DE19725948A1 - Production of joint between e.g. ceramic or powdered metal green product - Google Patents
Production of joint between e.g. ceramic or powdered metal green productInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen keramischen oder pulvermetallurgischen Grünkörpern, so daß diese nach dem Sintern fest miteinander verbunden sind. Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Laminieren von keramischen Grünfolien zur Herstellung von Funktions- und Ingenieurkeramiken wie z. B. Gehäuse, Kondensatoren, Aktoren, Sensoren, HT-Brennstoffzellen, Wärmetauscher u. a.The invention relates to a method for producing a material connection between ceramic or powder metallurgical green bodies, so that these after sintering are firmly connected. The method is particularly suitable for laminating ceramic green foils for the production of functional and engineering ceramics such as B. Housing, capacitors, actuators, sensors, HT fuel cells, heat exchangers u. a.
Grundlage der keramischen Laminiertechnik sind keramische Grünfolien, die durch das Foliengießen hergestellt werden. Die Grünfolien sind bis zu bis zu 2 mm stark und bestehen aus Keramikpulver, das in eine Polymermatrix, häufig auf Basis von Polyvinylbutyral (PVB), eingebettet ist. Zugefügte Weichmacher geben der Folie eine gewisse Flexibilität. Vor dem Laminieren können die einzelnen Lagen der zu laminierenden Grünfolien je nach Anwendung strukturiert werden, d. h. mit Durchführungen oder anderen Aussparungen bzw. Strukturen versehen werden und mit Metallpasten bedruckt werden. Diese Schichten werden dann unter Drücken zwischen 15 MPa /86 Boc/ und 100 MPa /95 Tuf/ bei Temperaturen zwischen 60°C /86 Boc/ und ca. 110°C /97 Cha/ verpreßt. Die erhöhte Temperatur ist zur Erweichung des Binders (Polymers) nötig. Druck und Temperatur sind voneinander abhängig. Eine niedrige Temperatur erfordert einen höheren Druck; umgekehrt gilt das gleiche. Nach Hellebrand /96 Hel/ ist für einen guten, fehlerfreien Verbund wichtig, daß sich beim Laminieren die Pulverteilchen in den sich berührenden Grünfolienoberflächen reorientieren, so daß es zu einer Verzahnung der Pulverpartikel kommt. Die Triebkraft für die Umlagerung der Pulverkörner ist der von außen angelegte Druck in Verbindung mit der Erweichung des Polymers. Um eine Reorientierung zu ermöglichen, sind einige Anforderungen an die Grünfolie zu stellen: die relativen Volumina der Poren, des Pulvers und des Binders müssen nach /96 Hel/ in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen.The basis of the ceramic laminating technology are ceramic green foils, which through the Foil casting can be made. The green foils are up to 2 mm thick and consist of Ceramic powder, which is in a polymer matrix, often based on polyvinyl butyral (PVB), is embedded. Added plasticizers give the film a certain flexibility. Before the The individual layers of the green foils to be laminated can be laminated depending on the application be structured, d. H. with bushings or other recesses or structures be provided and printed with metal pastes. These layers are then under Pressures between 15 MPa / 86 Boc / and 100 MPa / 95 Tuf / at temperatures between 60 ° C / 86 Boc / and approx. 110 ° C / 97 Cha / pressed. The elevated temperature is to soften the Binder (polymers) necessary. Pressure and temperature are interdependent. A low one Temperature requires higher pressure; vice versa, the same applies. After Hellebrand / 96 Hel / is important for a good, flawless bond that the Reorient powder particles in the touching green film surfaces so that it becomes a Interlocking of the powder particles comes. The driving force for the rearrangement of the powder grains is the external pressure associated with the softening of the polymer. To one To enable reorientation, there are some requirements for the green film: the relative volumes of the pores, the powder and the binder must be according to / 96 Hel / in one certain relationship to each other.
Das Laminieren unter Druck und Temperatur wird Thermokompression genannt. Diese Technik hat einige entscheidende Nachteile. Der Prozeß ist zeitaufwendig und kostenintensiv, da der Druck je nach Anzahl der Lagen für einige Zeit bei erhöhter Temperatur zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts innerhalb der zu laminierenden Folien gehalten werden muß. Damit ist von vornherein ein kontinuierlicher Prozeß ausgeschlossen. Erhöhter Druck und Temperatur der Thermokompression führen zu Verformungen der ursprünglichen Geometrie. Deshalb muß zur Vermeidung der Verformung des Laminats in Länge, Breite und Dicke Formwerkzeuge eingesetzt werden.Laminating under pressure and temperature is called thermocompression. This Technology has some key disadvantages. The process is time consuming and costly, because the pressure, depending on the number of layers, can be reached for a while at elevated temperature the thermal equilibrium must be kept within the films to be laminated. This precludes a continuous process from the outset. Increased pressure and Thermocompression temperatures lead to deformations of the original geometry. Therefore, to avoid deformation of the laminate in length, width and thickness Molding tools are used.
