattering diffraction or other methods.
  • the dislocation source density (per cm 3 ) can be estimated as follows. Sources of dislocation generate local dislocations in the relevant load case.
  • a relevant load case is, for example, the break, whereby the relevant volume is in the vicinity of the crack tip. If the crack advances, dislocation sources according to the invention produce dislocations in the vicinity of the crack tip.
  • the line-shaped crack tip creates a new surface as it progresses, which later becomes the fracture surface. By definition, every point on the fracture surface was in the immediate vicinity of the crack tip at a certain point in time. Dislocations can therefore be found under the fracture surface, for example at a depth of 200 nm, 1 pm, 2 pm, 5 pm or 25 pm. The resulting dislocations on the fracture surface can with established methods can be demonstrated.
  • Dislocation sources according to the invention have generated dislocations during fracture, which can be detected on the fracture surface.
  • Evidence of the dislocation can be provided by various imaging methods. To do this, a sample must be prepared from the fracture surface. For this purpose, one or more pieces can be prepared from the fracture surface. This also includes the option of cutting out a slice perpendicular to the fracture surface. For observation, the cut surface, but not the fracture surface, can be properly processed, for example polished.
  • Preferred methods of detecting dislocations are as follows.
  • Electrode channeling contrast imaging is a scanning electron microscope-based imaging method which can directly visualize dislocations under a properly polished surface.
  • the dislocation density after breakage is at a depth of 200 nm
  • dislocation source density per grain was at least 1.Furthermore, with the above-mentioned calculation example, assuming that a dislocation source nucleates 100 dislocations with a length of 1 pm, a dislocation density of 10 10 cm -2 can be approximately a dislocation source density of 10 12 cm -3 , whereby the two assumptions mentioned must be checked on a case-by-case basis.
  • Dislocation density is determined at distances of 200 nm, 1 pm, 2 pm, 5 pm, 10 pm, 20 pm and 50 pm to the fracture surface. Images of a size of at least 1 megapixel, preferably of at least 4 megapixels, with a pixel size of less than 10 nm, preferably of a pixel size of less than 3 nm, preferably of a pixel size of less than 1 nm, are preferred.
  • a combination of dislocation source density and dislocation source quality which describes the ability to generate dislocations in any volume in the polycrystal, preferably 1.5 GPa, more preferably 1 GPa, more preferably 0.5 GPa, can be quantified more clearly than the dislocation source density alone.
  • a ceramic according to the invention is preferably distinguished by this ability. This can be measured by means of nanoindentation on any surface that has been prepared and properly polished from the volume.
  • At least 30 out of 50 impressions with a minimum distance from one another of 20 ⁇ m at a maximum load of 5 mN are preferably below 1.5 GPa, more preferably below 1 GPa, even more preferably below of 0.5 GPa to demonstrate non-elastic behavior and / or to demonstrate a transition from elastic to plastic behavior (English: "pop-in") above 1 GPa with a maximum of 20 out of 50 impressions.
  • the values in the first sentence of the previous paragraph with the unit GPa are preferably maximum stress values in the polycrystal.
  • the crack tip fracture toughness (Kio) of the polycrystalline ceramics of the present invention is preferably in a range from 3.5 MPa m 1/2 to 40 MPa m 1/2 , more preferably from 4 MPa m 1/2 to 25 MPa m 1/2 , more preferably from 4.5 MPa m 1/2 to 17.5 MPa m 1/2 except of ceramics with a perovskite crystal structure.
  • the crack tip fracture toughness (Kio) of the polycrystalline ceramics of the present invention is preferably in a range from 2 MPa m 1/2 to 30 MPa m 1/2 , more preferably from 2.5 MPa m 1/2 to 25 MPa m 1/2 even more preferably from 3.5 MPa m 1/2 to 20 MPa m 1/2 .
  • the crack tip fracture toughness is preferably determined by determining the crack opening profile (“crack opening displacement” (COD)). For this purpose, detailed scanning electron microscopy images are made and compared.
  • the crack opening (the distance between the two crack flanks at an applied load of K
  • the measurement takes place over a length, measured from the crack tip, of at least 1 pm, preferably of 2 pm, more preferably of 5 pm, further preferably of 10 pm and even more preferably of 50 pm.
  • Vickersein pressures are to be produced according to ISO 14705, for example. Before indentation, the sample must be coated with carbon in order to have a brittle, conductive surface for electron microscopy.
  • the so-called crack tip fracture toughness is recorded quantitatively by measuring the crack opening near the crack tip (preferably at a distance of 0.1 - 50 pm from the crack tip with a resolution of better than 10 nm) and using the Modulus of elasticity of the stress intensity factor is determined with
  • This method is to be determined on an equilibrium crack, approximated by a radial crack from an indentation or a stressed crack in a compact sample (Fünfschilling, S. et al. Determination of the crack-tip toughness in silicon nitride ceramics. J Mater Sei 44, 335- 338 (2009); Seidel, J. & Rödel, J. Measurement of crack tip toughness in alumina as a function of grain size. J Am Ceram Soc 80, 433-438 (1997); Haubensak, F. & Argon, AS A new method offracture toughness determination in brittle ceramics by open-crack shape analysis.
  • the polycrystalline ceramic of the present invention preferably also has improved ductility, in particular as long as there are sufficient independent mobile sliding systems in the crystal structure. Without a sufficient number of dislocation sources, as proposed according to the invention, it is not possible to observe complete plasticity in ceramics, even if five or more sliding systems are mobile at the same time, or texturing has been achieved so that fewer than five sliding systems are needed. Therefore, it has not been possible to invent fully ductile ceramics in the past. It is only through this invention that the prerequisites for a completely ductile ceramic are created. Therefore, ceramics which, due to dislocation movement at room temperature, have a preferred ductility of greater than 0.5% are also according to the invention.
  • the ductility is preferably determined as plastic elongation in a tensile or compression test using a stress-strain curve.
  • the ductility should preferably be determined in accordance with DIN 50106 "Testing of metallic materials - pressure test at room temperature".
  • the ceramics according to the invention preferably have a ductility of more than 0.5%.
  • a ductility of 2% to 20% is more preferred, more preferably 5 to 75%.
  • a grain texture is preferably present which allows ductility in all directions, since the texturing means that fewer than five independent sliding systems are required for plastic deformation.
  • a grain texture is preferably present which allows ductility in the relevant directions of the load, since less than five independent sliding systems are required for the plastic deformation due to the texturing.
  • the polycrystalline ceramic of the present invention also exhibits improved resistance to cracking in the case of a Vickers impression.
  • the ceramic according to the invention shows no crack formation in the case of a Vickers impression, in particular if the load applied is greater than or equal to 5 g and / or less than or equal to 100 g.
  • the ceramic shows cracking, in particular on average, less than 4 cracks, preferably less than 3 cracks, preferably less than 2 cracks, preferably less than 1.5 cracks, with a Vickers impression on a surface of the ceramic , per Vickers impression, with the applied load preferably greater than or equal to 10 g, preferably greater than or equal to 15 g, preferably greater than or equal to 25 g, preferably greater than or equal to 50 g, preferably greater than or equal to 100 g, preferably greater than or equal to 150 g, and / or less or equal to 170 g, preferably less or equal to 150 g, preferably less or equal to 100 g, preferably less or equal to 80 g, preferably less or equal to 60 g, preferably less or equal to 40 g, preferably less or equal 30 g, preferably less than or equal to 30 g, preferably less or equal to 20 g, preferably less or equal to 15 g, preferably less or the same h 10 g, wears.
  • the ceramic shows cracking of less than 4 cracks, preferably less than 3 cracks, preferably less than 2 cracks, preferably less than 1.5 cracks, per Vickers impression at a load of 25 g.
  • the ceramic shows cracking of less than 4 cracks, preferably less than 3 cracks, preferably less than 2 cracks, preferably less than 1.5 cracks, per Vickers impression at a load of 100 g.
  • the ceramic shows cracking averaging at least 0.1 cracks. This can be, for example, an average value over 100 Vickers impressions.
  • the surface of the ceramic can be a, in particular properly prepared, surface with a roughness of less than 0.1 ⁇ m without previously existing cracks in order to enable a Vickers impression.
  • the number of cracks can easily be determined manually and / or automatically using the ceramic.
  • images such as those in Figures 8 and 9, which will be discussed in detail later, can be used and evaluated for this purpose.
  • the ceramic according to the invention can at some point also have cracks, which, however, are significantly shorter than the cracks in a ceramic according to the prior art.
  • the crack length of the cracks at 25 g load is between 5 pm and 14 pm, preferably between 5 pm and 12 pm, in particular between 6 pm and 10 pm.
  • the material SrTiCh is particularly preferred for short crack lengths.
  • FIGS. 8b, 9d and 9f A ceramic according to the invention which has the improved resistance to cracking is documented in FIGS. 8b, 9d and 9f. Ceramics from the state of the art do not meet this criterion, as shown in Figures 8a, 9c and 9e. In this regard, reference is made to the corresponding explanations below for the further discussion of the figures.
  • the polycrystalline ceramic of the present invention also has improved thermal shock resistance.
  • the thermal shock resistance is preferably in a range of> 500 ° C., more preferably in a range from 600 ° C. to 1600 ° C., but preferably not more than the temperature difference between the melting point of the ceramic and room temperature.
  • the thermal shock resistance is preferable fol gender extent determined by the volume of ceramic to an elevated temperature of t ma x (for example) 600 ° C is placed and is then quenched in boiling water (100 ° C).
  • the limit temperature at which this does not result in a reduction in strength is the thermal shock resistance (Tmax - 100 ° C).
  • the strength is determined by a four-point bending test according to DIN EN 843-1.
  • the present invention also relates to a method for producing a polycrystalline ceramic according to the invention, comprising at least one, preferably exactly one of the following steps:
  • Ceramic powders are usually ground as small as possible in order to be baked together by the diffusion-controlled process of sintering, with the grains usually also growing significantly.
  • grain growth By preventing grain growth by more than a factor of 3 compared to the starting powder size and by avoiding holding times of fractions of minutes to hours at temperatures in the respective sintering range, e.g. 70-90% of the melting point, it is avoided that the dislocation density massively reduced.
  • Dislocation creep at high temperature in particular between 50% and 90% of the melting temperature in Kelvin with mechanical loads that lead to plastic deformation of more than 0.5% within a time of less than 10 days.
  • stresses between 5 and 300 MPa at temperatures between 1000 and 1350 ° C are useful.
  • the deformation time depends on temperature, pressure and the desired degree of deformation. A degree of deformation of greater than 0.5% is preferred.
  • Plastic deformation at high temperature in particular between 30% and 98% of the melting temperature in Kelvin at mechanical loads that are at least the yield point of the ceramic at that temperature, with plastic deformation between 0.5% and 80%, preferably between 0 , 75% and 25%, more preferably between 1% and 20%.
  • Sufficient independent sliding systems are preferably thermally activated to ensure ductility. This requires a temperature at which a sufficient number of sliding systems are thermally activated to be able to overcome the Peierls barrier. At the same time, the temperature must be chosen so that sliding systems do not become too immobile due to climbing dissociation of partial dislocations. This temperature range is different for each ceramic material class and also varies within a class. There is often an exponential or quadratic relationship with the temperature, especially the process temperature.
  • the deformation should preferably be carried out in air, since an inert gas atmosphere or vacuum through Cottrell atmospheres of oxygen vacancies around the dislocations increases the required stresses and can also have other effects.
  • an inert gas atmosphere or vacuum through Cottrell atmospheres of oxygen vacancies around the dislocations increases the required stresses and can also have other effects.
  • grain sizes greater than 2 ⁇ m and a temperature of 1050 ° C.-1350 ° C. are preferred.
  • the required stress depends extremely on the temperature and the strain rate and should be between 1 MPa and 1500 MPa.
  • Can strain rates in egg nem extremely wide range of preferably 10 8 s _1 to 10 5 s _1, preferably from 10 7 s _1 to 10 2 s 1, more preferably from 10 6 s _1 to 10 1 s _1, still more preferably from 10 5 s _1 to 10 ° s 1 .
  • the time over which the tension is held is often proportional to the degree of deformation. Cooling during the deformation increases the dislocation density further.
  • a temperature between 30% and 80% of the melting temperature in Kelvin is preferred for mechanical loads that are at least the yield point of the ceramic at that temperature, with plastic deformation between 0.5% and 80%, more preferably between 0.75 % and 25%, more preferably between 1% and 20%.
  • Irradiation and the formation of radiation damage that develop into dislocations; pore formation should preferably be avoided here.
  • a combination with temperature treatment can improve the result.
  • the radiation dose which depends on the specific material, is the central parameter.
  • a fluence of 1 * 10 12 nr 2 to 1 * 10 15 nr 2 of nickel ions with 10 MeV is an example.
  • the effectiveness of the irradiation can often only emerge in a temperature treatment step.
  • the effectiveness depends on the combination of ion, energy and fluence used and is different for each material.
  • Solution heat treatment and aging with possible quenching as an intermediate step From a supersaturated solid solution, produced by solution annealing at preferably 50% to 95% of the melting temperature, homogeneous micro-precipitates, similar to Guinier-Preston zones in the precipitation hardening of aluminum alloys, are introduced by aging at preferably 30% to 75% of the melting temperature .
  • the elimination of a dissolved component is important, which is carried out by annealing in the solution and a further aging step. It should be emphasized that, in contrast to metals, these lead to softening and not to hardening. It depends on the degree of supersaturation, the aging temperature and the aging time. The temperature-dependent limited solubility of the dissolved component is a basic requirement.
  • micro-precipitates with a different crystal structure or thermal expansion coefficient. Due to the mismatch, these locally create tensions which favor dislocation nucleation. This can be done, for example, by adding a powder to a second, insoluble ceramic.
  • the grain and powder size is preferably in the range from 3 nm to 3 ⁇ m, more preferably from 5 nm to 750 nm.
  • Irradiation in the grid with femtosecond laser pulses with a focus point in the material volume Pulse energies of e.g. 7.5 microjoules are preferred. Multiple pulses per raster point of e.g. 10 to 1000 pulses are preferred.
  • the method comprises at least the step of dislocation creep at high temperature and / or the step of plastic deformation at high temperature.
  • flash sintering is particularly preferred according to the invention in order to possibly increase the dislocation source density (in particular in the entire volume).
  • a particularly preferred production method according to the present invention in particular in order to produce the desired dislocations in a meaningful density, is “flash sintering” (sometimes also referred to as “ultra-fast fi ring”).
  • flash sintering sometimes also referred to as “ultra-fast fi ring”. The method has in particular:
  • Providing a ceramic green body in particular producing the green body from ceramic powder, preferably comprising undoped SrTi0 3 , by pressing and / or with the help of binders and (optionally cold isostatic) compression of the powder,
  • Formation of the electric field by means of the electrodes within the green body preferably (i) at an ambient temperature of the green body of between 500 ° C and 1500 ° C, in particular between 900 ° C and 1300 ° C, in particular around 1100 ° C, and / or (ii) for between 1 second and 15 minutes, preferably between 10 seconds and 10 minutes, preferably between 10 seconds and 5 minutes, in particular about 2 Minutes, with an electric current flowing between the electrodes through the green body at least intermittently as a result of the electric field and the green body is thereby heated at least in certain areas.
  • a ceramic green body is pressed from ceramic powder, for example with a particle size of between 100 nm and 500 nm, preferably between 200 nm and 400 nm, in particular 300 nm, and (optionally cold isostatic), for example at between 300 MPa and 800 MPa, preferably compressed at between 400 MPa and 600 MPa, preferably at 500 MPa.
  • This green body is provided with electrodes which apply an electrical field, for example of between 10 V / mm and 30 V / mm, preferably of between 10 V / mm and 20 V / mm, in particular of about 15 V / mm, the Current flow, in particular through the green body, preferably to a current density of at least regionally between 30 mA / cm 2 and 100 mA / cm 2 , preferably between 40 mA / cm 2 and 70 mA / cm 2 , in particular of about 60 mA / cm 2 , is limited.
  • the ambient temperature of the green body is set. For example, with an oven in which the green body is placed.
  • the furnace with the green body is heated, preferably at 5 Kelvin per minute, to between 900 ° C. and 1300 ° C., preferably to between 1000 ° C. and 1200 ° C., in particular about 1100 ° C., between 1 second and 15 minutes, preferably held at the temperature for between 10 seconds and 10 minutes, preferably between 10 seconds and 5 minutes, in particular about 2 minutes, and then cooled again, in particular to the starting temperature.
  • the electric field is applied during and / or after the furnace is heated up and in particular before it cools down. When the furnace has reached a sufficient temperature, in particular a temperature that depends on the green body, the green body becomes electrically conductive, causing electrical current to flow.
  • the electrical resistance in the green body then heats the green body, in particular very quickly, for example within between 1 second and 100 seconds, preferably between 10 seconds and 80 seconds, preferably between 15 seconds and 30 seconds, far - in particular between 10% and 100%, preferably between 15% and 80% or between 20% and 100%, of the oven temperature - above the oven temperature.
  • the temperature of the sample preferably reaches a value close to the sintering temperature. However, the sample temperature preferably does not have to be measured and / or controlled directly.
  • the current is maintained for a further 2 seconds to 30 minutes, preferably between 10 seconds and 10 minutes, preferably between 10 seconds and 5 minutes, in particular about 2 minutes, and then switched off, after which the sample up again quickly the oven temperature cools down.
  • the ambient temperature can also be set and / or controlled in another suitable manner.
  • the sample properties are preferably influenced by the temperature profile inside the sample.
  • the electric field and the current density can preferably be adapted to the respective sintering temperature of the material.
  • the parameters can vary between the individual materials so that the settings can be adjusted depending on the materials used.
  • Figure 1 shows a transmission electron microscope image of a conventionally sintered SrTiCh ceramic. Only very isolated dislocations can be found. An example of the rare dislocations is marked with the number 1 in the picture on the right.
  • Figure 2 shows a scanning electron microscope image of a deformed strontium titanate single crystal with etched pits which visualize the dislocations. In strips, areas with a quasi constant maximum dislocation density, in particular too common due to mechanical deformation, can be seen separately from areas without dislocations.
  • Figure 3 shows an exemplary load curve of a nanoindentation test with a tip radius of 80 nm. Marked with number 2, the ceramic according to the state of the art shows a clearly recognizable transition from elastic to plastic behavior. This feature cannot be seen in the ceramic according to the invention, with a deviation from the elastic behavior already being seen below 0.01 mN.
  • Figure 4 shows the statistical evaluation of the measurement shown in Figure 3. It is carried out as an example for two different tip radii.
  • the areas with maximum dislocation density, as shown in Figure 2 show only a very slight change in behavior compared to the completely dislocation-free ceramic.
  • the area with a gray background and marked with the number 3 is preferred for a measurement on a ceramic according to the invention, a measured value for which no pop-in could be detected automatically falls within this value range.
  • Figure 5 shows an example of how a crack from a Vickers impression is selected and visualized at a higher magnification.
  • the crack opening is marked in two different places.
  • the distance from the crack tip is marked at intervals of 100 nm.
  • the crack tip is marked with number 4.
  • Figure 6 shows scanning electron microscopy images of cracks at Vickers indentations with 25 g load a) reference crystal b) and b) ceramic according to the invention with high dislocation density.
  • the tip of the crack is marked with an arrow and number 4 and a small line.
  • Number 6 and the black line mark a section of the edge of the Vickers impression.
  • the double arrow marked with number 7 indicates the [110] crystal direction.
  • the cracks in Figure b) and c) spread in different crystal directions.
  • Figure 7 shows a quantitative evaluation of scanning electron microscopy images of cracks on Vickers indentations with 25 g load.
  • two ceramics according to the invention of the perovskite crystal structure (SrTiCh) and for a reference crystal cracks were evaluated in such a way that the crack opening was determined as a function of the distance from the crack tip. These values were plotted against one another (COD value in nm (y-axis) versus distance from the crack tip in pm (x-axis)).
  • the black squares show the value pairs determined for the reference crystal.
  • the values of the two ceramics according to the invention are shown as white circles and white triangles.
  • the theoretical curve has a stress intensity factor of 0.6 MPaVrn (solid line) and 2.9 MPaVrn (dashed line shows). It can be seen that the reference crystal has approximately a crack tip fracture toughness of 0.6 MPaVrn and the ceramic according to the invention has approximately a crack tip fracture toughness of approximately 2.9 MPaVrn.
  • the course of the crack opening values is compared with the theoretical course, which results from the formula already mentioned.
  • the crack tip fracture toughness should be selected in the theoretical course so that the course reflects the experimental data as best as possible.
  • Figure 8 shows Vickers impressions with 10 g each in a) and b) and 25 g in c) and d).
  • the ceramic in Figure b) and d) was treated as described in the example. This considerably reduces the formation of cracks. In comparison, the dislocation density of the reference crystal is low and in the range of 10 5 cm -2 .
  • Figure 9 shows Vickers impressions with 200 g each in a) and b) and 10 g in c), d), e) and f).
  • the ceramic in figure b), d) and f) was treated as described in the example. This considerably reduces the formation of cracks.
  • the ceramic in Figure a), c) and e) is state-of-the-art.
  • the ceramics in figures a), b), c) and d) have a grain size of approx. 9 ⁇ m.
  • the ceramics in Figures e) and f) have a grain size of approx. 2 ⁇ m.
  • Figure 10 shows dark field X-ray microscopy images in which all dislocations are visible, e.g. marked with number 9. It can be seen that no dislocations previously existed in the crystal.
  • the dislocation bands are clearly recognizable (e.g. marked with number 10) and signs of various multiplication mechanisms can be recognized, for example cross-slip, which is marked with number 11.
  • Image artifacts are marked with number 8 as an example.
  • Figure 11 shows optical microscopy images of rutile (T1O2) crystals. The surface was etched so that dislocations through etch pits are visible. It can be seen that in the vicinity of “pollution particles” (marked with number 12) there are many dislocations (marked with number 13). This shows that foreign particles can be used as sources of dislocation far away from surfaces.
  • Figure 12 shows transmission electron microscopy images of an SrTiOs ceramic that was deformed at high temperature. The deformation took place at 1150 ° C with a strain rate of 2.5 * 10 5 s 1 . A degree of deformation of approx. 4% was achieved, the maximum loads being between 20 and 200 MPa compressive stress. It can be clearly seen that a very high dislocation density can exist in ceramics.
  • Figure 13 shows results of a nanoindentation using the example of the material Magnesi umoxid (MgO) according to the invention.
  • the representation in Figure 13 is basically very similar to that used in Figure 4 and shows that the reduction in the pop-in voltage, which was shown in Figure 4 for the material SrTiOs, can be directly transferred to MgO.
  • Figure 13 shows the statistical evaluation of the measurement on magnesium oxide shown in Figure 3.
  • the area with a gray background and marked with the number 3 is preferred for a measurement on a ceramic according to the invention, a measured value for which no pop-in could be determined automatically falls within this value range.
  • a significant reduction in the “pop-in” voltage from approx. 10 GPa to less than 1.5 GPa was found, whereby all values for the ceramic according to the invention fall into the range marked with number 3.
  • Figure 13 shows the statistical evaluation of a measurement of a load curve of a nanoindentation test with a tip radius of 80 nm in relation to the material MgO. This shows that the results and conclusions presented in this application, as well as the teaching of the invention, can also be applied equally to a large number of other ceramics.
  • Figure 14 shows results in connection with the crack tip toughness using the example of the material magnesium oxide (MgO).
  • MgO material magnesium oxide
  • the evaluation of the crack tip toughness shown in Figures 5, 6 and 7 for SrTiCh is carried out identically for magnesium oxide, the results being presented in a) of Figure 14.
  • the crack formation according to a Vickers impression with 10 g load in a ceramic according to the prior art (in b) and a ceramic according to the invention (in c) is compared. This shows the direct transferability of the results from SrTiCh in Figure 8 to the material MgO.
  • Figure 14 shows results and illustrations related to the crack tip toughness in MgO.
  • Figure 14 shows half of a Vickers indentation before and after polishing in order to emphasize the contrast.
  • FIG. 14b Before polishing, that is, according to the prior art, clear cracks can be seen, as shown in FIG. 14b. Please refer to the table below for the length of the crack.
  • the ceramic according to the invention has no cracks in FIG. 14c.
  • the representation in Figure 14a is basically very similar to that used in Figure 7.
  • the representations in Figures 14b and 14c are basically very similar to those used in Figures 8a and 8b or Figures 8c and 8d.
  • Figure 15 shows an illustration for determining the length of cracks (“crack length”) that can arise with a Vickers impression in a ceramic, such as a ceramic according to the invention.
  • the crack length is therefore preferably (in particular also in general) determined by placing horizontally straight lines H1 and H2 and vertically straight lines V1 and V2 on the most distant crack tip as an extension of the indentation diagonals.
  • the distance D1 and D2 between two opposing lines is determined as the crack length.
  • An average value over several, for example 10, impressions is preferably determined as the respective crack length.
  • an average value is calculated as a single crack length.
  • This determination of the crack length is particularly suitable for single crystals and polycrystals of strontium titanate and / or single crystals of magnesium oxide. In particular, in each case for ceramics according to the prior art and according to the invention.
  • the invention consists of two functional steps.
  • a high dislocation source density must provide displacements in the corresponding volume before or during the load case, so that local deformation becomes possible.
  • dislocation sources can be activated which can only be used due to special boundary conditions (e.g. extreme pressures or temperature) during production and then become inactive again (see example 5).
  • the dislocations provided must lead to the desired improvement in properties (increase in crack tip fracture toughness and ductility).
  • a high density of dislocation sources can be introduced and used in many different ways, one of which we will exemplify in the following.
  • the sources of displacement are preferably only activated when there is a load. This is preferably done at the crack tip and its surroundings as well as at grain boundaries and their surroundings.
  • a single crystal made of SrTiCh of the perovskite crystal structure is used.
  • SrTiCh (strontium titanate) is one of the materials which, as described in accordance with the invention, have the basic requirement of dislocation mobility at room temperature.
  • a single crystal is selected first.
  • 10 11 cm -2 which can be assigned to an approximately displacement source density of 10 13 cm -3 and thus approximately 10 contact points per mht 2 in this case.
  • the dislocation density in the crystal which was produced by means of the Verneuil method, is typically 10 5 cm -2 .
  • approx. 50 ⁇ m are removed from the surface by increasingly gentle polishing. This can be achieved, for example, with a polishing in four steps of 40 minutes each at 150 rpm with diamond paste of 6 pm, 3 pm, 1 pm and% pm each. Finally, a very gentle polishing step with OPS solution is carried out in a vibration polishing machine overnight.
  • the dislocations introduced on the surface with SiC paper can be retained in their particularly high density due to the dislocation source density if the polishing steps are carried out for only 30 seconds instead of 40 minutes and the vibration polishing step is limited to one hour.
  • the polishing quality and roughness of the two polishing processes are almost identical, apart from the occasional scratches that can easily be avoided.
  • Figure 6 shows that the treatment significantly shortens the cracks.
  • the crack tip fracture toughness was determined on these cracks with the aid of the crack opening profile, which is presented in Figure 7.
  • An increase by a factor of five from 0.6 MPam / to 2.9 MPam / which was previously believed to be impossible, is visible.
  • a polycrystalline ceramic was made from 99.99% pure SrTi0 3 . It was sintered for compression at 1425 ° C for one hour and then at 1350 ° C for 15 hours in an oxygen atmosphere. This ceramic was obtained using Ultra High Voltage Electron Microscopy examined for dislocations in a transmission electron microscope. Only three dislocations were found in approx. 130 examined grains. Exemplary recordings are shown in Figure 1.
  • thermal activation can cause dislocations at the grain boundaries. Nucleation is possible at many points on the grain boundary and thus the temperature allows an extremely high density of temporary dislocation sources and thus the achievement of a dislocation density which is not limited by the multiplication. After cooling, the grain boundaries can no longer function as dislocation sources, but they have already created a high dislocation density.
  • a high dislocation density was introduced into the above-mentioned ceramic by plastic deformation at 1150 ° C. and a stress of 20 MPa.
  • Local dislocation densities of approx. 5 * 10 10 cm -2 could be detected in the deformed ceramic by counting the number of dislocations in a certain observed area. This value is in the range according to the invention. In particular, this was possible 2 mm from the surface of a polycrystal and thus implemented inside a polycrystal. Exemplary transmission electron microscopy images are shown in Figure 12.
  • the following table shows average crack lengths, determined from 10 impressions, in micrometers (pm) for ceramics according to the prior art.
  • the following table shows average crack lengths, determined from 10 impressions, in micrometers (pm) for ceramics according to the invention.
  • the crack length is preferably determined as follows. If no crack can be seen in a diagonal direction, e.g. in the direction bounded by V1, the line V1 demonstrated in Figure 15 is placed in the center of the impression. If a crack can be seen in the opposite direction and is marked by V2, the distance D2 from the center of the indentation to V2 is measured accordingly. If no cracks can be seen in both directions V1 and V2, the distance D2 is zero. This procedure applies analogously to D1, which is limited by H1 and H2.
  • the average crack length determined by the method described above with reference to Figure 15 can be smaller than the diagonal of the indentation. In the previous table, this is indicated by the expression “No or only a few cracks”.

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Abstract

The present invention relates to a polycrystalline ceramic having improved properties, in particular having improved crack opening fracture toughness (also referred to as intrinsic fracture toughness in metal science) and preferably ductility. The invention further relates to a method for producing the ceramic.

Description

Polykristalline Keramik mit verbesserten Eigenschaften Polycrystalline ceramics with improved properties
Die vorliegende Erfindung betrifft eine polykristalline Keramik mit verbesserten Eigenschaften, insbesondere mit verbesserter Rissspitzenbruchzähigkeit (in der Metallkunde auch mit intrinsi scher Bruchzähigkeit bezeichnet) und bevorzugt plastischer Verformbarkeit. Die Erfindung be trifft auch ein Verfahren zur Herstellung der Keramik. The present invention relates to a polycrystalline ceramic with improved properties, in particular with improved crack tip fracture toughness (in metallurgy also referred to as intrinsic fracture toughness) and preferably plastic deformability. The invention also relates to a method for producing the ceramic.
Polykristalline Keramiken sind aus dem Stand der Technik bekannt. Keramische Werkstoffe ha ben viele Vorteile gegenüber Metallen, z.B. Korrosionsbeständigkeit, höherer Schmelzpunkt o- der funktionelle Eigenschaften. Jedoch sind alle technischen Keramiken bei Raumtemperatur spröde, wodurch die Einsatzgebiete stark eingeschränkt sind. Metalle sind zäh und duktil und versagen „gutmütig“, Keramiken dagegen versagen durch katastrophalen Bruch. Dies bedeutet, dass zum einen Spannungsspitzen nicht abgebaut werden und somit Risse leicht entstehen und in den Keramiken wachsen können, zum anderen die Materialien fast nicht plastisch ver formbar sind. Dies verhindert die Anwendung in zahlreichen Bereichen, schränkt die Bearbei tungsmethoden stark ein und damit auch die Ausschöpfung des Potentials keramischer Werk stoffe. Polycrystalline ceramics are known from the prior art. Ceramic materials have many advantages over metals, e.g. corrosion resistance, higher melting point or functional properties. However, all technical ceramics are brittle at room temperature, which severely limits the areas of application. Metals are tough and ductile and fail “good-natured”, while ceramics fail due to catastrophic breakage. This means that, on the one hand, stress peaks are not reduced, which means that cracks can easily develop and grow in the ceramics, and on the other hand, the materials are almost impossible to deform plastically. This prevents their use in numerous areas, severely restricts the processing methods and thus the exploitation of the potential of ceramic materials.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und entsprechend verbesserte polykristalline Kera miken bereitzustellen. Against this background, the object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art and to provide correspondingly improved polycrystalline Kera mics.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Patentansprüche gelöst. The object is achieved by the subject matter of the claims.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch eine polykristalline Keramik, a) wobei die Keramik bei Nanoindentation mit einem Spitzenradius von 50-200 nm an min destens 30 von 50 Eindrücken mit einem Mindestabstand zueinander von 20 pm bei ei ner Maximallast von 5 mN unterhalb von bevorzugt 1,5 GPa, weiter bevorzugt von unter halb von 1 GPa, noch weiter bevorzugt von unterhalb von 0,5 GPa nicht elastisches Ver halten aufweist und/oder die Keramik bei höchstens 20 von 50 Eindrücken einen Über gang von elastischem zu plastischen Verhalten (englisch: „pop-in“) oberhalb von 1 GPa aufweist, und b) wobei die Keramik eine Rissspitzenbruchzähigkeit von mindestens 3,5 MPa m1/2, weiter bevorzugt mindestens 4 MPa m1/2, noch weiter bevorzugt mindestens 5 MPa m1/2 bei Umsetzung in einer beliebigen Keramik mit Ausnahme der Keramiken mit einer Pero- vskitkristallstruktur aufweist. Bevorzugt weist die Keramik eine Rissspitzenbruchzähig keit von 3,5 MPa m1/2 bis 40 MPa m1/2, bevorzugt von 5 MPa m1/2 bis 20 MPa m1/2 auf. Für Keramiken mit Perovskitkristallstuktur wird eine Rissspitzenbruchzähigkeit von min destens 2 MPa m1/2 bevorzugt, weiter bevorzugt von mindestens 2,5 MPa m1/2 noch wei ter bevorzugt von mindestens 3,5 MPa m1/2. Für Keramiken mit Perovskitkristallstuktur wird eine Rissspitzenbruchzähigkeit von 2 MPa m1'2 bis 35 MPa m1/2 bevorzugt, weiter bevorzugt von 3 MPa m1/2 bis 20 MPa m1/2 Die Rissspitzenbruchzähigkeit beschreibt nur die Zähigkeit an der Rissspitze und ist klar von der Gesamtbruchzähigkeit (geläufig nur als Bruchzähigkeit bezeichnet) zu unterscheiden, welche auch Mechanismen weit hinter der Rissspitze wie z.B. Rissüberbrückung einschließt. Nur mit einer hohen Rissspitzen bruchzähigkeit können auch kurze Risse von z.B. 1 pm oder 10 pm Länge effektiv auf gehalten werden, wodurch eine massiv erhöhte Festigkeit und Betriebszuverlässigkeit erreicht werden kann. The object is achieved in particular by a polycrystalline ceramic, a) the ceramic with nanoindentation with a tip radius of 50-200 nm at least 30 out of 50 impressions with a minimum distance from each other of 20 pm at a maximum load of 5 mN below preferably 1 .5 GPa, more preferably less than 1 GPa, even more preferably less than 0.5 GPa, exhibits non-elastic behavior and / or the ceramic exhibits a transition from elastic to plastic behavior with at most 20 out of 50 impressions. "Pop-in") above 1 GPa, and b) wherein the ceramic has a crack tip fracture toughness of at least 3.5 MPa m 1/2 , more preferably at least 4 MPa m 1/2 , even more preferably at least 5 MPa m 1 / 2 when implemented in any ceramic with the exception of ceramics with a Pero- Has vskitkristallstruktur. The ceramic preferably has a crack tip fracture toughness of 3.5 MPa m 1/2 to 40 MPa m 1/2 , preferably from 5 MPa m 1/2 to 20 MPa m 1/2 . For ceramics with a perovskite crystal structure, a crack tip fracture toughness of at least 2 MPa m 1/2 is preferred, more preferably of at least 2.5 MPa m 1/2, still further preferably of at least 3.5 MPa m 1/2 . For ceramics with a perovskite crystal structure, a crack tip fracture toughness of 2 MPa m 1 ' 2 to 35 MPa m 1/2 is preferred, more preferably from 3 MPa m 1/2 to 20 MPa m 1/2 Clearly distinguishable from the total fracture toughness (commonly referred to as fracture toughness), which also includes mechanisms far behind the crack tip such as crack bridging. Only with a high crack tip fracture toughness can short cracks of, for example, 1 μm or 10 μm in length be effectively kept open, whereby a massively increased strength and operational reliability can be achieved.
Die erhöhte Duktilität aus a) führt vorzugsweise zu einer reduzierten Rissbildung, so dass die Keramik bei einem Vickerseindruck von mindestens 10 g, bevorzugt von mindestens 15 g, wei ter bevorzugt von mindestens 25 g, noch weiter bevorzugt von mindestens 50 g, noch weiter bevorzugt von mindestens 100 g, weniger als durchschnittlich 1 ,5 Risse aufweist. Optional be trägt der Vickerseindruck maximal 150 g, vorzugsweise maximal 100 g, vorzugsweise maximal 60 g, vorzugsweise maximal 30 g, vorzugsweise maximal 20 g. Optional weist die Keramik mehr als 0,01 , vorzugsweise mehr als 0,05, Risse auf. Wie insbesondere in b) beschrieben, wird die Betriebszuverlässigkeit der Keramik vorzugsweise durch die Kontrolle kurzer Risse kontrolliert. In diesem Fall ist besonders bevorzugt die Risslänge auf null reduziert. The increased ductility from a) preferably leads to reduced crack formation, so that the ceramic with a Vickers impression of at least 10 g, preferably of at least 15 g, further preferably of at least 25 g, even more preferably of at least 50 g, even more preferred of at least 100 g, less than an average of 1.5 cracks. Optionally, the Vickers impression carries a maximum of 150 g, preferably a maximum of 100 g, preferably a maximum of 60 g, preferably a maximum of 30 g, preferably a maximum of 20 g. Optionally, the ceramic has more than 0.01, preferably more than 0.05, cracks. As described in particular in b), the operational reliability of the ceramic is preferably controlled by controlling short cracks. In this case, the crack length is particularly preferably reduced to zero.
Bevorzugt weist die Keramik mindestens 1 *109 Versetzungsquellen pro cm3 jedoch nicht mehr als 1018 cm-3 und/oder mindestens eine Versetzungsquelle pro Korn auf (im Gegensatz zu eindi mensionalen Versetzungen, welche in cm-2 gemessen werden, sind nulldimensionale Verset zungsquellen in cm-3 zu messen). The ceramic preferably has at least 1 * 10 9 dislocation sources per cm 3 but not more than 10 18 cm -3 and / or at least one dislocation source per grain (in contrast to one-dimensional dislocations, which are measured in cm -2 , zero-dimensional displacements are measurement sources in cm -3 ).
Versetzungsquellen sind unter anderem z.B. Leerstellencluster, Versetzungsringe (Gleitringe), welche durch Versetzungsbewegung hinterlassen werden, Korngrenzen (unter bestimmten Be dingungen), Leerstellenkomplexe, welche durch Versetzungsbewegung hinterlassen werden und kinematische Quellen („Theory of dislocations“ 3rd edition Peter M. Anderson, John P. Hirth und Jens Lothe, Cambridge University Press). Sources of dislocation include, for example, vacancy clusters, dislocation rings (slip rings) which are left behind by dislocation movement, grain boundaries (under certain conditions), vacancy complexes which are left behind by dislocation movement and kinematic sources ("Theory of Dislocations" 3 rd edition Peter M. Anderson, John P. Hirth and Jens Lothe, Cambridge University Press).
Versetzungen sind eindimensionale Kristalldefekte, welche für die plastische Verformbarkeit der meisten Metalle verantwortlich sind und dort auch eine sehr lokale plastische Verformung er möglichen. Dadurch entsteht ein Abbau von Spannungsspitzen an Spannungskonzentratoren wie Kerben oder Poren. Ebenso bilden sie sich an einer Rissspitze, indem sie dort nukleieren und durch ihre Bewegung duktile Verformung ermöglichen, welche zu einer massiv erhöhten Bruchzähigkeit führt. Diese Region an der Rissspitze wird als „Plastische Zone“ bezeichnet. Nach einschlägiger Meinung in der Fachliteratur, (Ritchie, R. O. The conflicts between strength and toughness. Nat Mater 10, 817-822, doi:10.1038/Nmat3115 (2011) und Evans, A.G., Per spective on the Development of High-Toughness Ceramics. Journal of the American Ceramic Society, 1990. 73(2): p. 187-206.), wurde dieser Mechanismus für Keramiken nie für eine Ver- zähung in Betracht gezogen. Dislocations are one-dimensional crystal defects which are responsible for the plastic deformability of most metals and which also allow very local plastic deformation there. This results in a reduction in voltage peaks at stress concentrators like notches or pores. They also form at the tip of a crack by nucleating there and allowing ductile deformation through their movement, which leads to a massively increased fracture toughness. This region at the top of the crack is known as the "plastic zone". According to the relevant opinion in the specialist literature, (Ritchie, RO The conflicts between strength and toughness. Nat Mater 10, 817-822, doi: 10.1038 / Nmat3115 (2011) and Evans, AG, Perspective on the Development of High-Toughness Ceramics. Journal of the American Ceramic Society, 1990. 73 (2): p. 187-206.), This mechanism for ceramics was never considered for interlocking.
Es gibt jedoch viele Keramiken, in welchen Versetzungsbewegung bei Raumtemperatur mög lich ist und somit die zentrale Grundvoraussetzung für eine plastische Zone, dass Versetzungen mobil sind, gegeben ist. Deren Einkristalle wurden vielfach erfolgreich bei Raumtemperatur ver formt (Brunner, D., et al., Surprising Results ofa Study on the Plasticity in Strontium Titanate. Journal of the American Ceramic Society, 2001. 84(5): p. 1161-1163. Amodeo, J., et al., Dislo cations and Plastic Deformation in MgO Crystals: A Review. Crystals, 2018. 8(6). Gilman, J.J. and W.G. Johnston, Dislocations in Lithium Fluoride Crystals. Solid State Physics-Advances in Research and Applications, 1962. 13: p. 147-222). Trotz der Verformbarkeit der Einkristalle sind polykristalline Keramiken nicht plastisch verformbar wie es bei Metallen der Fall ist. Um dies zu erklären, muss das Taylorkriterium erläutert werden: Es besagt, dass für eine beliebige Verfor mung eines Polykristalls fünf unabhängige Gleitsysteme notwendig sind. 1963 wurde diskutiert, dass viele Keramiken nicht genügend unabhängige Gleitsysteme haben (Groves, G.W. and A. Kelly, Independent slip Systems in crystals. Philosophical Magazine, 1963. 8(89): p. 877-887.). Wenn nicht genügend unabhängige Gleitsysteme existieren, versagt ein Werkstoff nach mini maler plastischer Deformation, z.B. unterhalb von 0.5% (Scott, W.D. and J.A. Pask,However, there are many ceramics in which dislocation movement is possible at room temperature and thus the central basic requirement for a plastic zone, that dislocations are mobile, is given. Their single crystals have often been successfully deformed at room temperature (Brunner, D., et al., Surprising Results of a Study on the Plasticity in Strontium Titanate. Journal of the American Ceramic Society, 2001. 84 (5): p. 1161-1163. Amodeo, J., et al., Dislocations and Plastic Deformation in MgO Crystals: A Review. Crystals, 2018. 8 (6). Gilman, JJ and WG Johnston, Dislocations in Lithium Fluoride Crystals. Solid State Physics-Advances in Research and Applications, 1962. 13: pp. 147-222). Despite the deformability of the single crystals, polycrystalline ceramics cannot be plastically deformed as is the case with metals. To explain this, the Taylor criterion must be explained: It states that five independent sliding systems are necessary for any deformation of a polycrystal. In 1963 it was discussed that many ceramics did not have enough independent slip systems (Groves, G.W. and A. Kelly, Independent slip systems in crystals. Philosophical Magazine, 1963. 8 (89): p. 877-887.). If there are not enough independent sliding systems, a material fails after minimal plastic deformation, e.g. below 0.5% (Scott, W.D. and J.A. Pask,
Deformation and Fracture of Polycrystalline Lithium Fluoride. Journal of the American Ceramic Society, 1963. 46(6): p. 284-294.). Es gibt jedoch auch Keramiken, welche vollkommen ohne plastische Deformation versagen. Der Unterschied ist aus Anwendungssicht vernachlässigbar klein und wurde nicht weiter in der Forschung behandelt. Dieser Unterschied, auch wenn er mi nimal ist, kann durch die gängigen Mechanismen physikalisch nicht korrekt beschrieben wer den. Deformation and Fracture of Polycrystalline Lithium Fluoride. Journal of the American Ceramic Society, 1963. 46 (6): p. 284-294.). However, there are also ceramics that fail completely without plastic deformation. From an application point of view, the difference is negligibly small and has not been dealt with further in research. This difference, even if it is minimal, cannot be described physically correctly by the usual mechanisms.
Vorliegend wurde nun gefunden, dass neben der Mobilität von Versetzungen und der Anzahl der unabhängigen Gleitsysteme auch die Versetzungsquellendichte für die Duktilität und Rissspitzenbruchzähigkeit eine Rolle spielen. Im Gegensatz zu Metallen ist die Versetzungs dichte bei Keramiken im Allgemeinen sehr niedrig und liegt meist unterhalb von 1 *106 cm-2 (siehe Abbildung 1). Selbst durch Versetzungsmultiplikation bei Verformung, welche nur in Ein kristallen möglich ist, lässt sich die Versetzungsdichte maximal auf einen Wert im Bereich von 1*109 crrr2 (für Strontiumtitanat z.B. 1 ,8*109 crrr2, siehe Abbildung 2) erhöhen. Falls Quellen o- der andere Kristalldefekte vorhanden sind, lassen sich daraus - auch in Keramiken - leicht neue Versetzungen generieren. In Keramiken sind diese Quellen jedoch extrem selten. Deren Abwe senheit an der Rissspitze, der Umgebung der Rissspitze und nahe bzw. an den Korngrenzen verhindert somit die Ausbildung einer effektiven plastischen Zone im Polykristall. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, polykristalline Keramiken mit verbesserten me chanischen Eigenschaften, insbesondere mit verbesserter Rissspitzenbruchzähigkeit bereitzu stellen. It has now been found that, in addition to the mobility of dislocations and the number of independent slip systems, the dislocation source density also play a role for the ductility and crack-tip fracture toughness. In contrast to metals, the dislocation density in ceramics is generally very low and is usually below 1 * 10 6 cm -2 (see Figure 1). Even by multiplication of dislocations in the event of deformation, which is only possible in single crystals, the dislocation density can be reduced to a maximum value in the range of 1 * 10 9 cmr 2 (for strontium titanate e.g. 1, 8 * 10 9 cmr 2 , see Figure 2). If there are sources or other crystal defects, new dislocations can easily be generated from them - also in ceramics. However, these sources are extremely rare in ceramics. Their absence at the crack tip, the area around the crack tip and near or at the grain boundaries thus prevents the formation of an effective plastic zone in the polycrystalline. One object of the present invention is therefore to provide polycrystalline ceramics with improved mechanical properties, in particular with improved crack tip fracture toughness.
Seit Jahrtausenden werden Keramiken durch den Herstellungsprozess Sintern hergestellt, wo bei es viele Variationen gibt. Wir schlagen nun vor, den Herstellungsprozess des Sinterns sub stantiell zu verändern, vollständig zu ersetzen oder durch neuartige Vor- oder Nachbehandlun gen zu ergänzen. For millennia, ceramics have been manufactured using the sintering process, where there are many variations. We are now proposing to substantially change the sintering manufacturing process, to replace it completely or to supplement it with new types of pre- or post-treatment.
Die für Metalle bekannten Mechanismen lassen sich aus folgenden Gründen nicht ohne weite res auf Keramiken übertragen. The mechanisms known for metals cannot easily be transferred to ceramics for the following reasons.
1) Die Versetzungsdichte ist in den bekannten Keramiken um mehrere Größenordnungen niedriger als in Metallen, wodurch die dominierenden Mechanismen grundlegend ver schieden sind. 1) The dislocation density in the known ceramics is several orders of magnitude lower than in metals, which means that the dominant mechanisms are fundamentally different.
2) Bei Metallen sind die „Frank-Read-Quelle“ und davon abgeleitete Mechanismen die wichtigsten Versetzungsquellen. Oftmals wird in den relevanten Vorlesungen nur die Frank-Read-Quelle als Versetzungsquelle unterrichtet, welche genügt, um das Verhalten von Metallen weitgehend zu verstehen. Diese spielt jedoch in Keramiken nahezu keine Rolle. Im Gegensatz dazu sind in Keramiken eine Reihe anderer Mechanismen wichtig. 2) In the case of metals, the "Frank-Read source" and the mechanisms derived from it are the most important sources of dislocation. Often only the Frank-Read source is taught in the relevant lectures as a displacement source, which is sufficient to largely understand the behavior of metals. However, this plays almost no role in ceramics. In contrast, a number of other mechanisms are important in ceramics.
3) In den meisten Metallen ist es möglich, Versetzungen direkt an der Rissspitze zu erzeu gen. Für die Entstehung einer „Plastischen Zone“, welche die Bruchzähigkeit substantiell erhöht, ist dies sehr hilfreich. In Keramiken ist dies jedoch ein zentrales Problem. Wiede rum ist die Erzeugung von Versetzungen an der Rissspitze als Ausgangspunkt für eine plastische Zone in Metallen völlig selbstverständlich. 3) In most metals it is possible to create dislocations directly at the crack tip. This is very helpful for the creation of a “plastic zone”, which substantially increases the fracture toughness. However, this is a key problem in ceramics. In turn, the generation of dislocations at the crack tip as a starting point for a plastic zone in metals is completely natural.
4) In Metallen wird die Anzahl von Versetzungen häufig durch Verformung erhöht, um die Metalle zu härten, mit dem Kaltwalzen als bekanntem Verfahren dafür, wobei Versetzun gen in Keramiken, im Gegensatz zu Metallen, zur Erweichung führen sollen. Abgesehen von weiteren Gründen ist die Verformung bereits durch das Taylorkriterium in Keramiken unmöglich. Alle Keramiken nach Stand der Technik versagen spröde bei einem Verfor mungsversuch. Die Versetzungsdichte kann somit durch Verformung in Polykristallen nicht erhöht werden. ) Polykristalline Keramiken, welche keine Versetzungen beinhalten, versagen ohne nen nenswerte plastische Dehnung. Polykristalline Keramiken, welche (wenige) Versetzun gen beinhalten, versagen nach weniger als 0,5% plastischer Dehnung. Dieser Unter schied erscheint aus Ingenieurssicht vollkommen vernachlässigbar und experimentelle Beispiele hierfür sind sehr selten. Weiterhin besagt das Taylorkriterium, dass die meis ten Keramiken nicht genügend Gleitsysteme für beliebige Verformung haben, wodurch sie nach weniger als 0,5% Verformung versagen müssen. Dies legt bislang nahe, dass Versetzungen in Keramiken nicht wert sind, weiter diskutiert zu werden. Die Übertragung von Verformbarkeit von einem Korn zum nächsten ist jedoch nicht nur durch das Taylor kriterium limitiert, sondern auch durch die Möglichkeit, Versetzungen im Nachbarkorn zu nukleieren, auch wenn der beobachtete Unterschied in den mechanischen Eigenschaf ten zunächst sehr klein ist. ) Zusätzlich zur in Punkt 5) genannten Irrelevanz für die direkte technische Anwendung sind wichtige Mechanismen experimentell in Keramiken nur äußerst schwer zu beobach ten. Da sie im gleichen Bereich auftreten, in welchen das Taylorkriterium ein Versagen der Keramik fordert, ist eine Abgrenzung erschwert. Daher ist der Wissenstand darüber, welcher Mechanismus übertragbar ist und welcher nicht, bis heute lückenhaft. ) In Keramischen Einkristallen lassen sich Versetzungen durch mechanische Verformung in Anlehnung zu Metallen einbringen. Eine Maximale Versetzungsdichte im Bereich von 1*109 cm-2 stellt sich ein. Eine Erhöhung der Rissspitzenbruchzähigkeit wird jedoch auch in Bereichen maximaler Versetzungsdichte nicht nennenswert beobachtet und die Kris talle zersplittern oft noch während des Verformungsversuches. Es ist kein Fall bekannt, in welchem Verformung zu einer nennenswerten Erhöhung der Rissspitzenbruchzähig keit geführt hat. ) Die zuvor genannten Punkte wirken sich auf die Duktilität und Bruchzähigkeit auf eine miteinander verwobene Art und Weise aus. Für ein korrektes Verständnis ist es notwen dig, mehrere der zuvor genannten Gedankenschritte gleichzeitig zu tun und deren Aus wirkungen aufeinander zu verstehen. Wird einer der Punkte in der Betrachtung zunächst ausgelassen oder separat diskutiert, wird man nicht zum hier präsentierten Ergebnis ge langen. Hierzu gehört das Wissen, a) dass in vielen Keramiken Versetzungen mobil sind, b) dass die Versetzungsdichte extrem gering ist, c) die Versetzungsquellendichte extrem gering ist, d) dass die Multiplikation von Versetzungen sehr einfach ist, jedoch die Nukleation von Versetzungen nicht ohne weiteres stattfindet, e) die durch Verset zungsmultiplikation erreichbare Versetzungsdichte eine deutliche Obergrenze aufweist f) Versetzungsdichten jenseits dieser natürlichen Obergrenze erfordert sind g) die Erkennt nis, dass neben dem Taylorkriterium die Möglichkeit, im Nachbarkorn neue Versetzun gen zu nukleieren, den Transfer von Verformung von einem Korn zum nächsten mitbe stimmt, obwohl dies in makroskopischen Verformungsversuchen zunächst einen fast vernachlässigbaren Unterschied macht, und, h) dass die Nukleation von Versetzungen an der Rissspitze in Metallen einfach ist, jedoch in Keramiken ein zentrales Problem wodurch eher ungewöhnliche Versetzungsquellen die zentrale Rolle spielen. 4) In metals, the number of dislocations is often increased by deformation in order to harden the metals, with cold rolling being a known method for this, with dislocations in ceramics, as opposed to metals, being said to lead to softening. Apart from other reasons, the deformation is already due to the Taylor criterion in ceramics not possible. All ceramics according to the state of the art fail brittle when attempted to deform. The dislocation density can therefore not be increased by deformation in polycrystals. ) Polycrystalline ceramics that do not contain any dislocations fail without any significant plastic expansion. Polycrystalline ceramics, which contain (few) misalignments, fail after less than 0.5% plastic elongation. From an engineering point of view, this difference appears completely negligible and experimental examples of this are very rare. Furthermore, the Taylor criterion states that most ceramics do not have enough sliding systems for any deformation, which means that they must fail after less than 0.5% deformation. So far, this suggests that dislocations in ceramics are not worth discussing further. The transfer of deformability from one grain to the next is not only limited by the Taylor criterion, but also by the possibility of nucleating dislocations in the neighboring grain, even if the observed difference in mechanical properties is initially very small. ) In addition to the irrelevance for direct technical application mentioned in point 5), important mechanisms are extremely difficult to observe experimentally in ceramics. Since they occur in the same area in which the Taylor criterion calls for a failure of the ceramic, delimitation is difficult. Therefore, the level of knowledge about which mechanism is transferable and which is not is patchy to this day. ) In ceramic single crystals, dislocations can be introduced by mechanical deformation based on metals. A maximum dislocation density in the range of 1 * 10 9 cm -2 is established. An increase in the crack tip fracture toughness is, however, not noticeably observed even in areas of maximum dislocation density and the crystals often shatter during the deformation attempt. No case is known in which deformation has led to a significant increase in the crack tip fracture toughness. ) The aforementioned points affect ductility and fracture toughness in an intertwined manner. For a correct understanding, it is necessary to do several of the aforementioned thought steps at the same time and to understand their effects on one another. If one of the points is initially left out or discussed separately, the result presented here will not be reached. This includes the knowledge a) that dislocations are mobile in many ceramics, b) that the dislocation density is extremely low, c) the dislocation source density is extremely low, d) that the multiplication of dislocations is very simple, but the nucleation of dislocations does not take place easily, e) the dislocation density achievable by dislocation multiplication has a clear upper limit f) dislocation densities beyond this natural upper limit are required g) the knowledge nis that, in addition to the Taylor criterion, the possibility of nucleating new dislocations in the neighboring grain also determines the transfer of deformation from one grain to the next, although this initially makes an almost negligible difference in macroscopic deformation tests, and, h) that the nucleation of dislocations at the crack tip in metals is simple, but a central problem in ceramics, whereby rather unusual dislocation sources play the central role.
In keramischen Einkristallen lassen sich die wenigen mobilen Versetzungen in jedes Kristallvo lumen hinein bewegen und multiplizieren, wodurch der gesamte Kristall gut verformt werden kann. Für die mechanischen Eigenschaften eines Polykristalls sind jedoch sehr kleine Volumina in einzelnen Körnern verantwortlich, welche eigenständig eine Verformung durchführen können müssen z.B. an einer Korngrenze oder an einer Rissspitze. In Metallen sind genügend Verset zungsquellen vorhanden und es können neue Versetzungen an einer Rissspitze nukleiert wer den. In Keramiken sind jedoch durch die geringe Anzahl statistisch gesehen nur selten Verset zungen im relevanten Volumen vorhanden und eine Nukleation von Versetzungen unter rele vanten Bedingungen ist nicht möglich. Daher können sich die kritischen Volumina z.B. an einer Korngrenze oder einer Rissspitze und der Umgebung der Rissspitze nicht verformen, wodurch das Verhalten von Keramiken spröde ist. In ceramic single crystals, the few mobile dislocations in each crystal volume can be moved and multiplied, which means that the entire crystal can be easily deformed. However, very small volumes in individual grains are responsible for the mechanical properties of a polycrystal, which must be able to perform a deformation independently, e.g. at a grain boundary or at a crack tip. There are enough sources of dislocation in metals and new dislocations can be nucleated at a crack tip. In ceramics, however, due to the small number, statistically speaking, dislocations are rarely present in the relevant volume and a nucleation of dislocations under relevant conditions is not possible. Therefore, the critical volumes, e.g. at a grain boundary or a crack tip and the area around the crack tip, cannot deform, which means that the behavior of ceramics is brittle.
Die Lösung des Problems durch die vorliegende Erfindung besteht in der Erhöhung der Verset zungsquellendichte. Mit einer besonders hohen Versetzungsquellendichte kann wider aller Er wartungen eine plastische Zone ermöglicht werden. The solution to the problem by the present invention is to increase the displacement source density. With a particularly high density of dislocation sources, contrary to all expectations, a plastic zone can be made possible.
Die Versetzungsdichte kann in polykristallinen Keramiken nicht wie in Metallen durch Verfor mung erhöht werden, da die Verformung nach Stand der Technik nicht möglich ist. Selbst in ke ramischen Einkristallen, welche oftmals verformbar sind, stellt sich eine durch die Multiplikati onsmechanismen bedingte obere Grenzversetzungsdichte ein, welche für eine plastische Zone nicht ausreichend ist. Verformung muss bei niedrigen Spannungen in jedem beliebigen Volu men möglich sein. Die Möglichkeit dazu kann mittels Nanoindentierung getestet werden (siehe Abbildung 3 und Abbildung 4). Eine substantiell erhöhte Versetzungsquellendichte kann die be nötigte Versetzungsdichte in den relevanten Volumina bereitstellen. The dislocation density in polycrystalline ceramics cannot be increased by deformation as in metals, since deformation is not possible according to the prior art. Even in ceramic single crystals, which are often deformable, there is an upper limit dislocation density caused by the multiplication mechanisms, which is not sufficient for a plastic zone. Deformation must be possible in any volume at low stresses. The possibility of this can be tested using nanoindentation (see Figure 3 and Figure 4). A substantially increased dislocation source density can provide the necessary dislocation density in the relevant volumes.
In Metallen ist es möglich, Versetzungen an einer Rissspitze zu nukleieren. Die Nukleation er folgt damit bei Metallen im Belastungsfall im gewünschten Volumen ohne weiteres Zutun. Dies führt zu einer abgestumpften Rissspitze und damit zu einer erhöhten Rissspitzenbruchzähigkeit. Die hohe Rissspitzenbruchzähigkeit sorgt dafür, dass sich die Spannungen gut verteilen und Versetzungsbewegung in einem sehr großen Bereich um die Rissspitze erfolgen kann. Je grö ßer der Bereich, je geringer die Versetzungsdichte, bei welcher sich die plastische Zone selbst verstärken kann. Nukleation von Versetzungen an der Rissspitze ist bei Keramiken hingegen bei Raumtemperatur ein zentrales Problem. Weiterhin sind Versetzungen und Versetzungsquel len in Keramiken nach Stand der Technik auch in der Umgebung der Rissspitze und an Korn grenzen sowie deren Umgebung nicht ausreichend vorhanden. In metals it is possible to nucleate dislocations at a crack tip. The nucleation he follows with metals in the case of stress in the desired volume without further action. this leads to a blunted crack tip and thus to an increased crack tip fracture toughness. The high crack tip fracture toughness ensures that the stresses are well distributed and dislocation movement can take place in a very large area around the crack tip. The larger the area, the lower the dislocation density at which the plastic zone can strengthen itself. In contrast, nucleation of dislocations at the crack tip is a central problem with ceramics at room temperature. Furthermore, dislocations and sources of displacement in ceramics according to the state of the art are also not sufficiently present in the vicinity of the crack tip and on grain boundaries and their surroundings.
Die Rissspitzenbruchzähigkeit in einer Keramik vom Stand der Technik ist extrem gering. Damit ist der Bereich, in welchem die Spannung ausreichend groß ist, damit Versetzungsbewegung überhaupt stattfinden kann, extrem klein. Die Größe des Bereiches ist vermutlich invers quadra tisch proportional zur Rissspitzenbruchzähigkeit. Geeignete Versetzungen müssen in diesem bei Keramiken gegenüber Metallen nochmals vielfach kleineren Bereich Vorkommen. Dies be deutet, dass eine noch viel größere Versetzungsdichte bzw. Versetzungsquellendichte in der Umgebung notwendig ist, um einen sich selbst verstärkenden Mechanismus der plastischen Zone zu erhalten. Zusätzlich würden Korngrenzen ohne Nukleation in Nachbarkorn die Verfor mung auf einzelne Körner beschränken und damit die Größe der plastischen Zone maßgeblich reduzieren. Die Beschränkung der Verformbarkeit auf ein Korn schließt auch die plastische Ver formbarkeit eines Polykristalls aus. Daher muss eine Nukleation im gewünschten Volumen (z.B. der Korngrenze, bzw. deren Nähe und der Umgebung der Rissspitze) herbeigeführt werden.The crack tip fracture toughness in a ceramic of the prior art is extremely low. This means that the area in which the stress is large enough for dislocation movement to take place at all is extremely small. The size of the area is presumably inversely quadratic proportional to the crack tip fracture toughness. In this area, suitable dislocations must occur in this area, which is much smaller in the case of ceramics than in metals. This means that an even greater dislocation density or dislocation source density in the environment is necessary in order to obtain a self-reinforcing mechanism of the plastic zone. In addition, grain boundaries without nucleation in neighboring grains would restrict the deformation to individual grains and thus significantly reduce the size of the plastic zone. The restriction of the deformability to one grain also excludes the plastic deformability of a polycrystal. Therefore, a nucleation in the desired volume (e.g. the grain boundary or its proximity and the area around the crack tip) must be brought about.
Die Lösung des Problems durch die vorliegende Erfindung besteht in der Erhöhung der Verset zungsquellendichte welche zum einen die Bereitstellung Versetzungen in einem beliebigen rele vanten Volumen ermöglicht als auch Schlüssel zur Erzielung der lokalen Versetzungsdichte ist. So wird wider aller Erwartung lokale Verformung in beliebigen Volumina und damit auch eine plastische Zone möglich. Zum einen ermöglichen Versetzungsquellen die Nukleation an oder in der Nähe der Rissspitze. Zum anderen kann durch eine besonders hohe Versetzungsquellen dichte lokal die Versetzungsdichte um mehr als das Hundertfache über den durch Multiplikation erreichbaren Wert erhöht werden. Es ist auch möglich Versetzungsquellen unter besonderen Rahmenbedingungen (wie z.B. zusätzliche hydrostatische Drücke von z.B. über 500 MPa oder Temperaturen von z.B. über 800°C) bereits während der Herstellung zu aktivieren. The solution to the problem by the present invention consists in increasing the dislocation source density, which on the one hand enables dislocations to be provided in any relevant volume and is also the key to achieving the local dislocation density. In this way, contrary to all expectations, local deformation in any volume and thus also a plastic zone is possible. On the one hand, dislocation sources enable nucleation at or near the crack tip. On the other hand, a particularly high dislocation source density can locally increase the dislocation density by more than a hundred times the value that can be achieved by multiplication. It is also possible to activate dislocation sources under special conditions (e.g. additional hydrostatic pressures of e.g. over 500 MPa or temperatures of e.g. over 800 ° C) already during production.
Dafür sind neuartige Synthesewege notwendig, da das Sintern, welches der etablierte Herstel lungsprozess für Keramiken ist, sehr effektiv die Versetzungsdichte und die Versetzungsquel lendichte auf ein Minimum reduziert. Die grundlegende Machbarkeit der Erhöhung der Verset zungsquellendichte wurde jüngst demonstriert (Jin, K., et al., Quantifying early stage Irradiation damage from nanoindentation pop-in tests. Scripta Materialia, 2018. 157: p. 49-53). Bisher war jedoch nicht bekannt, dass die Versetzungsquellendichte ein wichtiger Parameter ist, um die oben genannten Eigenschaften polykristalliner Keramik zu verbessern. Wenn genügend unab hängige Gleitsysteme mobil sind, ergibt sich durch die Einbringung von genügend Versetzungs quellen die vollständige plastische Verformbarkeit. Eine lokale Verformung und damit die Bil dung einer plastischen Zone und daraus folgend eine Erhöhung der Rissspitzenbruchzähigkeit ist auch mit weniger als 5 unabhängigen Gleitsystemen möglich. In Groves, G.W. and A. Kelly, Independent slip Systems in crystals. Philosophical Magazine, 1963. 8(89): p. 877-887 werden einige Metalle genannt, welche nicht genügend unabhängige Gleitsysteme haben. Dennoch sind diese Metalle deutlich bruchzäher als alle Keramiken. Auch eine deutlich höhere Duktilität wird beobachtet. Novel synthesis routes are necessary for this, as sintering, which is the established manufacturing process for ceramics, very effectively reduces the dislocation density and the dislocation source density to a minimum. The basic feasibility of increasing the offset source density was recently demonstrated (Jin, K., et al., Quantifying early stage Irradiation damage from nanoindentation pop-in tests. Scripta Materialia, 2018. 157: p. 49-53). So far it was however, it is not known that the dislocation source density is an important parameter to improve the above properties of polycrystalline ceramics. If enough independent sliding systems are mobile, the introduction of sufficient dislocation sources results in complete plastic deformability. A local deformation and thus the formation of a plastic zone and consequently an increase in the crack tip fracture toughness is also possible with less than 5 independent sliding systems. In Groves, GW and A. Kelly, Independent slip Systems in crystals. Philosophical Magazine, 1963. 8 (89): p. 877-887 some metals are named which do not have enough independent sliding systems. Nevertheless, these metals are much tougher than all ceramics. A significantly higher ductility is also observed.
Wenn die Korngröße, welche bevorzugt nach DIN EN 623-3 bestimmt wird, besonders klein ist, können besonders leicht nachteilige konkurrierende Verformungsmechanismen auftreten. Wei terhin ist die Distanz, welche eine Versetzung zurücklegen kann und damit deren Effektivität der Versetzungen und Versetzungsquellen für die gewünschten Eigenschaften bei kleinen Körnern besonders gering. Daher ist eine Korngröße von bevorzugt 100 nm bis 250 pm, weiter bevor zugt von 200 nm bis 100 pm vorteilhaft. If the grain size, which is preferably determined in accordance with DIN EN 623-3, is particularly small, disadvantageous competing deformation mechanisms can occur particularly easily. Furthermore, the distance that a dislocation can cover and thus the effectiveness of the dislocations and dislocation sources for the desired properties is particularly low in the case of small grains. A grain size of preferably 100 nm to 250 μm, more preferably from 200 nm to 100 μm, is therefore advantageous.
Zur möglichen Erhöhung der Versetzungsquellendichte (insbesondere im gesamten Volumen) sind erfindungsgemäß eine Reihe von Verfahren möglich. Da sich z.B. der Schmelzpunkt der beanspruchten Materialien über einen Bereich von über 2000 °C erstreckt (z.B. von Lithiumfluo rid: 848 °C, z.B. von Magnesiumoxid: 2852 °C), variieren die Verfahrensparameter zwischen den Materialklassen entsprechend deutlich. Insbesondere sind diese Verfahren bevorzugt aus gewählt aus der Gruppe bestehend aus: In order to increase the dislocation source density (in particular in the entire volume), a number of methods are possible according to the invention. Since, for example, the melting point of the claimed materials extends over a range of over 2000 ° C (e.g. of lithium fluoride: 848 ° C, e.g. of magnesium oxide: 2852 ° C), the process parameters vary significantly between the material classes. In particular, these methods are preferably selected from the group consisting of:
- Versetzungskriechen bei hoher Temperatur, insbesondere zwischen 50% und 90% der Schmelztemperatur in Kelvin bei mechanischen Belastungen, die innerhalb einer Zeit von weni ger als 10 Tagen zu einer plastischen Verformung von mehr als 0,5% führen, - Dislocation creep at high temperature, in particular between 50% and 90% of the melting temperature in Kelvin with mechanical loads that lead to plastic deformation of more than 0.5% within a period of less than 10 days,
- Plastische Verformung bei hoher Temperatur, insbesondere zwischen 30% und 98% der Schmelztemperatur in Kelvin bei mechanischen Belastungen, die mindestens die Streckgrenze der Keramik bei der Temperatur beträgt, mit einer plastischen Verformung zwischen 0,5% und 80%, bevorzugt zwischen 0,5% und 25%, weiter bevorzugt zwischen 0,5% und 20% und Dehn raten im Bereich von 105 s_1 bis 103 s_1, - Plastic deformation at high temperature, in particular between 30% and 98% of the melting temperature in Kelvin at mechanical loads that are at least the yield point of the ceramic at that temperature, with plastic deformation between 0.5% and 80%, preferably between 0, 5% and 25%, more preferably between 0.5% and 20% and elongation rates in the range from 10 5 s _1 to 10 3 s _1 ,
- Reduktion und dadurch Kondensation von Sauerstoffleerstellen und Bildung von Versetzungs schleifen in einer Atmosphäre mit einem Sauerstoffpartialdruck im bevorzugten Bereich von 108 Bar bis 103° Bar, weiter bevorzugt von 1015 Bar bis 1027 Bar, - Bestrahlung bevorzugt mit massereichen Strahlungspartikeln wie z.B. Ionen und Neutronen und Bildung von Strahlungsschäden, die sich zu Versetzungen und Versetzungsquellen entwickeln, - Reduction and thereby condensation of oxygen vacancies and formation of dislocation loops in an atmosphere with an oxygen partial pressure in the preferred range from 10 8 bar to 10 3 ° bar, more preferably from 10 15 bar to 10 27 bar, - Irradiation preferably with massive radiation particles such as ions and neutrons and formation of radiation damage that develops into dislocations and dislocation sources,
- Mikroausscheidungen (siehe Abbildung 11), - micro-precipitates (see Figure 11),
- Elektrische Felder beim Sintervorgang, dazu zählen auch das flash sintering oder das spark plasma sintering mit Strömen im bevorzugten Bereich von z.B. mindestens 0.1 Acnr2 und höchstens durchschnittlich 2 MAcnr2, - Electric fields during the sintering process, including flash sintering or spark plasma sintering with currents in the preferred range of, for example, at least 0.1 Acnr 2 and at most an average of 2 MAcnr 2 ,
- Aerosolabscheidung (ein Prozess der Raumtemperaturabscheidung von Körnern mit plastischer Verformung), - aerosol deposition (a process of room temperature deposition of grains with plastic deformation),
- Bestrahlung im Raster mit Femtosekunden Laserpulsen mit einem Fokuspunkt im Materialvolumen. Pulsenergien von z.B. 5 bis 10 Mikrojoule, insbesondere etwa 7,5 Mikrojoule sind bevorzugt. Mehrfachpulse von z.B. 10 bis 1000 Pulsen sind bevorzugt, - Irradiation in the grid with femtosecond laser pulses with a focus point in the material volume. Pulse energies of, for example, 5 to 10 microjoules, especially about 7.5 microjoules, are preferred. Multiple pulses of e.g. 10 to 1000 pulses are preferred,
- Temperaturzyklen mit Abkühlraten von größer als 25 Kelvin pro Minute, und - Temperature cycles with cooling rates of more than 25 Kelvin per minute, and
- Kombinationen von zwei oder mehr davon. - combinations of two or more of them.
Es wird betont, dass die Erfindung auf viele Materialklassen z.B. Perovskite, Diboride von Übergangsmetallen, Keramiken mit Natriumchloridkristallstruktur, Keramiken mit Zinkblendekristallstruktur und Keramiken mit Wurtzitkristallstruktur angewendet werden kann. Einige Halbleiter sind auch als Keramik anzusehen. Speziell genannt werden z.B. die Keramiken der Titanate und Niobate der Perowskitstruktur, z.B. BaTiCh, SrTiCh, KNbCh, sodann Diboride wie z.B. Zrß2, T1B2, HfB2, Materialien der Natriumchloridstruktur wie LiF, MgO und Keramiken der Zinkblende oder Wurtzitstruktur, wie z.B. ZnS und ZnO. It is emphasized that the invention can be applied to many classes of materials, e.g. perovskites, diborides of transition metals, ceramics with a sodium chloride crystal structure, ceramics with a zinc blende crystal structure and ceramics with a wurtzite crystal structure. Some semiconductors can also be regarded as ceramics. Specifically mentioned are e.g. the ceramics of the titanates and niobates of the perovskite structure, e.g. BaTiCh, SrTiCh, KNbCh, then diborides such as Zrß2, T1B2, HfB2, materials of the sodium chloride structure such as LiF, MgO and ceramics of the zinc blende or wurtzite structure such as ZnS and ZnO.
Die Übertragbarkeit auf weitere Materialklassen ist insbesondere dann gegeben, wenn in jener Materialklasse Versetzungsbewegung bei relevanter Temperatur, z.B. Raumtemperatur, möglich ist. Diese kann z.B. durch die Verformung von Einkristallen oder durch Indentation gezeigt werden. Alle Keramiken und Keramikklassen, bei welchen die Beweglichkeit von Versetzungen gegeben ist, sind erfindungsgemäß. Ob eine bestimmte Klasse dies erfüllt, kann der Fachmann leicht ohne erfinderisches Zutun ermitteln, beispielsweise durch die Verformung von Einkristallen oder durch Indentation. Dies kann für jede Keramik im Einzelnen geprüft werden, bzw. ist aus verschiedenen Literaturstellen bereits bekannt. Ein Beispiel für diese Übertragbarkeit wird im Folgenden gegeben. In folgender Studie wurde Indentation in CaF2 bei Raumtemperatur untersucht (Shikimaka, O. & Grabco, D., Deformation created by Berkovich and Vickers indenters and its influence on surface morphology of indentations for Li F and CaF2 single crystals. J Phys D Appi Phys 41 , doi:Artn 074012 10.1088/0022-3727/41/7/074012 (2008)). Dort wird in Abbil dung 1 durch Ätzgrübchen gezeigt, dass sich viele Versetzungen um den Eindruck gebildet ha ben. Daher ist gezeigt, dass Versetzungen in CaF2 bei Raumtemperatur ausreichend mobil sind. Somit ist eine Umsetzbarkeit auch bei CaF2 möglich. Ferner ist die Umsetzbarkeit für alle Keramiken mit derselben Kristallstruktur gegeben. The transferability to other material classes is given in particular if in that material class dislocation movement is possible at the relevant temperature, e.g. room temperature. This can be shown, for example, by the deformation of single crystals or by indentation. All ceramics and ceramic classes in which the mobility of dislocations is given are according to the invention. The person skilled in the art can easily determine whether a certain class fulfills this requirement without inventive intervention, for example by deforming single crystals or by indentation. This can be checked individually for each ceramic or is already known from various literature sources. An example of this transferability is given below. In the following study, indentation in CaF2 at room temperature was investigated (Shikimaka, O. & Grabco, D., Deformation created by Berkovich and Vickers indenters and its influence on surface morphology of indentations for Li F and CaF 2 single crystals. J Phys D Appi Phys 41, doi: Artn 074012 10.1088 / 0022-3727 / 41/7/074012 (2008)). There it is shown by etch pits in Figure 1 that many dislocations have formed around the indentation. Therefore it is shown that dislocations in CaF2 are sufficiently mobile at room temperature. This means that it can also be implemented with CaF2. Furthermore, it can be implemented for all ceramics with the same crystal structure.
Bevorzugt sind Keramiken ausgewählt ist aus der Gruppe, welche sich durch mögliche Verset zungsmobilität bei Raumtemperatur auszeichnet. Ceramics are preferably selected from the group which is characterized by possible displacement mobility at room temperature.
Für die Erfindung sind folgende Materialklassen, definiert durch ihre Kristallstruktur, besonders bevorzugt, wobei zu jeder Kristall Struktur auch besonders bevorzugte konkrete Materialien an gegeben sind: The following material classes, defined by their crystal structure, are particularly preferred for the invention, with particularly preferred specific materials being given for each crystal structure:
Keramiken mit Perovskitkristallstruktur (Z.B. BaTiCh, SrTiCh, KNbCh), Keramiken mit Natrium chloridkristallstruktur (Z.B. NaCI, LiF, MgO), Keramiken mit Zinkblendekristallstruktur (Z.B. ZnS), Keramiken mit Wurtzitkristallstruktur (Z.B. ZnO) und/oder Keramiken mit Calciumfluoridkristall- truktur (Z.B. CaF2). Ceramics with a perovskite crystal structure (e.g. BaTiCh, SrTiCh, KNbCh), ceramics with a sodium chloride crystal structure (e.g. NaCI, LiF, MgO), ceramics with a zinc blende crystal structure (e.g. ZnS), ceramics with a wurtzite crystal structure (ZB ZnO) and / or ceramics with a calcium fluoride crystal structure (ZB CaF2).
Weitere Beispiele für bevorzugte Keramiken sind z.B. Zrß2 und HfB2. Further examples of preferred ceramics are e.g. ZrB2 and HfB2.
Alternativ oder ergänzend kann die Erfindung auf jede polykristalline Keramik übertragen wer den, mithin diese Keramik eingesetzt werden, welche sich durch die natürliche Eigenschaft der Versetzungsmobiliät bei Raumtemperatur auszeichnet. As an alternative or in addition, the invention can be applied to any polycrystalline ceramic, and therefore this ceramic is used, which is characterized by the natural property of displacement mobility at room temperature.
Im Folgenden wird die Erfindung genauer beschrieben. The invention is described in more detail below.
Die Erfindung betrifft bevorzugt eine polykristalline Keramik a) mit einer Versetzungsquellendichte von mindestens einer Versetzungsquelle pro Korn, wobei sich eine Kombination von Versetzungsquellendichte und Versetzungsquellen qualität durch die Fähigkeit auszeichnet, in jedem beliebigen Volumen im Polykristall be vorzugt 1 ,5 GPa, weiter bevorzugt von 1 GPa, weiter bevorzugt von 0,5 GPa Versetzun gen generieren zu können (Bevorzugt weist die Keramik bei Nanoindentation an einer beliebig aus dem Volumen herauspräparierten und sachgemäß polierten Oberfläche mit einem Spitzenradius von 50-200 nm an mindestens 30 von 50 Eindrücken mit einem Mindestabstand zueinander von 20 pm bei einer Maximallast von 5 mN unterhalb von bevorzugt 1,5 GPa, weiter bevorzugt von unterhalb von 1 GPa, noch weiter bevorzugt von unterhalb von 0,5 GPa nicht elastisches Verhalten auf und/oder die Keramik weist bei höchstens 20 von 50 Eindrücken einen Übergang von elastischem zu plastischen Verhalten (englisch: „pop-in“) oberhalb von 1 GPa auf.), und b) mit einer Rissspitzenbruchzähigkeit von mindestens 3,5 MPa m1/2, weiter bevorzugt min destens 4 MPa m1/2, noch weiter bevorzugt mindestens 5 MPa m1/2 bei Umsetzung in einer beliebigen Keramik mit Ausnahme der Keramiken mit einer Perovskitkristallstruk- tur. Für Keramiken mit Perovskitkristallstuktur wird eine Rissspitzenbruchzähigkeit von 2 MPa m1/2 bevorzugt, weiter bevorzugt von mindestens 2,5 MPa m1/2 noch weiter bevor zugt von 3,5 MPa m1/2. Die Rissspitzenbruchzähigkeit beschreibt nur die Zähigkeit an der Rissspitze und ist klar von der Gesamtbruchzähigkeit (geläufig nur als Bruchzähig keit bezeichnet) zu unterscheiden, welche auch Mechanismen weit hinter der Rissspitze wie z.B. Rissüberbrückung einschließt. Nur mit einer hohen Rissspitzenbruchzähigkeit können auch kurze Risse von z.B. 1 pm oder 10 pm Länge effektiv aufgehalten werden, wodurch eine massiv erhöhte Festigkeit und Betriebszuverlässigkeit erreicht werden kann. The invention preferably relates to a polycrystalline ceramic a) with a dislocation source density of at least one dislocation source per grain, a combination of dislocation source density and dislocation source quality is characterized by the ability to be preferably 1.5 GPa, more preferably 1, in any volume in the polycrystal GPa, more preferably of 0.5 GPa displacements (with nanoindentation, the ceramic preferably has at least 30 out of 50 indentations with a minimum distance from one another on a surface that has been prepared from the volume and properly polished with a tip radius of 50-200 nm of 20 pm at a maximum load of 5 mN below preferably 1.5 GPa, more preferably below 1 GPa, even more preferably below 0.5 GPa, and / or the ceramic exhibits non-elastic behavior at a maximum of 20 out of 50 impressions a transition from elastic to plastic behavior (English: "pop-in") above 1 GPa.), and b) with a crack tip fracture toughness of at least 3.5 MPa m 1/2 , more preferably min at least 4 MPa m 1/2 , even more preferably at least 5 MPa m 1/2 when implemented in any ceramic with the exception of ceramics with a perovskite crystal structure. For ceramics with a perovskite crystal structure, a crack tip fracture toughness of 2 MPa m 1/2 is preferred, more preferably of at least 2.5 MPa m 1/2, even more preferably of 3.5 MPa m 1/2 . The crack tip fracture toughness only describes the toughness at the crack tip and can be clearly distinguished from the total fracture toughness (commonly referred to as fracture toughness), which also includes mechanisms far behind the crack tip such as crack bridging. Only with a high crack tip fracture toughness can short cracks of, for example, 1 μm or 10 μm in length be effectively stopped, whereby a massively increased strength and operational reliability can be achieved.
Die Werte in a) mit der Einheit GPa sind vorzugsweise maximale Spannungswerte im Polykris tall. The values in a) with the unit GPa are preferably maximum stress values in the polycrystalline.
Die erhöhte Duktilität aus a) führt vorzugsweise zu einer reduzierten Rissbildung, so dass die Keramik bei einem Vickerseindruck von mindestens 10 g, bevorzugt von mindestens 15 g, wei ter bevorzugt von mindestens 25 g, noch weiter bevorzugt von mindestens 50 g, noch weiter bevorzugt von mindestens 100 g, weniger als durchschnittlich 1,5 Risse aufweist. Optional be trägt der Vickerseindruck maximal 150 g, vorzugsweise maximal 100 g, vorzugsweise maximal 60 g, vorzugsweise maximal 30 g, vorzugsweise maximal 20 g. Optional weist die Keramik mehr als 0,01, vorzugsweise mehr als 0,05, Risse auf. Wie insbesondere in b) beschrieben, wird die Betriebszuverlässigkeit der Keramik vorzugsweise durch die Kontrolle kurzer Risse kontrolliert. In diesem Fall ist besonders bevorzugt die Risslänge auf null reduziert. The increased ductility from a) preferably leads to reduced crack formation, so that the ceramic with a Vickers impression of at least 10 g, preferably of at least 15 g, further preferably of at least 25 g, even more preferably of at least 50 g, even more preferred of at least 100 g, less than an average of 1.5 cracks. Optionally, the Vickers impression carries a maximum of 150 g, preferably a maximum of 100 g, preferably a maximum of 60 g, preferably a maximum of 30 g, preferably a maximum of 20 g. Optionally, the ceramic has more than 0.01, preferably more than 0.05, cracks. As described in particular in b), the operational reliability of the ceramic is preferably controlled by controlling short cracks. In this case, the crack length is particularly preferably reduced to zero.
Versetzungsquellen sind insbesondere solche, die durch das Spannungsfeld eines Risses an stelle eines homogenen Spannungsfeldes aktiviert werden. Versetzungsquellen sind nach dem Grundlagenbuch „Theory of dislocations“ (3rd edition Peter M. Anderson, John P. Hirth und Jens Lothe, Cambridge University Press 2017) z.B. Leerstellencluster, Gleitringe, Korngrenzquellen und kinematische Quellen. Bevorzugt sind die Versetzungsquellen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus, Leerstellencluster, Gleitringe, Korngrenzquellen, kinematische Quellen, mobilen Versetzungen und Kombinationen daraus. Die Versetzungsquellen haben für die gewünschten Eigenschaften eine besondere Bedeutung, jedoch ist die Quantifizierung schwierig, da eine Versetzungsquelle verschiedene Gestalten ha ben kann und unterschiedlich viele Versetzungen erzeugen kann. Sources of dislocation are in particular those that are activated by the stress field of a crack instead of a homogeneous stress field. Are dislocation sources for the basic book "Theory of dislocations" (3 rd edition Peter M. Anderson, John P. Hirth and Jens Lothe, Cambridge University Press 2017), for example, vacancy clusters, seal rings, grain boundary sources and kinematic sources. The dislocation sources are preferably selected from the group consisting of vacancy clusters, slip rings, grain boundary sources, kinematic sources, mobile dislocations and combinations thereof. The dislocation sources are of particular importance for the desired properties, but quantification is difficult since a dislocation source can have different shapes and can generate different numbers of dislocations.
Die untere Grenze der Versetzungsquellendichte, welche in einem Material vorliegt lässt sich abschätzen. Im Belastungsfall muss die Versetzungsquelle eine Versetzung erzeugt haben. Korngrenzen sind mit der im Polykristall seltenen Ausnahme der Kleinwinkelkorngrenzen bei re levanten Spannungen nicht durchlässig für Versetzungen. Somit muss in jedem Korn in wel chen nach dem Belastungsfall mindestens eine mobile Versetzung zu beobachten ist mindes tens eine Versetzungsquelle Vorgelegen haben. Aus einer Versetzungsquelle können jedoch z.B. genau eine oder z.B. 100 Versetzungen entstehen wobei dies von mehreren Faktoren ab hängt. Eine Versetzungsquellendichte im Bereich von 1 *1012 cm-3 (dies entspricht einer Quelle pro pm3) erscheint eine erstrebenswerte Versetzungsquellendichte zu sein. Wenn pro Verset zungsquelle 100 Versetzungen mit einer länge von 1 pm nukleiert werden, dann entsteht dar aus im Belastungsfall eine Versetzungsdichte von 1 *1010 rrr2. Ferner ist eine Versetzungsquel lendichte im bevorzugten Bereich von 1 *109 cm-3 bis 1*1015 cm-3 erstrebenswert. Die Verset zungsquellendichte liegt bevorzugt in einem Bereich von 109 cm-3 bis 1018 cm-3, weiter bevor zugt von 101° cm-3 bis 1017 cm-3, weiter bevorzugt von 1012 cm-3 bis 1017 cm-3, weiter bevorzugt von 1013 cm-3 bis 1016 cm 3, weiter bevorzugt von 1014 cm 3 bis 1016 cm 3. Eine Versetzungsquel lendichte von mindestens 109 cm 3, weiter bevorzugt mindestens 101° cm 3, weiter bevorzugt mindestens 1011 cm 3, weiter bevorzugt mindestens 1012 cm 3, weiter bevorzugt mindestens 1013 cm 3, ist besonders vorteilhaft für die Erzielung der oben beschriebenen Eigenschaften. The lower limit of the dislocation source density that is present in a material can be estimated. In the event of a load, the dislocation source must have generated a dislocation. With the exception of small-angle grain boundaries, which is rare in polycrystals, grain boundaries are not permeable to dislocations in the case of relevant stresses. Thus, in every grain in which at least one mobile dislocation can be observed after the load case, at least one dislocation source must have been present. However, one dislocation source can result in exactly one or 100 dislocations, for example, whereby this depends on several factors. A dislocation source density in the range of 1 * 10 12 cm -3 (this corresponds to one source per pm 3 ) appears to be a desirable dislocation source density. If 100 dislocations with a length of 1 pm are nucleated per dislocation source, then this results in a dislocation density of 1 * 10 10 rrr 2 in the case of loading. Furthermore, a displacement source density in the preferred range of 1 * 10 9 cm -3 to 1 * 10 15 cm -3 is desirable. The displacement source density is preferably in a range from 10 9 cm -3 to 10 18 cm -3 , more preferably from 10 1 ° cm -3 to 10 17 cm -3 , more preferably from 10 12 cm -3 to 10 17 cm -3 , more preferably from 10 13 cm -3 to 10 16 cm 3 , more preferably from 10 14 cm 3 to 10 16 cm 3 . A dislocation source density of at least 10 9 cm 3 , more preferably at least 10 1 ° cm 3 , more preferably at least 10 11 cm 3 , more preferably at least 10 12 cm 3 , more preferably at least 10 13 cm 3 , is particularly advantageous for achieving the properties described above.
Nach entsprechender Belastung müssen erfindungsgemäße Versetzungsquellen Versetzungen erzeugt haben, diese entstandenen Versetzungen sind nachzuweisen mit: Transmissionselekt ronenmikroskopie, Ätzgrübchen, Rocking curve Messungen, Dunkelfeld Röntgenmikroskopie, Electron Channeling Contrast Imaging, Electron Backscattering Diffraction oder anderen Metho den. After appropriate exposure, dislocation sources according to the invention must have generated dislocations; these dislocations must be detected with: transmission electron microscopy, etching pits, rocking curve measurements, dark field X-ray microscopy, electron channeling contrast imaging, electron backscattering diffraction or other methods.
Die Versetzungsquellendichte (pro cm3) kann folgendermaßen abgeschätzt werden. Verset zungsquellen erzeugen im relevanten Belastungsfall lokal Versetzungen. Ein relevanter Belas tungsfall ist z.B. der Bruch, wobei das relevante Volumen in der Nähe der Rissspitze ist. Schrei tet der Riss fort, produzieren erfindungsgemäße Versetzungsquellen in der Umgebung der Rissspitze Versetzungen. Die linienförmige Rissspitze kreiert beim Fortschreiten eine neue Oberfläche, welche später die Bruchoberfläche wird. Jeder Punkt der Bruchoberfläche war defi nitionsgemäß zu einem gewissen Zeitpunkt in der direkten Umgebung der Rissspitze. Verset zungen sind also unter der Bruchoberfläche zu finden, z.B. in einer Tiefe von 200 nm, 1 pm, 2 pm, 5 pm oder 25 pm. Die entstandenen Versetzungen an der Bruchoberfläche können mit gängigen Methoden nachgewiesen werden. Zum Nachweis wird die Keramik, z.B. nach ASTM C 1161 (Standard Test Method for Advanced Ceramics at Ambient Temperature) gebrochen. Erfindungsgemäße Versetzungsquellen haben beim Bruch Versetzungen erzeugt, welche an der Bruchoberfläche nachweisbar sind. Der Nachweis der Versetzung kann durch verschiedene Bildgebungsmethoden geführt werden. Dazu muss eine Probe aus der Bruchoberfläche präpa riert werden. Dazu können ein oder mehrere Stücke aus der Bruchoberfläche herauspräpariert werden. Dazu gehört auch die Möglichkeit, eine Scheibe senkrecht zur Bruchoberfläche heraus zuschneiden. Zur Beobachtung kann die Schnittfläche, jedoch nicht die Bruchoberfläche, sach gemäß bearbeitet werden, z.B. poliert werden. The dislocation source density (per cm 3 ) can be estimated as follows. Sources of dislocation generate local dislocations in the relevant load case. A relevant load case is, for example, the break, whereby the relevant volume is in the vicinity of the crack tip. If the crack advances, dislocation sources according to the invention produce dislocations in the vicinity of the crack tip. The line-shaped crack tip creates a new surface as it progresses, which later becomes the fracture surface. By definition, every point on the fracture surface was in the immediate vicinity of the crack tip at a certain point in time. Dislocations can therefore be found under the fracture surface, for example at a depth of 200 nm, 1 pm, 2 pm, 5 pm or 25 pm. The resulting dislocations on the fracture surface can with established methods can be demonstrated. To prove this, the ceramic is broken, for example in accordance with ASTM C 1161 (Standard Test Method for Advanced Ceramics at Ambient Temperature). Dislocation sources according to the invention have generated dislocations during fracture, which can be detected on the fracture surface. Evidence of the dislocation can be provided by various imaging methods. To do this, a sample must be prepared from the fracture surface. For this purpose, one or more pieces can be prepared from the fracture surface. This also includes the option of cutting out a slice perpendicular to the fracture surface. For observation, the cut surface, but not the fracture surface, can be properly processed, for example polished.
Bevorzugte Nachweismethoden für Versetzungen sind die folgenden Methoden. Preferred methods of detecting dislocations are as follows.
• „Electron channeling contrast imaging“ ist eine rasterelektronenmikroskopbasierte Bild- gebungsmethode, welche Versetzungen unter einer sachgemäß polierten Oberfläche direkt visualisieren kann. • "Electron channeling contrast imaging" is a scanning electron microscope-based imaging method which can directly visualize dislocations under a properly polished surface.
• Transmissionselektronenmikroskopie. Hierfür wird eine winzige Probe aus dem Bereich der Bruchoberfläche herauspräpariert. Die Probe hat dann eine Dicke von wenigen 100 nm um für den Elektronenstrahl durchlässig zu sein. Versetzungen sind in entsprechen den Bildern gut als Linien im Dunkelfeldkontrast sichtbar. In den Beispielen sind zwei Bil der gegeben, eines mit und eines ohne Versetzungen. (Abbildung 1 nahezu ohne Ver setzungen, wie nach Stand der Technik und Abbildung 12 mit vielen Versetzungen, er findungsgemäß) • Transmission electron microscopy. For this purpose, a tiny sample is dissected from the area of the fracture surface. The sample then has a thickness of a few 100 nm in order to be permeable to the electron beam. Dislocations are clearly visible in the corresponding images as lines in the dark field contrast. In the examples two images are given, one with and one without offsets. (Figure 1 with almost no dislocations, as in the prior art and Figure 12 with many dislocations, according to the invention)
Andere Verfahren zur Visualisierung von Versetzungen sind ebenso möglich. Other methods of visualizing dislocations are also possible.
Bei polykristallinen Keramiken mit einer Versetzungsquellendichte von mindestens einer Verset zungsquelle pro Korn beträgt die Versetzungsdichte nach dem Bruch in der Tiefe von 200 nm,In the case of polycrystalline ceramics with a dislocation source density of at least one dislocation source per grain, the dislocation density after breakage is at a depth of 200 nm,
1 pm, und 2 pm, bevorzugt auch in 5 pm, weiter bevorzugt auch noch in 20 pm unter der Ober fläche mehr als eine Versetzung pro Korn; es war also die Versetzungsquellendichte pro Korn mindestens 1. Ferner lässt sich mit dem oben genannten Rechenbeispiel unter den Annahmen, dass eine Versetzungsquelle 100 Versetzungen mit der Länge von 1 pm nukleiert, eine Verset zungsdichte von 1010 cm-2 näherungsweise einer Versetzungsquellendichte von 1012 cm-3 zu ordnen, wobei die beiden genannten Annahmen im Einzelfall zu prüfen sind. 1 pm and 2 pm, preferably also in 5 pm, more preferably also in 20 pm below the surface, more than one dislocation per grain; The dislocation source density per grain was at least 1.Furthermore, with the above-mentioned calculation example, assuming that a dislocation source nucleates 100 dislocations with a length of 1 pm, a dislocation density of 10 10 cm -2 can be approximately a dislocation source density of 10 12 cm -3 , whereby the two assumptions mentioned must be checked on a case-by-case basis.
In allen Fällen kann es Bereiche geben, in welchen keine Versetzungen entstanden sind. Dies ist z.B. durch das Taylorkriterium bedingt. Daher ist der Nachweis der Abwesenheit oder Anwe senheit von Versetzungen an bevorzugt mindestens zehn zufällig gewählten Stellen der Bruch oberfläche zu führen. Die Wahl der Stellen ist zu dokumentieren und bildlich darzustellen. Die Versetzungsdichte wird in Abständen von 200 nm, 1 pm, 2 pm, 5 pm, 10 pm, 20 pm und 50 pm zur Bruchoberfläche bestimmt. Bilder von einer Größe von mindestens 1 Megapixel bevorzugt von mindestens 4 Megapixel mit einer Pixelgröße von kleiner als 10 nm, bevorzugt von einer Pixelgröße von kleiner als 3 nm bevorzugt von einer Pixelgröße von kleiner als 1 nm sind bevorzugt. Übersichtsbilder mit jeweils fünffach größerem Sichtfeld sind beizulegen und die gewählte Stelle für die Messung der Versetzungsdichte zu markieren um zu belegen, dass die Auswahl der Bilder repräsentativ ist. In den Übersichtsaufnahmen müssen die Körner jeweils als Ganzes zu erkennen sein. Bei polykristallinen Keramiken mit einer Versetzungsquellendichte von mindestens einer Versetzungsquelle pro Korn beträgt die Versetzungsdichte nach dem Bruch in der Tiefe von 200 nm, 1 pm, und 2 pm, bevorzugt auch in 5 pm, weiter bevorzugt auch noch in 20 pm unter der Oberfläche mehr als eine Versetzung pro Korn; es war also die Versetzungsquellendichte pro Korn mindestens 1. Sollte ein Korn nur teilweise in den Bereich von kleiner als 2 pm hineinragen, ist auch jenes Korn zu betrachten. 60% der Körner in den zuvor genannten Tiefen sollten bevorzugt Versetzungen aufweisen. Es sei das Phänomen einer „dislocation free zone“ an einer Rissspitze genannt, wonach Versetzungen direkt an einer Rissspitze oftmals kaum nachzuweisen sind, da sie dort nicht verharren, sondern sich erst eine kleine Distanz entfernt von der Rissspitze zum Stehen kommen. Extensive Temperaturbehandlung über z.B. 200°C sind zwischen dem Bruch und der bildgebenden Analyse zu vermeiden. In all cases there can be areas in which no dislocations have occurred. This is due, for example, to the Taylor criterion. Therefore, evidence of the absence or presence of dislocations is to be carried out at preferably at least ten randomly selected locations on the fracture surface. The choice of positions is to be documented and illustrated. the Dislocation density is determined at distances of 200 nm, 1 pm, 2 pm, 5 pm, 10 pm, 20 pm and 50 pm to the fracture surface. Images of a size of at least 1 megapixel, preferably of at least 4 megapixels, with a pixel size of less than 10 nm, preferably of a pixel size of less than 3 nm, preferably of a pixel size of less than 1 nm, are preferred. Overview images, each with a five times larger field of view, are to be enclosed and the selected point for the measurement of the dislocation density must be marked to prove that the selection of images is representative. In the overview images, the grains must be recognizable as a whole. In the case of polycrystalline ceramics with a dislocation source density of at least one dislocation source per grain, the dislocation density after the break at a depth of 200 nm, 1 pm and 2 pm, preferably also at 5 pm, more preferably also at 20 pm below the surface, is more than one dislocation per grain; So the dislocation source density per grain was at least 1. If a grain only partially protrudes into the area of less than 2 μm, that grain must also be considered. 60% of the grains in the aforementioned depths should preferably have dislocations. The phenomenon of a “dislocation free zone” at a crack tip should be mentioned, according to which dislocations directly at a crack tip can often hardly be detected because they do not remain there, but only come to a stop a short distance away from the crack tip. Extensive temperature treatment above 200 ° C, for example, should be avoided between the break and the imaging analysis.
Eine Kombination von Versetzungsquellendichte und Versetzungsquellenqualität, welche die Fähigkeit beschreibt, in jedem beliebigen Volumen im Polykristall bevorzugt 1 ,5 GPa, weiter bevorzugt von 1 GPa, weiter bevorzugt von 0,5 GPa Versetzungen generieren zu können ist eindeutiger quantifizierbar als die Versetzungsquellendichte allein. Eine erfindungsgemäße Keramik zeichnet sich bevorzugt durch diese Fähigkeit aus. An einer beliebig aus dem Volumen herauspräparierten und sachgemäß polierten Oberfläche kann dies mittels Nanoindentation gemessen werden. Dabei ist mit einem Spitzenradius von 50-200 nm an mindestens 30 von 50 Eindrücken mit einem Mindestabstand zueinander von 20 pm bei einer Maximallast von 5 mN unterhalb von bevorzugt 1 ,5 GPa, weiter bevorzugt von unterhalb von 1 GPa, noch weiter bevorzugt von unterhalb von 0,5 GPa nicht elastisches Verhalten nachzuweisen und/oder bei höchstens 20 von 50 Eindrücken einen Übergang von elastischem zu plastischen Verhalten (englisch: „pop-in“) oberhalb von 1 GPa nachzuweisen. A combination of dislocation source density and dislocation source quality, which describes the ability to generate dislocations in any volume in the polycrystal, preferably 1.5 GPa, more preferably 1 GPa, more preferably 0.5 GPa, can be quantified more clearly than the dislocation source density alone. A ceramic according to the invention is preferably distinguished by this ability. This can be measured by means of nanoindentation on any surface that has been prepared and properly polished from the volume. With a tip radius of 50-200 nm, at least 30 out of 50 impressions with a minimum distance from one another of 20 μm at a maximum load of 5 mN are preferably below 1.5 GPa, more preferably below 1 GPa, even more preferably below of 0.5 GPa to demonstrate non-elastic behavior and / or to demonstrate a transition from elastic to plastic behavior (English: "pop-in") above 1 GPa with a maximum of 20 out of 50 impressions.
Die Werte im ersten Satz des vorherigen Absatzes mit der Einheit GPa sind vorzugsweise maximale Spannungswerte im Polykristall. The values in the first sentence of the previous paragraph with the unit GPa are preferably maximum stress values in the polycrystal.
Die Rissspitzenbruchzähigkeit (Kio) der polykristallinen Keramiken der vorliegenden Erfindung liegt bevorzugt in einem Bereich von von 3,5 MPa m1/2 bis 40 MPa m1/2, weiter bevorzugt von 4 MPa m1/2 bis 25 MPa m1/2, weiter bevorzugt von 4,5 MPa m1/2 bis 17,5 MPa m1/2 mit Ausnahme der Keramiken mit einer Perovskitkristallstruktur. Für Keramiken mit Perovskitkristallstuktur liegt die Rissspitzenbruchzähigkeit (Kio) der polykristallinen Keramiken der vorliegenden Erfindung bevorzugt in einem Bereich von 2 MPa m1/2 bis 30 MPa m1/2, weiter bevorzugt von 2,5 MPa m1/2 bis 25 MPa m1/2 noch weiter bevorzugt von 3,5 MPa m1/2 bis 20 MPa m1/2. Die Rissspitzen bruchzähigkeit wird bevorzugt durch die Bestimmung des Rissöffnungsprofils (englisch „crack opening displacement“ (COD)) bestimmt. Dazu werden detallierte Rasterelektronenmikroskopie aufnahmen gemacht und verglichen. Dabei wird die Rissöffnung (der Abstand der beiden Riss flanken bei einer angelegten Last von K|>0,8*K|C, bevorzugt von K|>0,9K|C, bevorzugt von KFKIc) in periodischen Abständen von 100 nm, bevorzugt von periodischen Abständen von 50 nm von der Rissspitze gemessen (siehe Abbildung 5). Die Messung erfolgt über eine Länge, gemessen von der Rissspitze, von mindestens 1 pm, bevorzugt von 2 pm, weiter bevorzugt von 5 pm, wei ter bevorzugt von 10 pm und noch weiter bevorzugt von 50 pm. Bei einem Riss versursacht durch Vickersindentation ist nur das erste Drittel der Risslänge zu berücksichtigen. Vickersein drücke sind z.B. nach ISO 14705 anzufertigen. Vor der Indentierung ist die Probe mit Kohlen stoff zu beschichten, um eine spröd brechende leitfähige Oberfläche für die Elektronenmikro skopie zu haben. The crack tip fracture toughness (Kio) of the polycrystalline ceramics of the present invention is preferably in a range from 3.5 MPa m 1/2 to 40 MPa m 1/2 , more preferably from 4 MPa m 1/2 to 25 MPa m 1/2 , more preferably from 4.5 MPa m 1/2 to 17.5 MPa m 1/2 except of ceramics with a perovskite crystal structure. For ceramics with a perovskite crystal structure, the crack tip fracture toughness (Kio) of the polycrystalline ceramics of the present invention is preferably in a range from 2 MPa m 1/2 to 30 MPa m 1/2 , more preferably from 2.5 MPa m 1/2 to 25 MPa m 1/2 even more preferably from 3.5 MPa m 1/2 to 20 MPa m 1/2 . The crack tip fracture toughness is preferably determined by determining the crack opening profile (“crack opening displacement” (COD)). For this purpose, detailed scanning electron microscopy images are made and compared. The crack opening (the distance between the two crack flanks at an applied load of K | > 0.8 * K | C , preferably K | > 0.9K | C , preferably KFKI c ) at periodic intervals of 100 nm, preferably measured at periodic intervals of 50 nm from the crack tip (see Figure 5). The measurement takes place over a length, measured from the crack tip, of at least 1 pm, preferably of 2 pm, more preferably of 5 pm, further preferably of 10 pm and even more preferably of 50 pm. In the case of a crack caused by Vickers indentation, only the first third of the crack length needs to be taken into account. Vickersein pressures are to be produced according to ISO 14705, for example. Before indentation, the sample must be coated with carbon in order to have a brittle, conductive surface for electron microscopy.
Alle bisher entwickelten zähen Keramiken benötigten Mechanismen, die zu einer R-Kurve füh ren (Ritchie, R. O. The conflicts between strength and toughness. Nat Mater 10, 817-822, doi:10.1038/Nmat3115 (2011) und Evans, A.G., Perspective on the Development of High- Toughness Ceramics. Journal of the American Ceramic Society, 1990. 73(2): p. 187-206.). Da mit ist eine risslängenabhängige Bruchzähigkeit beschrieben, die den Nachteil hat, dass erst die Präsenz langer Risse zu einer zähen Keramik führt. In den Keramiken der vorliegenden Erfin dungen wird aber bevorzugt gerade die Rissspitze zäher gemacht, was für kurze Risse effizient ist und hohe Festigkeiten ermöglicht. Um diesen Effekt von anderen Mechanismen zu unter scheiden, wird die sogenannte Rissspitzenbruchzähigkeit quantitativ erfasst, indem die Rissöff nung nahe der Rissspitze (bevorzugt mit Abstand von 0.1 - 50 pm zur Rissspitze mit einer Auf lösung von besser als 10 nm) gemessen wird und über den Elastizitätsmodul der Spannungsin tensitätsfaktor bestimmt wird mit
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All tough ceramics developed to date required mechanisms that lead to an R-curve (Ritchie, RO The conflicts between strength and toughness. Nat Mater 10, 817-822, doi: 10.1038 / Nmat3115 (2011) and Evans, AG, Perspective on the Development of High-Toughness Ceramics. Journal of the American Ceramic Society, 1990. 73 (2): pp. 187-206.). This describes a crack length-dependent fracture toughness, which has the disadvantage that only the presence of long cracks leads to a tough ceramic. In the ceramics of the present invention, however, the tip of the crack is preferably made tougher, which is efficient for short cracks and enables high strengths. In order to distinguish this effect from other mechanisms, the so-called crack tip fracture toughness is recorded quantitatively by measuring the crack opening near the crack tip (preferably at a distance of 0.1 - 50 pm from the crack tip with a resolution of better than 10 nm) and using the Modulus of elasticity of the stress intensity factor is determined with
Figure imgf000017_0001
(u = halbe Rissöffnung, E‘ ist Elastizitätsmodul im entsprechenden Spannungszustand, Kio die Rissspitzenbruchzähigkeit, p ist die Kreiszahl 3,1415... , und x ist Abstand zur Rissspitze). (u = half the crack opening, E ‘is the modulus of elasticity in the corresponding stress state, Kio is the crack tip fracture toughness, p is the circle number 3.1415 ..., and x is the distance to the crack tip).
Diese Methode ist an einem Gleichgewichtsriss, angenähert durch einen Radialriss von einem Eindruck oder einem belasteten Riss in einer Kompaktprobe, zu ermitteln (Fünfschilling, S. et al. Determination ofthe crack-tip toughness in Silicon nitride ceramics. J Mater Sei 44, 335-338 (2009); Seidel, J. & Rödel, J. Measurement of crack tip toughness in alumina as a function of grain size. J Am Ceram Soc 80, 433-438 (1997); Haubensak, F. & Argon, A. S. A new method offracture toughness determination in brittle ceramics by open-crack shape analysis. J Mater Sei 32, 1473-1477 (1997).) Die Durchführung wurde in Abbildung 6 und 7 demonstriert. Alterna tiv wird die Rissöffnung mit dem Rasterkraftmikroskop ermittelt (F. Meschke, P. Alves-Ricardo, G. A. Schneider, and N. Claussen, “Failure Behaviour of Alimina and Alumina/Silicon Carbide Nanocomposite with Natural and Artificial Fiaws,” J. Mater. Res., 12, 3307-15 (1997); Z. Burghard, A. Zimmermann, J. Rödel, F. Aldinger, and B. R. Lawn, “Crack Opening Profiles of Indentation Cracks in Normal and Anomalous Glasses,” Acta Mater., 52/2, 293-7 (2004).)This method is to be determined on an equilibrium crack, approximated by a radial crack from an indentation or a stressed crack in a compact sample (Fünfschilling, S. et al. Determination of the crack-tip toughness in silicon nitride ceramics. J Mater Sei 44, 335- 338 (2009); Seidel, J. & Rödel, J. Measurement of crack tip toughness in alumina as a function of grain size. J Am Ceram Soc 80, 433-438 (1997); Haubensak, F. & Argon, AS A new method offracture toughness determination in brittle ceramics by open-crack shape analysis. J Mater Sei 32, 1473-1477 (1997).) The implementation was demonstrated in Figures 6 and 7. Alternatively, the crack opening is determined with an atomic force microscope (F. Meschke, P. Alves-Ricardo, GA Schneider, and N. Claussen, “Failure Behavior of Alimina and Alumina / Silicon Carbide Nanocomposite with Natural and Artificial Fiaws,” J. Mater. Res., 12, 3307-15 (1997); Z. Burghard, A. Zimmermann, J. Rödel, F. Aldinger, and BR Lawn, “Crack Opening Profiles of Indentation Cracks in Normal and Anomalous Glasses,” Acta Mater., 52/2, 293-7 (2004).)
Bevorzugt weist die polykristalline Keramik der vorliegenden Erfindung auch eine verbesserte Duktilität auf, insbesondere solange genügend unabhängige mobile Gleitsysteme in der Kristall struktur vorhanden sind. Ohne eine ausreichende Anzahl von Versetzungsquellen, wie sie erfin dungsgemäß vorgeschlagen wird, ist es nicht möglich, vollständige Plastizität in Keramiken zu beobachten, auch wenn fünf oder mehr Gleitsysteme gleichzeitig mobil sind, bzw. eine Texturie rung erreicht wurde, so dass weniger als fünf Gleitsysteme benötigt werden. Daher war eine Er findung von vollständig duktilen Keramiken in der Vergangenheit nicht möglich. Erst durch diese Erfindung werden die Voraussetzungen für eine vollständig duktile Keramik geschaffen. Daher sind Keramiken, welche durch Versetzungsbewegung bei Raumtemperatur, eine bevorzugte Duktilität von größer 0.5% aufweisen auch erfindungsgemäß. Die Duktilität wird bevorzugt als plastische Dehnung in einem Zug oder Druckversuch mittels einer Spannungsdehnungskurve bestimmt. Die Duktilität ist bevorzugt nach DIN 50106 „Prüfung metallischer Werkstoffe - Druck versuch bei Raumtemperatur“ zu bestimmen. Bevorzugt weisen die erfindungsgemäßen Kera miken eine Duktilität von mehr als 0.5% auf. Weiter bevorzugt wird eine Duktilität von 2 % bis 20%, weiter bevorzugt von 5 bis 75%. The polycrystalline ceramic of the present invention preferably also has improved ductility, in particular as long as there are sufficient independent mobile sliding systems in the crystal structure. Without a sufficient number of dislocation sources, as proposed according to the invention, it is not possible to observe complete plasticity in ceramics, even if five or more sliding systems are mobile at the same time, or texturing has been achieved so that fewer than five sliding systems are needed. Therefore, it has not been possible to invent fully ductile ceramics in the past. It is only through this invention that the prerequisites for a completely ductile ceramic are created. Therefore, ceramics which, due to dislocation movement at room temperature, have a preferred ductility of greater than 0.5% are also according to the invention. The ductility is preferably determined as plastic elongation in a tensile or compression test using a stress-strain curve. The ductility should preferably be determined in accordance with DIN 50106 "Testing of metallic materials - pressure test at room temperature". The ceramics according to the invention preferably have a ductility of more than 0.5%. A ductility of 2% to 20% is more preferred, more preferably 5 to 75%.
Bevorzugt liegt eine Korntextur vor, welche Duktilität in allen Richtungen erlaubt, da durch die Texturierung weniger als weniger als fünf unabhängige Gleitsysteme für die plastische Verfor mung vonnöten sind. A grain texture is preferably present which allows ductility in all directions, since the texturing means that fewer than five independent sliding systems are required for plastic deformation.
Bevorzugt liegt eine Korntextur vor, welche Duktilität in den relevanten Richtungen der wirken den Last erlaubt, da durch die Texturierung weniger als fünf unabhängige Gleitsysteme für die plastische Verformung vonnöten sind. A grain texture is preferably present which allows ductility in the relevant directions of the load, since less than five independent sliding systems are required for the plastic deformation due to the texturing.
Bevorzugt zeigt die polykristalline Keramik der vorliegenden Erfindung auch eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Rissbildung bei einem Vickerseindruck. Idealerweise zeigt die erfin dungsgemäße Keramik insoweit keine Rissbildung bei einem Vickerseindruck, insbesondere wenn die aufgebrachte Last größer oder gleich 5 g und/oder kleiner oder gleich 100 g beträgt. Alternativ oder ergänzend zeigt die Keramik bei einem Vickerseindruck auf einer Oberfläche der Keramik eine Rissbildung, insbesondere durchschnittlich, von weniger als 4 Rissen, vorzugs weise von weniger als 3 Rissen, vorzugsweise von weniger als 2 Rissen, vorzugsweise von we niger als 1,5 Rissen, pro Vickerseindruck, wobei vorzugsweise die aufgebrachte Last größer o- der gleich 10 g, vorzugsweise größer oder gleich 15 g, vorzugsweise größer oder gleich 25 g, vorzugsweise größer oder gleich 50 g, vorzugsweise größer oder gleich 100 g, vorzugsweise größer oder gleich 150 g, und/oder weniger oder gleich 170 g, vorzugsweise weniger oder gleich 150 g, vorzugsweise weniger oder gleich 100 g, vorzugsweise weniger oder gleich 80 g, vorzugsweise weniger oder gleich 60 g, vorzugsweise weniger oder gleich 40 g, vorzugsweise weniger oder gleich 30 g, vorzugsweise weniger oder gleich 30 g, vorzugsweise weniger oder gleich 20 g, vorzugsweise weniger oder gleich 15 g, vorzugsweise weniger oder gleich 10 g, be trägt. Preferably, the polycrystalline ceramic of the present invention also exhibits improved resistance to cracking in the case of a Vickers impression. Ideally, the ceramic according to the invention shows no crack formation in the case of a Vickers impression, in particular if the load applied is greater than or equal to 5 g and / or less than or equal to 100 g. Alternatively or additionally, the ceramic shows cracking, in particular on average, less than 4 cracks, preferably less than 3 cracks, preferably less than 2 cracks, preferably less than 1.5 cracks, with a Vickers impression on a surface of the ceramic , per Vickers impression, with the applied load preferably greater than or equal to 10 g, preferably greater than or equal to 15 g, preferably greater than or equal to 25 g, preferably greater than or equal to 50 g, preferably greater than or equal to 100 g, preferably greater than or equal to 150 g, and / or less or equal to 170 g, preferably less or equal to 150 g, preferably less or equal to 100 g, preferably less or equal to 80 g, preferably less or equal to 60 g, preferably less or equal to 40 g, preferably less or equal 30 g, preferably less than or equal to 30 g, preferably less or equal to 20 g, preferably less or equal to 15 g, preferably less or the same h 10 g, wears.
Beispielsweise zeigt die Keramik bei einem Vickerseindruck auf einer Oberfläche der Keramik eine Rissbildung von weniger als 4 Rissen, vorzugsweise von weniger als 3 Rissen, vorzugs weise von weniger als 2 Rissen, vorzugsweise von weniger als 1,5 Rissen, pro Vickerseindruck bei einer Last von 25 g. For example, with a Vickers impression on a surface of the ceramic, the ceramic shows cracking of less than 4 cracks, preferably less than 3 cracks, preferably less than 2 cracks, preferably less than 1.5 cracks, per Vickers impression at a load of 25 g.
Beispielsweise zeigt die Keramik bei einem Vickerseindruck auf einer Oberfläche der Keramik eine Rissbildung von weniger als 4 Rissen, vorzugsweise von weniger als 3 Rissen, vorzugs weise von weniger als 2 Rissen, vorzugsweise von weniger als 1,5 Rissen, pro Vickerseindruck bei einer Last von 100 g. For example, with a Vickers impression on a surface of the ceramic, the ceramic shows cracking of less than 4 cracks, preferably less than 3 cracks, preferably less than 2 cracks, preferably less than 1.5 cracks, per Vickers impression at a load of 100 g.
In einer Ausführungsform zeigt die Keramik bei einem Vickerseindruck auf einer Oberfläche der Keramik eine Rissbildung von durchschnittlich wenigsten 0,1 Rissen. Dies kann beispielsweise ein Durchschnittswert über 100 Vickerseindrücken sein. In one embodiment, with a Vickers impression on a surface of the ceramic, the ceramic shows cracking averaging at least 0.1 cracks. This can be, for example, an average value over 100 Vickers impressions.
In jedem Fall kann die Oberfläche der Keramik dabei eine, insbesondere sachgerecht präpa rierte, Oberfläche mit einer Rauigkeit von kleiner als 0.1 pm ohne zuvor existierende Risse sein, um einen Vickerseindruck zu ermöglichen. In any case, the surface of the ceramic can be a, in particular properly prepared, surface with a roughness of less than 0.1 μm without previously existing cracks in order to enable a Vickers impression.
Die Anzahl an Rissen lässt sich dabei leicht manuell und/oder automatisiert anhand der Kera mik ermitteln. Beispielsweise können dazu Bilder wie diejenigen der später noch im Detail dis kutierten Abbildungen 8 und 9 herangezogen und ausgewertet werden. The number of cracks can easily be determined manually and / or automatically using the ceramic. For example, images such as those in Figures 8 and 9, which will be discussed in detail later, can be used and evaluated for this purpose.
Wird die Belastung beim Test durch einen Vickerseindruck stetig erhöht, kann irgendwann auch die Erfindungsgemäße Keramik Risse aufweisen, welche jedoch deutlich kürzer sind als die Risse in einer Keramik nach Stand der Technik. In einer Ausführungsform beträgt die Risslänge der Risse bei 25 g Last zwischen 5 pm und 14 pm, vorzugsweise zwischen 5 pm und 12 pm, insbesondere zwischen 6 pm und 10 pm. If the load is steadily increased during the test by a Vickers impression, the ceramic according to the invention can at some point also have cracks, which, however, are significantly shorter than the cracks in a ceramic according to the prior art. In one embodiment, the crack length of the cracks at 25 g load is between 5 pm and 14 pm, preferably between 5 pm and 12 pm, in particular between 6 pm and 10 pm.
Für geringe Risslängen ist das Material SrTiCh besonders bevorzugt. The material SrTiCh is particularly preferred for short crack lengths.
Eine erfindungsgemäße Keramik, die die verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Rissbildung aufweist ist in den Abbildungen 8b, 9d und 9f dokumentiert. Keramiken aus dem Stand der Technik erfüllen dieses Kriterium nicht, wie Abbildungen 8a, 9c und 9e dokumentieren. Es wird diesbezüglich für die weitere Abbildungsbesprechung auf die entsprechenden, noch folgenden, Ausführungen verwiesen. A ceramic according to the invention which has the improved resistance to cracking is documented in FIGS. 8b, 9d and 9f. Ceramics from the state of the art do not meet this criterion, as shown in Figures 8a, 9c and 9e. In this regard, reference is made to the corresponding explanations below for the further discussion of the figures.
Bevorzugt weist die polykristalline Keramik der vorliegenden Erfindung auch eine verbesserte Thermoschockbeständigkeit auf. In einer spröden Keramik ist diese mit der Festigkeit, dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und dem Elastizitätskoeffizienten verknüpft. Durch die lokale Plastizität werden aber mit den Versetzungen Spannungen begrenzt. Bevorzugt liegt die Thermoschockbeständigkeit in einem Bereich von > 500°C, weiter bevorzugt in einem Bereich von 600°C bis 1600°C, bevorzugt jedoch nicht mehr als die Temperaturdifferenz des Schmelz punktes der Keramik zur Raumtemperatur. Die Thermoschockbeständigkeit wird bevorzugt fol gendermaßen bestimmt, indem die Volumenkeramik auf eine erhöhte Temperatur von Tmax (z.B.) 600°C gebracht wird und dann in kochendem Wasser (100°C) abgeschreckt wird. Die Grenztemperatur, bei der dadurch keine Festigkeitserniedrigung erzeugt wird, ist die Thermos chockbeständigkeit (Tmax - 100°C). Die Festigkeit wird durch einen Vierpunktbiegeversuch nach DIN EN 843-1 bestimmt. Preferably, the polycrystalline ceramic of the present invention also has improved thermal shock resistance. In a brittle ceramic, this is linked to the strength, the coefficient of thermal expansion and the coefficient of elasticity. However, the local plasticity limits the stresses with the dislocations. The thermal shock resistance is preferably in a range of> 500 ° C., more preferably in a range from 600 ° C. to 1600 ° C., but preferably not more than the temperature difference between the melting point of the ceramic and room temperature. The thermal shock resistance is preferable fol gender extent determined by the volume of ceramic to an elevated temperature of t ma x (for example) 600 ° C is placed and is then quenched in boiling water (100 ° C). The limit temperature at which this does not result in a reduction in strength is the thermal shock resistance (Tmax - 100 ° C). The strength is determined by a four-point bending test according to DIN EN 843-1.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen polykristallinen Keramik, umfassend mindestens einen, bevorzugt genau einen der folgenden Schritte: The present invention also relates to a method for producing a polycrystalline ceramic according to the invention, comprising at least one, preferably exactly one of the following steps:
Das bewusste Umgehen von Sintern. Gewöhnlich werden keramische Pulver möglichst klein gemahlen, um durch den diffusionskontrollierten Vorgang des Sinterns zusammen gebacken zu werden, wobei die Körner meist auch deutlich wachsen. Durch das Verhin dern von Kornwachstum um mehr als einen Faktor von 3 im Vergleich zur Ausgangspul vergröße und durch das Vermeiden von Haltezeiten von Bruchteilen von Minuten bis zu Stunden bei Temperaturen im jeweiligen Sinterbereich, z.B. 70-90% vom Schmelzpunkt, wird vermieden, dass sich die Versetzungsdichte massiv reduziert. The conscious avoidance of sintering. Ceramic powders are usually ground as small as possible in order to be baked together by the diffusion-controlled process of sintering, with the grains usually also growing significantly. By preventing grain growth by more than a factor of 3 compared to the starting powder size and by avoiding holding times of fractions of minutes to hours at temperatures in the respective sintering range, e.g. 70-90% of the melting point, it is avoided that the dislocation density massively reduced.
Versetzungskriechen bei hoher Temperatur, insbesondere zwischen 50% und 90% der Schmelztemperatur in Kelvin bei mechanischen Belastungen, die innerhalb einer Zeit von weniger als 10 Tagen zu einer plastischen Verformung von mehr als 0,5 % führen. Im Perovskit BaTiCh sind Spannungen zwischen 5 und 300 MPa bei Temperaturen zwi schen 1000 und 1350°C sinnvoll. Die Verformungszeit ist von Temperatur, Druck und gewünschtem Verformungsgrad abhängig. Ein Verformungsgrad von größer als 0,5% ist bevorzugt. Dislocation creep at high temperature, in particular between 50% and 90% of the melting temperature in Kelvin with mechanical loads that lead to plastic deformation of more than 0.5% within a time of less than 10 days. In perovskite BaTiCh, stresses between 5 and 300 MPa at temperatures between 1000 and 1350 ° C are useful. The deformation time depends on temperature, pressure and the desired degree of deformation. A degree of deformation of greater than 0.5% is preferred.
Plastische Verformung bei hoher Temperatur, insbesondere zwischen 30% und 98% der Schmelztemperatur in Kelvin bei mechanischen Belastungen, die mindestens die Streck grenze der Keramik bei der Temperatur beträgt, mit einer plastischen Verformung zwi schen 0,5% und 80%, bevorzugt zwischen 0,75% und 25%, weiter bevorzugt zwischen 1% und 20%. Bevorzugt sind genügend unabhängige Gleitsysteme thermisch aktiviert, um eine Duktilität zu gewährleisten. Dafür ist eine Temperatur notwendig, bei welcher auch ausreichend viele Gleitsysteme thermisch aktiviert sind, um die Peierlsbarriere überwinden zu können. Die Temperatur muss gleichzeitig so gewählt sein, dass Gleit systeme nicht zu sehr durch Kletterdissoziation von Partialversetzungen immobil wer den. Dieser Temperaturbereich ist für jede keramische Materialklasse unterschiedlich und variiert auch innerhalb einer Klasse. Es besteht oftmals ein exponentieller oder quadratischer Zusammenhang mit der Temperatur, insbesondere der Prozesstempera tur. Die Verformung ist bevorzugt an Luft durchzuführen, da Inertgasatmosphäre oder Vakuum durch Cottrellatmosphären von Sauerstoffleerstellen um die Versetzungen die benötigten Spannungen erhöht und auch andere Effekte haben können. Für den Pero vskit SrTiOs sind Korngrößen von größer als 2 pm und eine Temperatur von 1050°C- 1350°C bevorzugt. Die benötigte Spannung hängt extrem von der Temperatur und der Dehnrate ab und sollte zwischen 1 MPa und 1500 MPa liegen. Dehnraten können in ei nem extrem breiten Bereich von bevorzugt 108 s_1 bis 105 s_1, bevorzugt von 107 s_1 bis 102 s 1, weiter bevorzugt von 106 s_1 bis 101 s_1, noch weiter bevorzugt von 105 s_1 bis 10° s 1 liegen. Die Zeit über welche die Spannung gehalten wird ist oftmals proportional zum Verformungsgrad. Eine Abkühlung während der Verformung erhöht die Verset zungsdichte weiter. Bevorzugt ist eine Temperatur zwischen 30% und 80% der Schmelztemperatur in Kelvin bei mechanischen Belastungen, die mindestens die Streck grenze der Keramik bei der Temperatur beträgt, mit einer plastischen Verformung zwi schen 0,5% und 80%, weiter bevorzugt zwischen 0,75% und 25%, weiter bevorzugt zwi schen 1% und 20%. Plastic deformation at high temperature, in particular between 30% and 98% of the melting temperature in Kelvin at mechanical loads that are at least the yield point of the ceramic at that temperature, with plastic deformation between 0.5% and 80%, preferably between 0 , 75% and 25%, more preferably between 1% and 20%. Sufficient independent sliding systems are preferably thermally activated to ensure ductility. This requires a temperature at which a sufficient number of sliding systems are thermally activated to be able to overcome the Peierls barrier. At the same time, the temperature must be chosen so that sliding systems do not become too immobile due to climbing dissociation of partial dislocations. This temperature range is different for each ceramic material class and also varies within a class. There is often an exponential or quadratic relationship with the temperature, especially the process temperature. The deformation should preferably be carried out in air, since an inert gas atmosphere or vacuum through Cottrell atmospheres of oxygen vacancies around the dislocations increases the required stresses and can also have other effects. For the Pero vskit SrTiOs, grain sizes greater than 2 μm and a temperature of 1050 ° C.-1350 ° C. are preferred. The required stress depends extremely on the temperature and the strain rate and should be between 1 MPa and 1500 MPa. Can strain rates in egg nem extremely wide range of preferably 10 8 s _1 to 10 5 s _1, preferably from 10 7 s _1 to 10 2 s 1, more preferably from 10 6 s _1 to 10 1 s _1, still more preferably from 10 5 s _1 to 10 ° s 1 . The time over which the tension is held is often proportional to the degree of deformation. Cooling during the deformation increases the dislocation density further. A temperature between 30% and 80% of the melting temperature in Kelvin is preferred for mechanical loads that are at least the yield point of the ceramic at that temperature, with plastic deformation between 0.5% and 80%, more preferably between 0.75 % and 25%, more preferably between 1% and 20%.
Reduktion und dadurch Kondensation von Sauerstoffleerstellen und Bildung von Verset zungsschleifen. Um den Austausch von Sauerstoffleerstellen mit der Umgebung zu er lauben, sind erhöhte Temperaturen notwendig, deren genaue Höhe vom jeweiligen Ma terial abhängt. Bevorzugt sind Temperaturen, bei welchen Versetzungen nicht in die kletterdissoziierte Konfiguration wechseln, jedoch Sauerstoffionenausbau und Diffusion möglich ist. Für den Perovskit SrTiCh ist dies unterhalb von 850°C, jedoch oberhalb von 300°C. Mit Hilfe von Licht kann der Einbau und damit die notwendige Temperatur mas siv verändert werden. Reduction and thereby condensation of oxygen vacancies and formation of dislocation loops. In order to allow the exchange of oxygen vacancies with the environment, elevated temperatures are necessary, the exact level of which depends on the material in question. Temperatures at which dislocations do not occur are preferred Change climbing-dissociated configuration, but oxygen ion expansion and diffusion is possible. For the perovskite SrTiCh this is below 850 ° C, but above 300 ° C. With the help of light, the installation and thus the necessary temperature can be massively changed.
Bestrahlung und Bildung von Strahlungsschäden, die sich zu Versetzungen entwickeln, hierbei ist Porenbildung bevorzugt zu vermeiden. Eine Kombination mit Temperaturbe handlung kann das Ergebnis verbessern. Die Strahlendosis, welche vom spezifischen Material abhängt, ist der zentrale Parameter. Eine Fluenz von 1 *1012 nr2 bis 1*1015 nr2 von Nickelionen mit 10 MeV ist ein Beispiel. Die Wirksamkeit der Bestrahlung kann sich jedoch oftmals erst in einem Temperaturbehandlungsschritt ergeben. Zusätzlich ist die Wrksamkeit jeweils abhängig von der Kombination von verwendetem Ion, Energie und Fluenz und für jedes Material anders. Irradiation and the formation of radiation damage that develop into dislocations; pore formation should preferably be avoided here. A combination with temperature treatment can improve the result. The radiation dose, which depends on the specific material, is the central parameter. A fluence of 1 * 10 12 nr 2 to 1 * 10 15 nr 2 of nickel ions with 10 MeV is an example. However, the effectiveness of the irradiation can often only emerge in a temperature treatment step. In addition, the effectiveness depends on the combination of ion, energy and fluence used and is different for each material.
Lösungsglühen und Auslagern mit möglichem Abschrecken als Zwischenschritt. Aus ei ner übersättigten Festkörperlösung, erzeugt durch Lösungsglühen bei bevorzugt 50% bis 95% der Schmelztemperatur, werden durch Auslagern bei bevorzugt 30% bis 75% der Schmelztemperatur bevorzugt homogene Mikroausscheidungen, ähnlich zu Guinier- Preston-Zonen in der Ausscheidungshärtung von Aluminium Legierungen, eingebracht. Dabei ist die Ausscheidung einer gelösten Komponente wichtig, welche durch Lösungs glühen und weiterem Auslagerungsschritt erfolgt. Es sei betont, dass diese im Gegen satz zu Metallen zu einer Erweichung nicht zu einer Härtung führen. Sie hängt vom Übersättigungsgrad, der Auslagerungstemperatur und Auslagerungsdauer ab. Die tem peraturabhängige begrenzte Löslichkeit der gelösten Komponente ist Grundvorausset zung. Solution heat treatment and aging with possible quenching as an intermediate step. From a supersaturated solid solution, produced by solution annealing at preferably 50% to 95% of the melting temperature, homogeneous micro-precipitates, similar to Guinier-Preston zones in the precipitation hardening of aluminum alloys, are introduced by aging at preferably 30% to 75% of the melting temperature . The elimination of a dissolved component is important, which is carried out by annealing in the solution and a further aging step. It should be emphasized that, in contrast to metals, these lead to softening and not to hardening. It depends on the degree of supersaturation, the aging temperature and the aging time. The temperature-dependent limited solubility of the dissolved component is a basic requirement.
Einbringen von Mikroausscheidungen mit anderer Kristallstruktur oder thermischem Aus dehnungskoeffizient. Diese sorgen durch die Fehlpassung lokal für Spannungen, welche die Versetzungsnukleation begünstigen. Dies kann z.B. durch Beimischung eines Pul vers einer zweiten, nicht löslichen Keramik erfolgen. Die Korn- und Pulvergröße liegt be vorzugt im Bereich von 3 nm bis 3 pm, weiter bevorzugt von 5 nm bis 750 nm. Introduction of micro-precipitates with a different crystal structure or thermal expansion coefficient. Due to the mismatch, these locally create tensions which favor dislocation nucleation. This can be done, for example, by adding a powder to a second, insoluble ceramic. The grain and powder size is preferably in the range from 3 nm to 3 μm, more preferably from 5 nm to 750 nm.
Sintern bei gleichzeitiger Beaufschlagung mit hohen elektrischen Strömen im bevorzug ten Bereich von 0,1 Acnr2 bis 2 MAcnr2. Dadurch wird das Material regional unter schiedlich aufgeheizt (an den Sinterhälsen höher) und erfährt einen hohen, inneren, aber lokal sehr eingeschränkten Temperaturgradienten, der sich direkt in lokale Span- nungsgradienten überträgt. Zusätzlich sorgt der hohe Strom für die Entstehung und Be wegung von geladenen Defekten, welche für zusätzliche Unordnung in den Kristalliten sorgen, welche als Nukleationspunkte dienen können. Sintering with simultaneous application of high electrical currents in the preferred range of 0.1 Acnr 2 to 2 MAcnr 2 . As a result, the material is heated differently from region to region (higher at the sinter necks) and experiences a high, internal, but locally very limited temperature gradient, which translates directly into local chip- transfer gradients. In addition, the high current ensures the formation and movement of charged defects, which cause additional disorder in the crystallites, which can serve as nucleation points.
- Aerosolabscheidung. - Aerosol separation.
Bestrahlung im Raster mit femtosekunden Laserpulsen mit einem Fokuspunkt im Materi alvolumen. Pulsenergien von z.B. 7.5 Mikrojoule sind bevorzugt. Mehrfachpulse pro Rasterpunkt von z.B. 10 bis 1000 Pulsen sind bevorzugt. Irradiation in the grid with femtosecond laser pulses with a focus point in the material volume. Pulse energies of e.g. 7.5 microjoules are preferred. Multiple pulses per raster point of e.g. 10 to 1000 pulses are preferred.
Spezielle Temperaturzyklen mit einer Abkühlrate von größer als 25 Kelvin pro Minute.Special temperature cycles with a cooling rate of more than 25 Kelvin per minute.
Das Aufschmelzen von Keramiken in die Flüssige Phase mit dem Gießen als möglichen Verfahrensschritt (ähnlich wie bei Metallen). The melting of ceramics into the liquid phase with casting as a possible process step (similar to metals).
Bevorzugt umfasst das Verfahren mindestens den Schritt des Versetzungskriechens bei hoher Temperatur und/oder den Schritt der plastischen Verformung bei hoher Temperatur. Preferably, the method comprises at least the step of dislocation creep at high temperature and / or the step of plastic deformation at high temperature.
Bereits an anderer Stelle wurde, insbesondere im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfah ren, angemerkt, dass zur möglichen Erhöhung der Versetzungsquellendichte (insbesondere im gesamten Volumen) erfindungsgemäß „flash sintering“ besonders bevorzugt ist. Nachfolgend wird eine detaillierte Beschreibung eines Beispiels für ein Herstellungsverfahren einer erfin dungsgemäßen polykristallinen Keramik offenbart: It has already been noted elsewhere, in particular in connection with the manufacturing process, that "flash sintering" is particularly preferred according to the invention in order to possibly increase the dislocation source density (in particular in the entire volume). A detailed description of an example of a manufacturing method of a polycrystalline ceramic according to the invention is disclosed below:
Ein besonders bevorzugtes Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, insbe sondere um gewünschte Versetzungen in sinnvoller Dichte herzustellen, ist das „flash sintering“ (machmal auch als „ultra-fast fi ring“ bezeichnet). Das Verfahren weist dabei insbesondere auf:A particularly preferred production method according to the present invention, in particular in order to produce the desired dislocations in a meaningful density, is “flash sintering” (sometimes also referred to as “ultra-fast fi ring”). The method has in particular:
Bereitstellen eines keramischen Grünkörpers, insbesondere Herstellen des Grünkörpers aus keramischem Pulver, vorzugsweise aufweisend undotiertes SrTi03, durch Pressen und/oder mit Hilfe von Bindern und (optional kaltisostatischem) Verdichten des Pulvers, Providing a ceramic green body, in particular producing the green body from ceramic powder, preferably comprising undoped SrTi0 3 , by pressing and / or with the help of binders and (optionally cold isostatic) compression of the powder,
Kontaktieren des Grünkörpers mit Elektroden, mittels derer ein elektrisches Feld innerhalb des Grünkörpers aufgebracht, insbesondere ausgebildet, werden kann, und/oder Contacting the green body with electrodes by means of which an electric field can be applied, in particular formed, within the green body, and / or
Ausbilden des elektrischen Feldes mittels der Elektroden innerhalb des Grünkörpers, vorzugsweise (i) bei einer Umgebungstemperatur des Grünkörpers von zwischen 500 °C und 1500 °C, insbesondere von zwischen 900 °C und 1300 °C, insbesondere von etwa 1100 °C, und/oder (ii) für zwischen 1 Sekunde und 15 Minuten, vorzugsweise zwischen 10 Sekunden und 10 Minuten, vorzugsweise zwischen 10 Sekunden und 5 Minuten, insbesondere etwa 2 Minuten, wobei vorzugsweise infolge des elektrischen Feldes zumindest zeitweise ein elektrischer Strom zwischen den Elektroden durch den Grünkörper fließt und der Grünkörper dadurch zumindest bereichsweise erhitzt wird. Formation of the electric field by means of the electrodes within the green body, preferably (i) at an ambient temperature of the green body of between 500 ° C and 1500 ° C, in particular between 900 ° C and 1300 ° C, in particular around 1100 ° C, and / or (ii) for between 1 second and 15 minutes, preferably between 10 seconds and 10 minutes, preferably between 10 seconds and 5 minutes, in particular about 2 Minutes, with an electric current flowing between the electrodes through the green body at least intermittently as a result of the electric field and the green body is thereby heated at least in certain areas.
Das Verfahren könnte beispielsweise wie folgt praktisch ausgestaltet werden: The procedure could be designed practically as follows, for example:
Eine keramischer Grünkörper wird aus keramischem Pulver, mit z.B. einer Partikelgröße von zwischen 100 nm und 500 nm, vorzugsweise von zwischen 200 nm und 400 nm, insbesondere 300 nm, gepresst und (optional kaltisostatisch), beispielsweise bei zwischen 300 MPa und 800 MPa, vorzugsweise bei zwischen 400 MPa und 600 MPa, vorzugsweise bei 500 MPa, verdichtet. Dieser Grünkörper wird mit Elektroden versehen, welche ein elektrisches Feld, beispielsweise von zwischen 10 V/mm und 30 V/mm, vorzugsweise von zwischen 10 V/mm und 20 V/mm, insbesondere von etwa 15 V/mm, aufbringen, wobei der Stromfluss, insbesondere durch den Grünkörper, vorzugsweise auf eine Stromdichte von zumindest bereichsweise zwischen 30 mA/cm2 und 100 mA/cm2, vorzugsweise von zwischen 40 mA/cm2 und 70 mA/cm2, insbeonsdere von etwa 60 mA/cm2, limitiert wird. Die Umgebungstemperatur des Grünkörpers wird eingestellt. Beispielsweise mit einem Ofen, in dem der Grünkörper angeordnet wird. Der Ofen mit dem Grünkörper wird, vorzugsweise mit 5 Kelvin pro Minute, auf zwischen 900 °C und 1300 °C, vorzugsweise auf zwischen 1000 °C und 1200°C, insbesondere etwa 1100 °C erhitzt, zwischen 1 Sekunde und 15 Minuten, vorzugsweise zwischen 10 Sekunden und 10 Minuten, vorzugsweise zwischen 10 Sekunden und 5 Minuten, insbesondere etwa 2 Minuten, bei der Temperatur gehalten und dann wieder abgekühlt, insbesondere auf die Ausgangstemperatur. Während und/oder nach dem Aufheizen und insbesondere vor dem Abkühlen des Ofens, wird das elektrische Feld angelegt. Wenn der Ofen eine ausreichende, insbesondere von dem Grünkörper abhängige, Temperatur erreicht hat, wird der Grünkörper elektrisch leitfähig wodruch elektrischer Strom fließt. Der elektrische Widerstand im Grünkörper heizt dann den Grünkörper, insbesondere sehr schnell, also beispielsweise innerhalb von zwischen 1 Sekunde und 100 Sekunden, vorzugsweise von zwischen 10 Sekunden und 80 Sekunden, vorzugsweise von zwischen 15 Sekunden und 30 Sekunden, weit - insbesondere zwischen 10 % und 100 %, vorzugsweise zwischen 15 % und 80 % oder zwischen 20 % und 100 %, der Ofentemperatur - über die Ofentemperatur auf. Die Temperatur der Probe erreicht dabei vorzugsweise einen Wert nahe der Sintertemperatur. Die Probentemperatur muss jedoch vorzugsweise nicht direkt gemessen und/oder kontrolliert werden. Nachdem die Stromstärke das eingestellte Limit erreicht hat, wird der Strom für weitere 2 Sekunden bis 30 Minuten, vorzugsweise zwischen 10 Sekunden und 10 Minuten, vorzugsweise zwischen 10 Sekunden und 5 Minuten, insbesondere etwa 2 Minuten, aufrecht erhalten und dann abgeschaltet, wonach die Probe wieder schnell auf die Ofentemperatur abkühlt. Anstatt eines Ofens kann auch auf andere geeignete Weise die Umgebungstemperatur eingestellt und/oder kontrolliert werden. A ceramic green body is pressed from ceramic powder, for example with a particle size of between 100 nm and 500 nm, preferably between 200 nm and 400 nm, in particular 300 nm, and (optionally cold isostatic), for example at between 300 MPa and 800 MPa, preferably compressed at between 400 MPa and 600 MPa, preferably at 500 MPa. This green body is provided with electrodes which apply an electrical field, for example of between 10 V / mm and 30 V / mm, preferably of between 10 V / mm and 20 V / mm, in particular of about 15 V / mm, the Current flow, in particular through the green body, preferably to a current density of at least regionally between 30 mA / cm 2 and 100 mA / cm 2 , preferably between 40 mA / cm 2 and 70 mA / cm 2 , in particular of about 60 mA / cm 2 , is limited. The ambient temperature of the green body is set. For example, with an oven in which the green body is placed. The furnace with the green body is heated, preferably at 5 Kelvin per minute, to between 900 ° C. and 1300 ° C., preferably to between 1000 ° C. and 1200 ° C., in particular about 1100 ° C., between 1 second and 15 minutes, preferably held at the temperature for between 10 seconds and 10 minutes, preferably between 10 seconds and 5 minutes, in particular about 2 minutes, and then cooled again, in particular to the starting temperature. The electric field is applied during and / or after the furnace is heated up and in particular before it cools down. When the furnace has reached a sufficient temperature, in particular a temperature that depends on the green body, the green body becomes electrically conductive, causing electrical current to flow. The electrical resistance in the green body then heats the green body, in particular very quickly, for example within between 1 second and 100 seconds, preferably between 10 seconds and 80 seconds, preferably between 15 seconds and 30 seconds, far - in particular between 10% and 100%, preferably between 15% and 80% or between 20% and 100%, of the oven temperature - above the oven temperature. The temperature of the sample preferably reaches a value close to the sintering temperature. However, the sample temperature preferably does not have to be measured and / or controlled directly. After the current intensity has reached the set limit, the current is maintained for a further 2 seconds to 30 minutes, preferably between 10 seconds and 10 minutes, preferably between 10 seconds and 5 minutes, in particular about 2 minutes, and then switched off, after which the sample up again quickly the oven temperature cools down. Instead of a furnace, the ambient temperature can also be set and / or controlled in another suitable manner.
Die Probeneigenschaften werden dabei vorzugsweise über das Temepraturprofil im inneren der Probe beeinflusst. Das elektrische Feld und die Stromdichte können vorzugsweise an die jeweilige Sintertemperatur des Materials angepasst werden. The sample properties are preferably influenced by the temperature profile inside the sample. The electric field and the current density can preferably be adapted to the respective sintering temperature of the material.
Die Parameter können zwischen den einzelnen Materialen variieren, so dass abhängig von den eingesetzten Materialien die Einstellungen angepasst werden können. The parameters can vary between the individual materials so that the settings can be adjusted depending on the materials used.
Beschreibung der Abbildungen Description of the images
Abbildung 1 zeigt eine Transmissionselektronenmikroskopieaufnahme einer konventionell ge sinterten SrTiCh Keramik. Es lassen sich nur sehr vereinzelte Versetzungen finden. Ein Beispiel der seltenen Versetzungen ist im rechten Bild mit der Nummer 1 gekennzeichnet. Figure 1 shows a transmission electron microscope image of a conventionally sintered SrTiCh ceramic. Only very isolated dislocations can be found. An example of the rare dislocations is marked with the number 1 in the picture on the right.
Abbildung 2 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopieaufnahme von einem verformten Stronti- umtitanat Einkristall mit Ätzgrübchen, welche die Versetzungen visualisieren. Streifenweise sind Bereiche mit quasi konstanter maximaler, insbesondere durch mechanische Verformung zu gängliche, Versetzungsdichte getrennt von Bereichen ohne Versetzungen zu erkennen. Figure 2 shows a scanning electron microscope image of a deformed strontium titanate single crystal with etched pits which visualize the dislocations. In strips, areas with a quasi constant maximum dislocation density, in particular too common due to mechanical deformation, can be seen separately from areas without dislocations.
Abbildung 3 zeigt eine beispielhafte Belastungskurve eines Nanoindentierversuchs mit einem Spitzenradius von 80 nm. Mit Nummer 2 gekennzeichnet zeigt die Keramik nach Stand der Technik einen klar erkennbaren Übergang von elastischem zu plastischem Verhalten. Dieses Merkmal ist in der Erfindungsgemäßen Keramik nicht zu erkennen wobei eine Abweichung vom elastischen Verhalten schon unterhalb von 0.01 mN zu erkennen ist. Figure 3 shows an exemplary load curve of a nanoindentation test with a tip radius of 80 nm. Marked with number 2, the ceramic according to the state of the art shows a clearly recognizable transition from elastic to plastic behavior. This feature cannot be seen in the ceramic according to the invention, with a deviation from the elastic behavior already being seen below 0.01 mN.
Abbildung 4 zeigt die statistische Auswertung der in Abbildung 3 dargestellten Messung. Sie ist beispielhaft für zwei verschiedene Spitzenradien durchgeführt. Auch die Bereiche mit maximaler Versetzungsdichte, wie in Abbildung 2 dargestellt, zeigen nur ein sehr geringfügig verändertes Verhalten gegenüber der vollständig versetzungsfreien Keramik. Der mit Grau hinterlegte und mit Nummer 3 gekennzeichnete Bereich ist bevorzugt bei einer Messung an einer erfindungsge mäßen Keramik, wobei ein Messwert bei welchen kein pop-in festgestellt werden konnte auto matisch in diesen Wertebereich fällt. Figure 4 shows the statistical evaluation of the measurement shown in Figure 3. It is carried out as an example for two different tip radii. The areas with maximum dislocation density, as shown in Figure 2, show only a very slight change in behavior compared to the completely dislocation-free ceramic. The area with a gray background and marked with the number 3 is preferred for a measurement on a ceramic according to the invention, a measured value for which no pop-in could be detected automatically falls within this value range.
Abbildung 5 zeigt beispielhaft, wie ein Riss eines Vickerseindrucks ausgewählt und in höherer Vergrößerung visualisiert wird. Mit Nummer 5 in Abb. 5c) ist die Rissöffnung an zwei verschie denen Stellen markiert. Der Abstand von der Rissspitze ist in Intervallen von 100 nm markiert. Die Rissspitze ist mit Nummer 4 gekennzeichnet. Abbildung 6 zeigt Rasterelektronenmikroskopiebilder von Rissen an Vickerseindrücken mit 25 g Last a) Referenzkristall b) und b) erfindungsgemäße Keramik mit hoher Versetzungsdichte. Mit Pfeil und Nummer 4 und kleinem Strich markiert ist jeweils die Rissspitze. Nummer 6 und schwarze Linie markieren einen Ausschnitt des Randes des Vickerseindrucks. Der mit Nummer 7 markierte doppelte Pfeil deutet die [110] Kristallrichtung an. Die Risse in Abbildung b) und c) breiten sich in unterschiedlichen Kristallrichtungen aus. Figure 5 shows an example of how a crack from a Vickers impression is selected and visualized at a higher magnification. With number 5 in Fig. 5c) the crack opening is marked in two different places. The distance from the crack tip is marked at intervals of 100 nm. The crack tip is marked with number 4. Figure 6 shows scanning electron microscopy images of cracks at Vickers indentations with 25 g load a) reference crystal b) and b) ceramic according to the invention with high dislocation density. The tip of the crack is marked with an arrow and number 4 and a small line. Number 6 and the black line mark a section of the edge of the Vickers impression. The double arrow marked with number 7 indicates the [110] crystal direction. The cracks in Figure b) and c) spread in different crystal directions.
Abbildung 7 zeigt eine quantitative Auswertung von Rasterelektronenmikroskopiebildern von Rissen an Vickerseindrücken mit 25 g Last. Es wurden für zwei erfindungsgemäße Keramiken der Perovskitkristallstruktur (SrTiCh) und für einen Referenzkristall Risse derart ausgewertet, dass die Rissöffnung in Abhängigkeit vom Abstand von der Rissspitze bestimmt wurde. Diese Werte wurden gegeneinander aufgetragen (COD-Wert in nm (y-Achse) gegen Abstand von der Rissspitze in pm (x-Achse)). Die schwarzen Quadrate zeigen die für den Referenzkristall ermit telten Wertepaare. Die Werte der beiden erfindungsgemäßen Keramiken sind als weiße Kreise bzw. weiße Dreiecke gezeigt. Zum Vergleich ist der theoretische Verlauf mit einem Spannungs intensitätsfaktor von 0,6 MPaVrn (durchgezogene Linie) und 2,9 MPaVrn (gestrichelte Linie ge zeigt). Es ist ersichtlich, dass der Referenzkristall näherungsweise eine Rissspitzenbruchzähig keit von 0,6 MPaVrn und die erfindungsgemäße Keramik näherungsweise eine Rissspitzen bruchzähigkeit von ca. 2,9 MPaVrn aufweist. Der Verlauf der Rissöffnungswerte wird mit dem theoretischen Verlauf verglichen, welcher sich aus bereits genannter Formel ergibt. Dabei ist die Rissspitzenbruchzähigkeit im theoretischen Verlauf so zu wählen, dass der Verlauf best möglich die experimentellen Daten wiedergibt. Dieser Wert ist dann die experimentell ermittelte Rissspitzenbruchzähigkeit u = KI0/E' * V(8x/7r) (u = halbe Rissöffnung, E‘ ist Elastizitätsmodul im entsprechenden Spannungszustand, Kio die Rissspitzenbruchzähigkeit, p ist die Kreiszahl 3,1415... , und x ist Abstand zur Rissspitze). Figure 7 shows a quantitative evaluation of scanning electron microscopy images of cracks on Vickers indentations with 25 g load. For two ceramics according to the invention of the perovskite crystal structure (SrTiCh) and for a reference crystal, cracks were evaluated in such a way that the crack opening was determined as a function of the distance from the crack tip. These values were plotted against one another (COD value in nm (y-axis) versus distance from the crack tip in pm (x-axis)). The black squares show the value pairs determined for the reference crystal. The values of the two ceramics according to the invention are shown as white circles and white triangles. For comparison, the theoretical curve has a stress intensity factor of 0.6 MPaVrn (solid line) and 2.9 MPaVrn (dashed line shows). It can be seen that the reference crystal has approximately a crack tip fracture toughness of 0.6 MPaVrn and the ceramic according to the invention has approximately a crack tip fracture toughness of approximately 2.9 MPaVrn. The course of the crack opening values is compared with the theoretical course, which results from the formula already mentioned. The crack tip fracture toughness should be selected in the theoretical course so that the course reflects the experimental data as best as possible. This value is then the experimentally determined crack tip fracture toughness u = K I0 / E '* V (8x / 7r) (u = half crack opening, E' is the modulus of elasticity in the corresponding stress state, Kio the crack tip fracture toughness, p is the circle number 3.1415 ... , and x is the distance to the crack tip).
Abbildung 8 zeigt Vickerseindrücke mit jeweils 10 g in a) und b) und 25 g in c) und d). Die Kera mik in Abbildung b) und d) wurde wie im Beispiel beschrieben behandelt. Dadurch ist die Riss bildung erheblich reduziert. Im Vergleich ist die Versetzungsdichte des Refenzkristalls gering und im Bereich von 105 cm-2. Figure 8 shows Vickers impressions with 10 g each in a) and b) and 25 g in c) and d). The ceramic in Figure b) and d) was treated as described in the example. This considerably reduces the formation of cracks. In comparison, the dislocation density of the reference crystal is low and in the range of 10 5 cm -2 .
Abbildung 9 zeigt Vickerseindrücke mit jeweils 200 g in a) und b) und 10 g in c), d), e) und f).Figure 9 shows Vickers impressions with 200 g each in a) and b) and 10 g in c), d), e) and f).
Die Keramik in Abbildung b), d) und f) wurde wie im Beispiel beschrieben behandelt. Dadurch ist die Rissbildung erheblich reduziert. Die Keramik in Abbildung a), c) und e) ist eine nach Stand der Technik. Die Keramiken in Abbildungen a), b), c) und d) weisen eine Korngröße von ca. 9 pm auf. Die Keramiken in Abbildungen e) und f) weisen eine Korngröße von ca. 2 pm auf. Abbildung 10 zeigt Dunkelfeld Röntgenmikroskopie-Aufnahmen, in welcher alle Versetzungen Sichtbar werden, z.B. mit Nummer 9 markiert. Es ist zu erkennen, dass im Kristall zuvor keine Versetzungen existierten. Die Versetzungsbänder sind klar erkennbar (z.B. mit Nummer 10 markiert) und es lassen sich Anzeichen für verschiedene Multiplikationsmechanismen erken nen, zum Beispiel dem Quergleiten (cross-slip), welches mit Nummer 11 markiert ist. Mit Num mer 8 sind beispielhaft Bildartefakte markiert. The ceramic in figure b), d) and f) was treated as described in the example. This considerably reduces the formation of cracks. The ceramic in Figure a), c) and e) is state-of-the-art. The ceramics in figures a), b), c) and d) have a grain size of approx. 9 μm. The ceramics in Figures e) and f) have a grain size of approx. 2 μm. Figure 10 shows dark field X-ray microscopy images in which all dislocations are visible, e.g. marked with number 9. It can be seen that no dislocations previously existed in the crystal. The dislocation bands are clearly recognizable (e.g. marked with number 10) and signs of various multiplication mechanisms can be recognized, for example cross-slip, which is marked with number 11. Image artifacts are marked with number 8 as an example.
Abbildung 11 zeigt optische Mikroskopieaufnahmen von Rutil (T1O2) Kristallen. Die Oberfläche wurde geätzt, sodass Versetzungen durch Ätzgrübchen Sichtbar werden. Es ist erkennbar, dass in der Umgebung von „Verunreinigungspartikeln“ (markiert mit Nummer 12) viele Versetzungen vorhanden sind (markiert mit Nummer 13). Damit ist gezeigt, dass Fremdpartikel als Verset zungsquellen fernab von Oberflächen genutzt werden können. Figure 11 shows optical microscopy images of rutile (T1O2) crystals. The surface was etched so that dislocations through etch pits are visible. It can be seen that in the vicinity of “pollution particles” (marked with number 12) there are many dislocations (marked with number 13). This shows that foreign particles can be used as sources of dislocation far away from surfaces.
Abbildung 12 zeigt Transmissonselektronenmikroskopiebilder einer SrTiOs Keramik, welche bei hoher Temperatur verformt wurde. Die Verformung fand bei 1150°C mit einer Dehnrate von 2.5*105 s 1 statt. Es wurde ein Verformungsgrad von ca. 4% erreicht, wobei die maximalen Las ten zwischen 20 und 200 MPa Druckspannung lagen. Es ist deutlich zu erkennen, dass eine sehr hohe Versetzungsdichte in Keramiken existieren kann. Figure 12 shows transmission electron microscopy images of an SrTiOs ceramic that was deformed at high temperature. The deformation took place at 1150 ° C with a strain rate of 2.5 * 10 5 s 1 . A degree of deformation of approx. 4% was achieved, the maximum loads being between 20 and 200 MPa compressive stress. It can be clearly seen that a very high dislocation density can exist in ceramics.
Abbildung 13 zeigt Ergebnisse einer Nanoindentation am Beispiel des Materials Magnesi umoxid (MgO) gemäß der Erfindung. Die Darstellung der Abbildung 13 ist grundsätzlich ganz ähnlich zu der in der Abbildung 4 verwendeten und zeigt, dass die Reduktion der pop-in Span nung, welche in Abbildung 4 für das Material SrTiOs gezeigt wurde, direkt auf MgO übertragbar ist. Figure 13 shows results of a nanoindentation using the example of the material Magnesi umoxid (MgO) according to the invention. The representation in Figure 13 is basically very similar to that used in Figure 4 and shows that the reduction in the pop-in voltage, which was shown in Figure 4 for the material SrTiOs, can be directly transferred to MgO.
Abbildung 13 zeigt insoweit die statistische Auswertung der in Abbildung 3 dargestellten Mes sung an Magnesiumoxid. Der mit Grau hinterlegte und mit Nummer 3 gekennzeichnete Bereich ist bevorzugt bei einer Messung an einer erfindungsgemäßen Keramik, wobei ein Messwert bei welchen kein pop-in festgestellt werden konnte automatisch in diesen Wertebereich fällt. Eine deutliche Reduktion der „pop-in“ Spannung von ca. 10 GPa auf weniger als 1 ,5 GPa wurde fest gestellt wodurch alle Werte für die Erfindungsgemäße Keramik in den mit Nummer 3 gekenn zeichneten Bereich fallen. In this respect, Figure 13 shows the statistical evaluation of the measurement on magnesium oxide shown in Figure 3. The area with a gray background and marked with the number 3 is preferred for a measurement on a ceramic according to the invention, a measured value for which no pop-in could be determined automatically falls within this value range. A significant reduction in the “pop-in” voltage from approx. 10 GPa to less than 1.5 GPa was found, whereby all values for the ceramic according to the invention fall into the range marked with number 3.
Abbildung 13 zeigt insoweit die statistische Auswertung einer Messung einer Belastungskurve eines Nanoindentierversuchs mit einem Spitzenradius von 80 nm in Bezug auf das Material MgO. Dies zeigt, dass die in dieser Anmeldung präsentierten Ergebnisse und Schlussfolgerungen so wie die erfinderische Lehre auch auf eine Vielzahl anderer Keramiken gleichermaßen übertrag bar ist. Figure 13 shows the statistical evaluation of a measurement of a load curve of a nanoindentation test with a tip radius of 80 nm in relation to the material MgO. This shows that the results and conclusions presented in this application, as well as the teaching of the invention, can also be applied equally to a large number of other ceramics.
Abbildung 14 zeigt Ergebnisse im Zusammenhang mit der Rissspitzenzähigkeit am Beispiel des Materials Magnesiumoxid (MgO). Die in Abbildung 5, 6 und 7 für SrTiCh dargestellte Auswer tung Rissspitzenzähigkeit ist identisch für Magnesiumoxid durchgeführt, wobei die Ergebnisse in a) der Abbildung 14 präsentiert werden. In b) und c) der Abbildung 14 wird die Rissbildung nach einem Vickers Eindruck mit 10 g Last in einer Keramik nach Stand der Technik (in b) und einer erfindungsgemäßen Keramik (in c) verglichen. Dies zeigt die direkte Übertragbarkeit der Ergebnisse von SrTiCh in Abbildung 8 auf das Material MgO. Figure 14 shows results in connection with the crack tip toughness using the example of the material magnesium oxide (MgO). The evaluation of the crack tip toughness shown in Figures 5, 6 and 7 for SrTiCh is carried out identically for magnesium oxide, the results being presented in a) of Figure 14. In b) and c) of Figure 14, the crack formation according to a Vickers impression with 10 g load in a ceramic according to the prior art (in b) and a ceramic according to the invention (in c) is compared. This shows the direct transferability of the results from SrTiCh in Figure 8 to the material MgO.
Abbildung 14 zeigt also Ergebnisse und Illustrationen in Bezug auf die Rissspitzenzähigkeit in MgO. Figure 14 shows results and illustrations related to the crack tip toughness in MgO.
Es wurden dazu für erfindungsgemäße MgO-Keramik nach der Polierung Risse derart ausge wertet, dass die Rissöffnung in Abhängigkeit vom Abstand von der Rissspitze bestimmt wurde. Diese Werte wurden gegeneinander aufgetragen (COD-Wert in nm (y-Achse) gegen Abstand von der Rissspitze in pm (x-Achse)). Die Werte der beiden Keramiken sind als schwarze Quad rate mit Messfehlerbalken gezeigt. Zum Vergleich ist der theoretische Verlauf mit einem Span nungsintensitätsfaktor von 3,2 MPaVrn (durchgezogene schwarze Linie in Abbildung 14 a)). Es ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Keramik nach der Polierung näherungsweise eine Rissspitzenbruchzähigkeit von ca. 3,2 MPaVrn aufweist. Der Verlauf der Rissöffnungswerte wird mit dem theoretischen Verlauf verglichen, welcher sich aus bereits genannter Formel ergibt. Da bei ist die Rissspitzenbruchzähigkeit im theoretischen Verlauf so gewählt, dass der Verlauf bestmöglich die experimentellen Daten wiedergibt. Dieser Wert ist dann die experimentell ermit telte Rissspitzenbruchzähigkeit u = KI0/E' * (8x/n) (u = halbe Rissöffnung, E‘ ist Elastizitäts modul im entsprechenden Spannungszustand, Kio die Rissspitzenbruchzähigkeit, p ist die Kreis zahl 3,1415... , und x ist Abstand zur Rissspitze). For this purpose, cracks were evaluated for MgO ceramic according to the invention after polishing in such a way that the crack opening was determined as a function of the distance from the crack tip. These values were plotted against one another (COD value in nm (y-axis) versus distance from the crack tip in pm (x-axis)). The values of the two ceramics are shown as black squares with measurement error bars. For comparison, the theoretical curve has a stress intensity factor of 3.2 MPaVrn (solid black line in Figure 14 a)). It can be seen that the ceramic according to the invention has approximately a crack tip fracture toughness of approx. 3.2 MPaVrn after polishing. The course of the crack opening values is compared with the theoretical course, which results from the formula already mentioned. The crack tip fracture toughness in the theoretical course is selected in such a way that the course reflects the experimental data in the best possible way. This value is then the experimentally determined crack tip fracture toughness u = K I0 / E '* (8x / n) (u = half crack opening, E' is the modulus of elasticity in the corresponding stress state, Kio the crack tip fracture toughness, p is the circle number 3.1415. .., and x is the distance to the crack tip).
Weiterhin zeigt Abbildung 14 direkt nebeneinander jeweils die Hälfte eines Vickerseindrucks vor und nach der Polierung um den Kontrast hervorzuheben. Vor der Polierung, also nach Stand der Technik sind deutliche Risse zu erkennen wie in 14b gezeigt. Für die Risslänge wird auf die spätere Tabelle verwiesen. Im Kontrast weist die erfindungsgemäße Keramik in 14c keine Risse auf. Die Darstellung der Abbildung 14a ist grundsätzlich ganz ähnlich zu der in der Abbildung 7 ver wendeten. Die Darstellungen der Abbildungen 14b und 14c sind grundsätzlich ganz ähnlich zu denen in den Abbildungen 8a und 8b bzw. Abbildungen 8c und 8d verwendeten. Furthermore, Figure 14 shows half of a Vickers indentation before and after polishing in order to emphasize the contrast. Before polishing, that is, according to the prior art, clear cracks can be seen, as shown in FIG. 14b. Please refer to the table below for the length of the crack. In contrast, the ceramic according to the invention has no cracks in FIG. 14c. The representation in Figure 14a is basically very similar to that used in Figure 7. The representations in Figures 14b and 14c are basically very similar to those used in Figures 8a and 8b or Figures 8c and 8d.
Abbildung 15 zeigt eine Illustration zur Ermittlung der Länge von Rissen („Risslänge“), die bei einem Vickerseindruck in einer Keramik, wie einer erfindungsgemäßen Keramik, entstehen kön nen. Figure 15 shows an illustration for determining the length of cracks (“crack length”) that can arise with a Vickers impression in a ceramic, such as a ceramic according to the invention.
Die Risslänge wird demnach vorzugsweise (insbesondere auch ganz allgemein) dadurch ermit telt, indem in Verlängerung der Eindrucksdiagonalen horizontal gerade Linien H1 und H2 und vertikal gerade Linien V1 und V2 auf die am weitesten entfernte Risspitze gesetzt wird. Die Dis tanz D1 und D2 zwischen zwei gegenüberliegenden Linien wird als Risslänge ermittelt. Pro Ein druck ergeben sich damit zwei Werte für die Risslänge und die Risslänge ist der Mittelwert aus diesen beiden Werten. Vorzugsweise wird als jeweilige Risslänge ein Durchschnittswert über mehrere, beispielsweise 10, Eindrücke ermittelt. Mit anderen Worten, aus den mehreren, bei spielsweise 10, Werten für die Distanz D1 und den mehreren, beispielsweise 10, Werten für die Distanz D2 wird ein Durchschnittswert als eine einzige Risslänge berechnet. Diese Ermittlung der Risslänge ist besonders gut geeignet für Einkristalle und Polykristalle von Strontiumtitanat und/oder Einkristalle von Magnesiumoxid. Und zwar insbesondere jeweils für Keramiken gemäß dem Stand der Technik sowie erfindungsgemäß. The crack length is therefore preferably (in particular also in general) determined by placing horizontally straight lines H1 and H2 and vertically straight lines V1 and V2 on the most distant crack tip as an extension of the indentation diagonals. The distance D1 and D2 between two opposing lines is determined as the crack length. For each impression there are two values for the crack length and the crack length is the mean of these two values. An average value over several, for example 10, impressions is preferably determined as the respective crack length. In other words, from the multiple, for example 10, values for the distance D1 and the multiple, for example 10, values for the distance D2, an average value is calculated as a single crack length. This determination of the crack length is particularly suitable for single crystals and polycrystals of strontium titanate and / or single crystals of magnesium oxide. In particular, in each case for ceramics according to the prior art and according to the invention.
Beispiele Examples
Die Erfindung besteht aus zwei funktionellen Schritten. Erstens muss eine hohe Versetzungs quellendichte vor oder während des Belastungsfalles im entsprechenden Volumen Versetzun gen bereitstellen, sodass eine lokale Verformung möglich wird. Während der Herstellung kön nen Versetzungsquellen aktiviert werden, welche nur durch besondere Randbedingungen (wie z.B. extreme Drücke oder Temperatur) während der Herstellung nutzbar sind und danach wie der inaktiv werden (siehe Beispiel 5). Zweitens müssen die bereit gestellten Versetzungen zur gewünschten Eigenschaftsverbesserung (Erhöhung der Rissspitzenbruchzähigkeit und Duktili tät) führen. Eine hohe Versetzungsquellendichte kann auf viele verschiedene Weisen einge bracht und genutzt werden, wovon wir im Folgenden eine Möglichkeit beispielhaft darlegen. Be vorzugt werden die Versetzungsquellen erst im Belastungsfall aktiviert. Bevorzugt geschieht dies an der Rissspitze und deren Umgebung sowie an Korngrenzen und deren Umgebung.The invention consists of two functional steps. First, a high dislocation source density must provide displacements in the corresponding volume before or during the load case, so that local deformation becomes possible. During production, dislocation sources can be activated which can only be used due to special boundary conditions (e.g. extreme pressures or temperature) during production and then become inactive again (see example 5). Second, the dislocations provided must lead to the desired improvement in properties (increase in crack tip fracture toughness and ductility). A high density of dislocation sources can be introduced and used in many different ways, one of which we will exemplify in the following. The sources of displacement are preferably only activated when there is a load. This is preferably done at the crack tip and its surroundings as well as at grain boundaries and their surroundings.
Insbesondere wurde vorliegend erkannt, dass dies im inneren einer Keramik und damit fernab einer Oberfläche möglich ist. Im Folgenden werden Beispiele präsentiert. Dazu werden zunächst Beispiele gezeigt, bei de nen die Parameter der vorliegenden Erfindung zu den gewünschten Eigenschaftsverbesserun gen führen. Weiterhin wird gezeigt, dass die Einbringung von Versetzungsquellen im gesamten Volumen einer polykristallinen Keramik möglich ist. In particular, it was recognized in the present case that this is possible inside a ceramic and thus far away from a surface. Examples are presented below. For this purpose, examples are first shown in which the parameters of the present invention lead to the desired property improvements. It is also shown that the introduction of dislocation sources in the entire volume of a polycrystalline ceramic is possible.
Einkristall Single crystal
Für einen experimentellen Nachweis der Wichtigkeit und Effektivität der Versetzungsquellen dichte, bzw. der dadurch im relevanten Volumen zur Verfügung gestellten Versetzungsdichte, um die Eigenschaften gewünscht zu verbessern, wird ein Einkristall aus SrTiCh der Perovskit- kri stall Struktur verwendet. SrTiCh (Strontiumtitanat) gehört zu den Materialien, welche, wie erfin dungsgemäß beschrieben, über die Grundvoraussetzung von Versetzungsmobilität bei Raum temperatur verfügen. Um zu gewährleisten, dass die präsentierten Ergebnisse allein auf den beanspruchten Parametern basieren und keine weiteren Parameter gleichzeig verändert wer den, wird zunächst ein Einkristall gewählt. For an experimental proof of the importance and effectiveness of the dislocation source density or the dislocation density made available in the relevant volume in order to improve the properties, a single crystal made of SrTiCh of the perovskite crystal structure is used. SrTiCh (strontium titanate) is one of the materials which, as described in accordance with the invention, have the basic requirement of dislocation mobility at room temperature. In order to ensure that the results presented are based solely on the claimed parameters and that no other parameters are changed at the same time, a single crystal is selected first.
Bei Kontakt einer sehr kleinen Spitze mit einer keramischen Oberfläche werden lokal extrem hohe Spannungen von oftmals mehr als 15 GPa erzeugt. Diese Spannungen reichen für homo gene Versetzungsnukleation aus. Homogene Nukleation unterhalb eines spitzen Kontaktpunk tes ist zwar die ineffizienteste Versetzungsquelle und auf die Oberfläche beschränkt, jedoch ist diese Versetzungsquelle zu Demonstrationszwecken besonders geeignet, da auch chemische Veränderung ausgeschlossen wird und dadurch perfekte Vergleichbarkeit gewährleistet wird. Wird die Versetzungsquelle über die Oberfläche bewegt, nukleiert sie an jedem Kontaktpunkt neue Versetzungen. Sehr effizient ist dies z.B. mit SiC Sandpapier machbar. Dadurch wird eine Versetzungsdichte von ca. 1011 cm-2 eingebracht, welches einer näherungsweise einer Verset zungsquellendichte von 1013 cm-3 und damit in diesem Fall näherungsweise 10 Kontaktpunkten pro mht2 zuzuordnen ist. Die Versetzungsdichte im Kristall, welcher mittels des Verneuil Verfah ren hergestellt wurde, beträgt typischerweise 105 cm-2. In der Referenzprobe werden ca. 50 pm von der Oberfläche durch zunehmend sanfteres Polieren entfernt. Dies kann z.B. mit einer Poli tur in vier Schritten von jeweils 40 Minuten bei 150 rpm mit Diamantpaste von jeweils 6 pm, 3 pm, 1 pm und % pm erreicht werden. Abschließend wird ein sehr sanfter Polierschritt mit OPS Lösung in einer Vibrationspoliermaschine über Nacht durchgeführt. When a very small tip comes into contact with a ceramic surface, extremely high tensions of often more than 15 GPa are generated locally. These tensions are sufficient for homogeneous dislocation nucleation. Homogeneous nucleation below a pointed contact point is indeed the most inefficient source of dislocation and is limited to the surface, but this dislocation source is particularly suitable for demonstration purposes, as chemical changes are also excluded and thus perfect comparability is guaranteed. If the dislocation source is moved over the surface, it nucleates new dislocations at each contact point. This can be done very efficiently with SiC sandpaper, for example. This introduces a dislocation density of approx. 10 11 cm -2 , which can be assigned to an approximately displacement source density of 10 13 cm -3 and thus approximately 10 contact points per mht 2 in this case. The dislocation density in the crystal, which was produced by means of the Verneuil method, is typically 10 5 cm -2 . In the reference sample, approx. 50 μm are removed from the surface by increasingly gentle polishing. This can be achieved, for example, with a polishing in four steps of 40 minutes each at 150 rpm with diamond paste of 6 pm, 3 pm, 1 pm and% pm each. Finally, a very gentle polishing step with OPS solution is carried out in a vibration polishing machine overnight.
Auf der Kehrseite können die an der Oberfläche mit SiC Papier eingebrachten Versetzungen in ihrer durch die Versetzungsquellendichte besonders hohen Dichte erhalten bleiben, wenn die Polierschritte statt 40 Minuten nur 30 Sekunden durchgeführt werden und der Vibrationspolier- schritt auf eine Stunde beschränkt wird. Die Polierqualität und Rauigkeit der beiden Polierproze duren sind nahezu identisch, abgesehen von gelegentlichen Kratzern, die leicht umgangen wer den können. On the other hand, the dislocations introduced on the surface with SiC paper can be retained in their particularly high density due to the dislocation source density if the polishing steps are carried out for only 30 seconds instead of 40 minutes and the vibration polishing step is limited to one hour. The polishing quality and roughness of the two polishing processes are almost identical, apart from the occasional scratches that can easily be avoided.
Die benötigte Verformbarkeit an jeder beliebigen Stelle wurde durch die Behandlung ermöglicht. In Abbildung 4 wurde dargestellt, dass nach Stand der Technik eine Verformung erst bei über 10 GPa Spannung beobachtet wird. Die behandelte Oberfläche war die Schwellenspannung für plastische Verformung bei allen Indentationen deutlich unter 1 GPa und sogar so niedrig, dass sie mit Nanoindentierung nicht mehr zuverlässig quantifiziert werden konnte (mit Nummer 3 ge kennzeichneter grauer Bereich in Abb. 4). Die Abweichung vom elastischen Verhalten zeigt je doch, dass plastisches Verhalten vorliegt. Für alle durchgeführten Nanoindentationen war eine Abweichung der Belastungskurve vom elastischen Verhalten von Beginn an zu erkennen, wodurch alle Werte nahe null auf der X-Achse in Abbildung 4 angesiedelt sind und damit in den Nummer 3 gekennzeichneten Wert in Abbildung 4 fallen. The required deformability at any point was made possible by the treatment. In Figure 4 it was shown that, according to the state of the art, deformation is only observed above 10 GPa stress. On the treated surface, the threshold voltage for plastic deformation for all indentations was well below 1 GPa and even so low that it could no longer be reliably quantified with nanoindentation (gray area marked with number 3 in Fig. 4). However, the deviation from the elastic behavior shows that the behavior is plastic. For all the nanoindentations carried out, a deviation of the load curve from the elastic behavior could be seen from the beginning, whereby all values are located close to zero on the X-axis in Figure 4 and therefore fall into the number 3 marked value in Figure 4.
In Abbildung 6 wird gezeigt, dass eine deutliche Verkürzung der Risse durch die Behandlung erreicht wird. An diesen Rissen wurde die Rissspitzenbruchzähigkeit mit Hilfe des Rissöffnungs profils ermittelt, welche in Abbildung 7 präsentiert ist. Eine zuvor für unmöglich geglaubte Stei gerung um den Faktor fünf von 0,6 MPam/ auf 2,9 MPam/ ist sichtbar. Figure 6 shows that the treatment significantly shortens the cracks. The crack tip fracture toughness was determined on these cracks with the aid of the crack opening profile, which is presented in Figure 7. An increase by a factor of five from 0.6 MPam / to 2.9 MPam / , which was previously believed to be impossible, is visible.
Polykristalline Keramik Polycrystalline ceramics
Selbige Oberflächenbehandlung wurde auch an zwei polykristallinen SrTi03 Keramiken der Perovskitkristallstruktur mit einer Korngröße von ca. 2 pm und ca. 9 pm durchgeführt. In Abbil dung 8 sind beispielhafte Vickerseindrücke am Einkristall gezeigt wobei Abbildung 9 beispiel hafte Vickerseindrücke für den Polykristall zeigt. Der Einfluss auf die Risslänge und Entstehung ist direkt vergleichbar. The same surface treatment was also carried out on two polycrystalline SrTi0 3 ceramics of the perovskite crystal structure with a grain size of approx. 2 pm and approx. 9 pm. Figure 8 shows exemplary Vickers impressions on the single crystal, whereas Figure 9 shows exemplary Vickers impressions for the polycrystal. The influence on the length of the crack and its origin is directly comparable.
Im Folgenden werden weitere Eckpunkte demonstriert. Further key points are demonstrated below.
1) Versetzungen oder Versetzungsquellen sind in Keramiken nach dem Sintern nahezu nicht vorhanden. In Keramiken, welche nach dem Stand der Technik hergestellt werden, ist demnach keine Plastische Zone möglich (siehe Abbildung 1). 1) Dislocations or sources of dislocation are almost non-existent in ceramics after sintering. A plastic zone is therefore not possible in ceramics that are manufactured according to the state of the art (see Figure 1).
Hierzu wurde eine polykristalline Keramik aus 99,99% reinem SrTi03 hergestellt. Sie wurde zur Verdichtung bei 1425°C für eine Stunde und anschließend bei 1350°C für 15 Stunden in Sauer stoffatmosphäre gesintert. Diese Keramik wurde mittels Ultra High Voltage Electron Microscopy in einem Transmissionselektronenmikroskop auf Versetzungen untersucht. In ca. 130 unter suchten Körnern wurden insgesamt nur drei Versetzungen gefunden. Beispielhafte Aufnahmen sind in Abbildung 1 gezeigt. For this purpose, a polycrystalline ceramic was made from 99.99% pure SrTi0 3 . It was sintered for compression at 1425 ° C for one hour and then at 1350 ° C for 15 hours in an oxygen atmosphere. This ceramic was obtained using Ultra High Voltage Electron Microscopy examined for dislocations in a transmission electron microscope. Only three dislocations were found in approx. 130 examined grains. Exemplary recordings are shown in Figure 1.
2) Es existiert eine Vielzahl von Versetzungsnukleations- und Versetzungsmultiplikations mechanismen, welche relevant für Keramiken sind, jedoch im Hinblick auf Keramiken bislang nicht bekannt waren. Das Wissen stammt oftmals aus einer Zeit, in welcher tech nische Keramiken noch nicht im größeren Maßstab industriell eingesetzt wurden. Tech nische Keramiken bedienen sich aktuell anderer Verzähungsmechanismen, wodurch die Wissensgebiete nicht in Zusammenhang gebracht werden. Der Handlungsspielraum ist daher bedeutend größer als er von einem Keramikfachmann bewertet werden würde. 2) There are a large number of dislocation nucleation and dislocation multiplication mechanisms which are relevant for ceramics, but were not previously known with regard to ceramics. The knowledge often comes from a time when technical ceramics were not yet used industrially on a larger scale. Technical ceramics currently use different interlocking mechanisms, which means that the fields of knowledge are not linked. The room for maneuver is therefore significantly greater than would be assessed by a ceramic expert.
3) Die Multiplikation von Versetzungen wurde in einem zuvor vollständig versetzungsfreien Volumen nachgewiesen. Dies zeigt, dass die Nukleation, also die Versetzungsquellendichte ein zentraler Parameter ist, denn die Voraussetzungen der Mobilität und der Multiplikation sind ohne weiteres zu beobachten. Gleichzeitig stellt sich eine gewisse maximale Versetzungsdichte ein, welche nur durch Multiplikation nicht zu überkommen ist. Dazu wurden Aufnahmen mittels synchrotronbasierter Röntgen- Dunkelfeld Mikroskopie gemacht (siehe Abbildung 10). Zusätzlich wurden die durch die Multiplikation erzeugten Versetzungen mit Ätzgrübchen visualisiert, wobei eine konstant hohe, aber nicht ausreichende Versetzungsdichte erkennbar ist (siehe Abbildung 2).3) The multiplication of dislocations was demonstrated in a previously completely dislocation-free volume. This shows that the nucleation, i.e. the dislocation source density, is a central parameter, because the prerequisites for mobility and multiplication can easily be observed. At the same time, there is a certain maximum dislocation density, which cannot be overcome only by multiplication. For this purpose, recordings were made using synchrotron-based X-ray dark field microscopy (see Figure 10). In addition, the dislocations generated by the multiplication were visualized with etching pits, whereby a constantly high but insufficient dislocation density can be seen (see Figure 2).
4) In Titandioxid konnte nachgeweisen werden, dass mikroskopische Ausscheidungen beliebig tief im Inneren des Materials Versetzungen in ihrer Umgebung erzeugen können (siehe Abbildung 11). In der Vergangenheit wurden solche „Verunreinigungen“ möglichst vermieden. Wir schlagen vor, dass diese bewusst in einer Größe von 10-2000 nm als eine erfindungsgemäße Versetzungsquellendichte genutzt werden. Dies kann durch Beimischung von Fremdphasen geschehen. 4) In titanium dioxide it has been proven that microscopic precipitates can create dislocations in their surroundings at any depth inside the material (see Figure 11). In the past, such “impurities” were avoided as much as possible. We propose that these are deliberately used in a size of 10-2000 nm as a dislocation source density according to the invention. This can be done by adding foreign phases.
5) Verformung von Keramiken nach Stand der Technik und damit die Erhöhung der Verset zungsdichte bei Raumtemperatur ist, basierend auf dem hier präsentierten Wissen, aus drei Gründen nicht möglich: A) Dem Taylorkriterium, B) der fehlenden Mobilität der Ver setzungen einiger Gleitsysteme bei Raumtemperatur (fünf mobile Gleitsysteme sind not wendig um das Taylor Kriterium zu erfüllen), und C) der Abwesenheit von Versetzungs quellen. Durch drastische Erhöhung der Temperatur auf z.B. 1150 °C werden diese drei Probleme gleichzeitig gelöst, jedoch nur bis die Temperatur wieder abfällt. Der Tempera turbereich ermöglicht in SrTi03 die Versetzungsbewegung auf Gleitsystemen, welche bei Raumtemperatur nicht mobil sind. Damit wird das Taylorkriterium überkommen und somit der Bereich, in welchem Verformung ermöglicht wird, erweitert. Gleichzeitig kön nen durch die thermische Aktivierung an den Korngrenzen Versetzungen entstehen. Die Nukleation ist an vielen Stellen der Korngrenze möglich und somit erlaubt die Tempera tur eine extrem hohe Dichte von temporären Versetzungsquellen und damit das Errei chen einer Versetzungsdichte, welche nicht durch die Multiplikation limitiert ist. Nach dem Abkühlen können die Korngrenzen nicht mehr als Versetzungsquellen fungieren, jedoch haben sie bereits eine hohe Versetzungsdichte erzeugt. 5) Deformation of ceramics according to the state of the art and thus increasing the dislocation density at room temperature is, based on the knowledge presented here, not possible for three reasons: A) the Taylor criterion, B) the lack of mobility of the dislocations of some sliding systems at room temperature (five mobile sliding systems are necessary to meet the Taylor criterion), and C) the absence of dislocation sources. By drastically increasing the temperature to, for example, 1150 ° C, these three problems are solved at the same time, but only until the temperature drops again. The temperature range in SrTi0 3 enables the dislocation movement on sliding systems, which are not mobile at room temperature. This overcomes the Taylor criterion and thus the area in which deformation is enabled is expanded. At the same time, thermal activation can cause dislocations at the grain boundaries. Nucleation is possible at many points on the grain boundary and thus the temperature allows an extremely high density of temporary dislocation sources and thus the achievement of a dislocation density which is not limited by the multiplication. After cooling, the grain boundaries can no longer function as dislocation sources, but they have already created a high dislocation density.
Durch plastische Verformung bei 1150°C und einer Spannung von 20 MPa wurde in die oben genannte Keramik eine hohe Versetzungsdichte eingebracht. Lokale Versetzungsdichten von ca. 5*1010 cm-2 konnten in der verformten Keramik nachgewiesen werden indem die Anzahl der Versetzungen in einer bestimmten beobachteten Fläche gezählt wurde. Dieser Wert liegt im er findungsgemäßen Bereich. Insbesondere war dies 2 mm von der Oberfläche eines Polykristalls entfernt möglich und damit im Inneren eines Polykristalls umsetzbar. Beispielhafte Transmissi onselektronenmikroskopiebilder sind in Abbildung 12 gezeigt. A high dislocation density was introduced into the above-mentioned ceramic by plastic deformation at 1150 ° C. and a stress of 20 MPa. Local dislocation densities of approx. 5 * 10 10 cm -2 could be detected in the deformed ceramic by counting the number of dislocations in a certain observed area. This value is in the range according to the invention. In particular, this was possible 2 mm from the surface of a polycrystal and thus implemented inside a polycrystal. Exemplary transmission electron microscopy images are shown in Figure 12.
Risslänge Crack length
Die nachfolgende Tabelle zeigt durchschnittliche Risslängen, ermittelt aus 10 Eindrücken, in Mikrometer (pm) für Keramiken gemäß dem Stand der Technik.
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The following table shows average crack lengths, determined from 10 impressions, in micrometers (pm) for ceramics according to the prior art.
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Die nachfolgende Tabelle zeigt durchschnittliche Risslängen, ermittelt aus 10 Eindrücken, in Mikrometer (pm) für Keramiken gemäß der Erfindung.
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The following table shows average crack lengths, determined from 10 impressions, in micrometers (pm) for ceramics according to the invention.
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Figure imgf000034_0001
Es besteht optional die Möglichkeit, die Abgrenzung entweder über Risslängen zu machen oder über eine Schwellast, bei welcher nennenswerte Rissbildung auftritt. There is optionally the possibility of making the delimitation either via crack lengths or via a threshold load at which noticeable crack formation occurs.
Vorzugsweise wird bei geringen Lasten, insbesondere von weniger als 25 g und/oder wenn keine oder kaum Rußbildung auftritt, die Risslänge folgendermaßen bestimmt. Ist in einer dia gonalen Richtung, z.B. in der Richtung welche durch V1 begrenzt wird, kein Riss zu erkennen, wird die in Abbildung 15 demonstrierte Linie V1 in den Mittelpunkt des Eindrucks gelegt. Ist in der gegenüberliegenden Richtung ein Riss erkennbar und wird durch V2 markiert, wird entspre chend die Distanz D2 vom Mittelpunkt des Eindrucks zu V2 gemessen. Sind sowohl in Richtung V1 und V2 keine Risse erkennbar, beträgt die Distanz D2 den Wert null. Diese Vorgehensweise gilt Analog für D1, welche durch H1 und H2 begrenzt wird. In the case of low loads, in particular of less than 25 g and / or when no or hardly any soot formation occurs, the crack length is preferably determined as follows. If no crack can be seen in a diagonal direction, e.g. in the direction bounded by V1, the line V1 demonstrated in Figure 15 is placed in the center of the impression. If a crack can be seen in the opposite direction and is marked by V2, the distance D2 from the center of the indentation to V2 is measured accordingly. If no cracks can be seen in both directions V1 and V2, the distance D2 is zero. This procedure applies analogously to D1, which is limited by H1 and H2.
Insbesondere, wenn es nur wenige oder gar keine Risse gibt kann die durchschnittliche Riss länge ermittelt durch das oben in Bezug auf Abbildung 15 beschriebene Verfahren kleiner als die Diagonale des Eindrucks sein. In der vorigen Tabelle wird dies mit dem Ausdruck „Keine o- der nur vereinzelte Risse“ gekennzeichnet. In particular, if there are few or no cracks at all, the average crack length determined by the method described above with reference to Figure 15 can be smaller than the diagonal of the indentation. In the previous table, this is indicated by the expression “No or only a few cracks”.
Bezuqszeichenliste Reference list
1 Versetzung im Dunkelfeldkontrast eines Transmissionselektronenmikroskops1 Dislocation in the dark field contrast of a transmission electron microscope
2 Übergang von elastischem zu plastischem Verhalten (englisch: „pop-in“)2 Transition from elastic to plastic behavior (English: "pop-in")
3 Erfindungsgemäßer Wertebereich für die Wahrscheinlichkeit des „pop-in“3 Value range according to the invention for the probability of the "pop-in"
4 Rissspitze 4 crack tip
5 Rissöffnung 5 crack opening
6 Kontur eines Vickerseindrucks 6 Contour of a Vickers impression
7 [110] Kristallrichtung 7 [110] crystal direction
8 Artefakte 8 artifacts
9 Versetzungen 9 dislocations
10 Versetzungsband 10 dislocation band
11 Quergleiten 11 Cross slide
12 Partikel 12 particles
13 Durch Versetzungen erzeugte Ätzgrübchen D1 Distanz 13 Etch pits created by dislocations D1 distance
D2 Distanz H1 Horizontale Linie H2 Horizontale Linie V1 Vertikale Linie D2 Distance H1 Horizontal line H2 Horizontal line V1 Vertical line
V2 Vertikale Linie V2 vertical line

Claims

Ansprüche Expectations
1. Polykristalline Keramik, a) wobei die Keramik bei Nanoindentation mit einem Spitzenradius von 50-200 nm an min destens 30 von 50 Eindrücken mit einem Mindestabstand zueinander von 20 pm bei ei ner Maximallast von 5 mN unterhalb von 1,5 GPa nicht elastisches Verhalten aufweist und/oder die Keramik bei höchstens 20 von 50 Eindrücken einen Übergang von elasti schem zu plastischen Verhalten (englisch: „pop-in“) oberhalb von 1 GPa aufweist, und b) wobei die Keramik eine Rissspitzenbruchzähigkeit von mindestens 2 MPa m1/2 aufweist. 1. Polycrystalline ceramic, a) where the ceramic with nanoindentation with a tip radius of 50-200 nm at least 30 out of 50 impressions with a minimum distance from each other of 20 pm at a maximum load of 5 mN below 1.5 GPa non-elastic behavior and / or the ceramic shows a transition from elastic to plastic behavior (English: "pop-in") above 1 GPa with a maximum of 20 out of 50 impressions, and b) where the ceramic has a crack tip fracture toughness of at least 2 MPa m 1 / 2 has.
2. Polykristalline Keramik nach Anspruch 1 , wobei die Keramik eine Duktilität von mehr als 0.5% aufweist. 2. Polycrystalline ceramic according to claim 1, wherein the ceramic has a ductility of more than 0.5%.
3. Polykristalline Keramik nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keramik eine Thermoschockbeständigkeit in einem Bereich von 600°C bis 1600°C auf weist. 3. Polycrystalline ceramic according to at least one of the preceding claims, wherein the ceramic has a thermal shock resistance in a range from 600 ° C to 1600 ° C.
4. Polykristalline Keramik nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keramiken ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Perovskiten, Diboriden von Übergangsmetallen, Keramiken mit Natriumchloridkristallstruktur, Keramiken mit Zinkblen dekristallstruktur und Keramiken mit Wurtzitkristallstruktur sowie vorzugsweise Keramiken mit Calciumfluoridkristalltruktur. 4. Polycrystalline ceramic according to at least one of the preceding claims, wherein the ceramics are selected from the group consisting of perovskites, diborides of transition metals, ceramics with sodium chloride crystal structure, ceramics with zinc blen decrystal structure and ceramics with wurtzite crystal structure and preferably ceramics with calcium fluoride crystal structure.
5. Polykristalline Keramik, insbesondere nach Anspruch 4, wobei die Keramik Zrß2 oder HfB2 aufweist und/oder die Keramiken der Perovskiten BaTiOs, SrTiOs und/oder KNbOs aufwei sen, die Keramiken mit Natriumchloridkristallstruktur NaCI, LiF und/oder MgO aufweisen, die Keramiken mit Zinkblendekristallstruktur ZnS aufweisen, die Keramiken mit Wurtzitkris tallstruktur ZnO aufweisen und/oder die Keramiken mit Calciumfluoridkristalltruktur CaF2 aufweisen. 5. Polycrystalline ceramic, in particular according to claim 4, wherein the ceramic has Zrß2 or HfB2 and / or the ceramics of the perovskites BaTiOs, SrTiOs and / or KNbOs aufwei sen, the ceramics with sodium chloride crystal structure NaCl, LiF and / or MgO, the ceramics with Have zinc blende crystal structure ZnS, the ceramics with Wurtzitkris tall structure ZnO and / or the ceramics with calcium fluoride crystal structure have CaF2.
6. Polykristalline Keramik nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keramik mindestens 1*109 Versetzungsquellen pro cm3 und/oder mindestens eine Verset zungsquelle pro Korn aufweist. 6. Polycrystalline ceramic according to at least one of the preceding claims, wherein the ceramic has at least 1 * 10 9 dislocation sources per cm 3 and / or at least one Verset tion source per grain.
7. Polykristalline Keramik nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Versetzungsquellen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus, Leerstellenclustern, Gleitringen, Korngrenzquellen, kinematische Quellen, und Kombinationen aus zwei oder mehr davon. 7. Polycrystalline ceramic according to at least one of the preceding claims, wherein the dislocation sources are selected from the group consisting of, vacancy clusters, Slip rings, grain boundary sources, kinematic sources, and combinations of two or more thereof.
8. Polykristalline Keramik nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Korngröße in einem Bereich von 100 nm bis 250 pm. 8. Polycrystalline ceramic according to at least one of the preceding claims with a grain size in a range from 100 nm to 250 μm.
9. Polykristalline Keramik nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Rissspitzenbruchzähigkeit in einem Bereich von 2 MPa m1/2 bis 40 MPa m1/2. 9. Polycrystalline ceramic according to at least one of the preceding claims with a crack tip fracture toughness in a range from 2 MPa m 1/2 to 40 MPa m 1/2 .
10. Polykristalline Keramik nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keramik bei einem Vickerseindruck auf einer Oberfläche der Keramik eine Rissbildung, ins besondere durchschnittlich, von weniger als 4 Rissen, vorzugsweise von weniger als 3 Ris sen, vorzugsweise von weniger als 2 Rissen, vorzugsweise von weniger als 1,5 Rissen, pro Vickerseindruck zeigt, wobei vorzugsweise die aufgebrachte Last größer oder gleich 10 g, vorzugsweise größer oder gleich 15 g, vorzugsweise größer oder gleich 25 g, vorzugs weise größer oder gleich 50 g, vorzugsweise größer oder gleich 100 g, vorzugsweise grö ßer oder gleich 150 g, und/oder weniger oder gleich 170 g, vorzugsweise weniger oder gleich 150 g, vorzugsweise weniger oder gleich 100 g, vorzugsweise weniger oder gleich 80 g, vorzugsweise weniger oder gleich 60 g, vorzugsweise weniger oder gleich 40 g, vor zugsweise weniger oder gleich 30 g, vorzugsweise weniger oder gleich 30 g, vorzugsweise weniger oder gleich 20 g, vorzugsweise weniger oder gleich 15 g, vorzugsweise weniger oder gleich 10 g, beträgt. 10. Polycrystalline ceramic according to at least one of the preceding claims, wherein the ceramic in a Vickers impression on a surface of the ceramic crack formation, in particular on average, of less than 4 cracks, preferably less than 3 cracks, preferably less than 2 cracks, preferably of less than 1.5 cracks per Vickers impression, the applied load preferably being greater than or equal to 10 g, preferably greater than or equal to 15 g, preferably greater than or equal to 25 g, preferably greater than or equal to 50 g, preferably greater than or equal to 100 g, preferably greater than or equal to 150 g, and / or less or equal to 170 g, preferably less or equal to 150 g, preferably less or equal to 100 g, preferably less or equal to 80 g, preferably less or equal to 60 g, preferably less or equal to 40 g, preferably less than or equal to 30 g, preferably less or equal to 30 g, preferably less than or equal to 20 g, vorzugswe ise is less than or equal to 15 g, preferably less than or equal to 10 g.
11. Polykristalline Keramik nach Anspruch 10, wobei die Keramik bei einem Vickerseindruck auf einer Oberfläche der Keramik eine Rissbildung von weniger als 4 Rissen, vorzugsweise von weniger als 3 Rissen, vorzugsweise von weniger als 2 Rissen, vorzugsweise von weni ger als 1 ,5 Rissen, pro Vickerseindruck bei einer Last von 25 g zeigt. 11. Polycrystalline ceramic according to claim 10, wherein the ceramic has a Vickers impression on a surface of the ceramic crack formation of less than 4 cracks, preferably of less than 3 cracks, preferably of less than 2 cracks, preferably of less than 1, 5 cracks , per Vickers impression at a load of 25 g.
12. Polykristalline Keramik nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Risslänge der Risse bei 25 g Last zwischen 5 pm und 14 pm, vorzugsweise zwischen 5 pm und 12 pm, insbesondere zwischen 6 pm und 10 pm, beträgt. 12. Polycrystalline ceramic according to at least one of the preceding claims, the crack length of the cracks at 25 g load between 5 pm and 14 pm, preferably between 5 pm and 12 pm, in particular between 6 pm and 10 pm.
13. Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen Keramik nach mindestens einem der vor hergehenden Ansprüche, umfassend mindestens einen der folgenden Schritte: 13. A method for producing a polycrystalline ceramic according to at least one of the preceding claims, comprising at least one of the following steps:
Versetzungskriechen bei hoher Temperatur, insbesondere zwischen 50% und 90% der Schmelztemperatur in Kelvin bei mechanischen Belastungen, die innerhalb einer Zeit von weniger als 10 Tagen zu einer plastischen Verformung von mehr als 0,5 % führen, Plastische Verformung bei hoher Temperatur, insbesondere bevorzugt zwischen 25% und 99% der Schmelztemperatur in Kelvin, bevorzugt von 35% bis 90%, bei mechani schen Belastungen, die mindestens die Streckgrenze der Keramik bei der Temperatur beträgt, mit einer plastischen Verformung zwischen 0,5% und 80%, bevorzugt zwischen 0,5% und 25%, bevorzugt zwischen 0,5% und 20%, Dislocation creep at high temperature, in particular between 50% and 90% of the melting temperature in Kelvin in the case of mechanical loads that lead to plastic deformation of more than 0.5% within a time of less than 10 days, Plastic deformation at high temperature, particularly preferably between 25% and 99% of the melting temperature in Kelvin, preferably from 35% to 90%, with mechanical loads that are at least the yield point of the ceramic at the temperature, with a plastic deformation between 0, 5% and 80%, preferably between 0.5% and 25%, preferably between 0.5% and 20%,
Reduktion und dadurch Kondensation von Sauerstoffleerstellen und Bildung von Verset zungsschleifen Reduction and thereby condensation of oxygen vacancies and formation of dislocation loops
Bestrahlung und Bildung von Strahlungsschäden wie z.B. Leerstellen, Leerstellencluster oder Atomen auf Zwischengitterplätzen, Irradiation and formation of radiation damage such as vacancies, vacancy clusters or atoms on interstitial spaces,
Einbringen von Mikroausscheidungen, Introduction of micro-excretions,
- Anwendung elektrischer Felder z.B. bei der Sintertemperatur, insbesondere unter Auftre ten hoher Ströme wie z.B. bevorzugt mindestens 0.1 Acnr2 und höchstens durchschnitt lich 2 MAcnr2, - Use of electric fields, e.g. at the sintering temperature, especially when high currents occur, e.g. preferably at least 0.1 Acnr 2 and at most on average 2 MAcnr 2 ,
- Aerosolabscheidung, - aerosol separation,
Das Gießen aus der flüssigen Phase, Pouring from the liquid phase,
Bestrahlung im Raster mit femtosekunden Laserpulsen mit einem Fokuspunkt im Materi alvolumen. Irradiation in the grid with femtosecond laser pulses with a focus point in the material volume.
Temperaturzyklen mit einer Abkühlrate von mehr als 25 Kelvin pro Minute. Temperature cycles with a cooling rate of more than 25 Kelvin per minute.
14. Verfahren nach Anspruch 13, umfassend mindestens einen der folgenden Schritte: 14. The method according to claim 13, comprising at least one of the following steps:
Versetzungskriechen bei hoher Temperatur, Dislocation creep at high temperature,
Plastische Verformung bei hoher Temperatur. Plastic deformation at high temperature.
15. Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen Keramik nach mindestens einem der An sprüche 1 bis 12, umfassend mindestens einen der Schritte von Anspruch 13 oder 14 und/oder mindestens einen der folgenden Schritte: 15. A method for producing a polycrystalline ceramic according to at least one of claims 1 to 12, comprising at least one of the steps of claim 13 or 14 and / or at least one of the following steps:
Bereitstellen eines keramischen Grünkörpers, insbesondere Herstellen des Grünkörpers aus keramischem Pulver, vorzugsweise aufweisend undotiertes SrTi03, durch Pressen und/oder mit Hilfe von Bindern und, vorzugsweise kaltisostatischem, Verdichten des Pulvers, Kontaktieren des Grünkörpers mit Elektroden, mittels derer ein elektrisches Feld innerhalb des Grünkörpers aufgebracht, insbesondere ausgebildet, werden kann,Providing a ceramic green body, in particular producing the green body from ceramic powder, preferably comprising undoped SrTi0 3 , by pressing and / or with the aid of binders and, preferably cold isostatic, compression of the powder, Contacting the green body with electrodes by means of which an electric field can be applied, in particular formed, within the green body,
- Ausbilden des elektrischen Feldes mittels der Elektroden innerhalb des Grünkörpers, vorzugsweise (i) bei einer Umgebungstemperatur des Grünkörpers von zwischen 500 °C und 1500 °C, insbesondere von zwischen 900 °C und 1300 °C, insbesondere von etwa 1100 °C, und/oder (ii) für zwischen 1 Sekunde und 15 Minuten, vorzugsweise zwischen 10 Sekunden und 10 Minuten, vorzugsweise zwischen 10 Sekunden und 5 Minuten, insbesondere etwa 2 Minuten, wobei vorzugsweise infolge des elektrischen Feldes zumindest zeitweise ein elektrischer Strom zwischen den Elektroden durch den Grünkörper fließt und der Grünkörper dadurch zumindest bereichsweise erhitzt wird. - Formation of the electric field by means of the electrodes within the green body, preferably (i) at an ambient temperature of the green body of between 500 ° C and 1500 ° C, in particular between 900 ° C and 1300 ° C, in particular around 1100 ° C, and / or (ii) for between 1 second and 15 minutes, preferably between 10 seconds and 10 minutes, preferably between 10 seconds and 5 minutes, in particular about 2 minutes, with an electric current between the electrodes through the at least intermittent due to the electric field The green body flows and the green body is thereby heated at least in some areas.
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