Bei der Herstellung von Hohlraumstrukturen über den schichtenweisen Aufbau von strukturierten Laminaten (Wärmetauscher /87 Hei/) kommt es zu weiteren Problemen. Beim Aufbau von Schichtstrukturen werden Aussparungen in die Grünfolien gestanzt. Durch Aufeinanderschichtung der einzelnen Lagen und deren Verbindung über Lamination entstehen dann z. B. im Fall des Wärmetauschers Kanalsysteme. Bei Anwendung der Thermokompression entsteht durch die Kavitäten in den Grünfolien eine inhomogene Druckverteilung in Laminat mit teilweise ungenügendem Druckdurchgriff, die zu einer ungenügenden Lamination und damit zu unerwünschten Delaminationen führt, d. h. die Folienlagen sind nach dem Sintern nicht durchgängig miteinander verbunden, die Schädigungszonen führen zu Eigenschaftsänderungen, wodurch das Teil Ausschuß darstellt. Besonders problematisch ist es, feine Strukturen, beispielsweise Waben, im Laminat zu realisieren, da diese durch den aufgebrachten Druck zerstört werden.In the production of cavity structures via the layered structure of structured laminates (heat exchanger / 87 Hei /) there are further problems. At the Cut-outs are punched into the green foils to create layer structures. By Layering of the individual layers and their connection via lamination are created then z. B. in the case of the heat exchanger duct systems. When using thermal compression The inhomogeneous pressure distribution in the laminate is created by the cavities in the green foils with partially insufficient pressure penetration, which leads to insufficient lamination and this leads to undesired delamination, d. H. the foil layers are not after sintering consistently interconnected, the damage zones lead to Characteristics changes, whereby the part represents committee. It is particularly problematic to realize fine structures, for example honeycombs, in the laminate, as this is due to the applied pressure can be destroyed.
Bisher ist versucht worden, diese Probleme mit Laminierhilfen zu überwinden, die im wesentlichen Lösemittel und Binder enthalten. Sie haben die Funktion, die Grünfolien oberflächlich anzulösen, so daß mit geringeren Drücken und Temperaturen gearbeitet werden kann. Nachteil ist, daß die Auftragung der Laminierhilfe einen zusätzlichen Arbeitsschritt erfordert und daß durch das Anlösen des Binders das Laminat leichter verformt werden kann. Die o.g. Temperatur- und Druckbereiche beziehen sich auch auf den Einsatz von Laminierhilfen.So far, attempts have been made to overcome these problems with laminating aids which are used in the contain essential solvents and binders. They have the function of green foils to dissolve on the surface so that lower pressures and temperatures are used can. The disadvantage is that the application of the laminating aid is an additional step requires and that the laminate can be deformed more easily by dissolving the binder. The above Temperature and pressure ranges also refer to the use of Laminating aids.
Seit kurzem gibt es sog. Laminierfolien, die auf Basis eines Klebers die Folien miteinander Verkleben, die aber ebenfalls erhöhte Temperaturen erfordern und damit nicht die o.g. Probleme beheben. Recently there have been so-called laminating foils that use an adhesive to bond the foils together Gluing, which also require elevated temperatures and therefore not the above. Solve problems.
Unabhängig von der Laminationstechnik ist bekannt, daß man zur Grünfolienherstellung versucht, mit möglichst geringem Gehalt an Binder/Weichmacher auszukommen /88 Roo/, da dieser anschließend bei der Verdichtung zur Keramik wieder ausgebrannt werden muß. /89 Cim/ haben das Ausheizen der organischen Bestandteile einer Grünfolie und die Bewegung der erweichenden Binder in dem Grünkörpergefüge beschrieben.Regardless of the lamination technique, it is known that green film production tries to get by with the lowest possible amount of binder / plasticizer / 88 Roo /, because this must then be burned out again during the compaction to form the ceramic. / 89 Cim / have the heating of the organic components of a green sheet and the movement of the softening binder described in the green body structure.
/86 Boc/ P. Boch, C. Chartier, M. Huttepain, "Tape Casting of Al2 / 86 Boc / P. Boch, C. Chartier, M. Huttepain, "Tape Casting of Al 2
O3 O 3
/ZrO2 / ZrO 2
Laminated Composites",
J. Am. Ceram. Soc. 69 [8] (1986) C191-C192
/87 Hei/ J. Heinrich, J. Huber, H. Schelter, R. Ganz, R. Golly, S. Foerster, P. Quell, "Compact Ceramic
Heat-Exchangers: Design, Fabrication and Testing", Brit. Ceram. Trans. J. 86 [6] (1987) 178-182
/88 Roo/ A. Roosen, Basic requirements for tape casting of ceramic powders, in Ceram. Transactions. Vol.
1, Part B, Ceramic Powder Science, Am. Ceram. Soc., Inc., Columbus, OH, 1988, pp. 675-692
/89 Cim/ M. J. Cima, M. Dudziak, J. A. Lewis, "Observation of Poly(vinyl Butyral)-Dibutyl Phthalate
Binder Capillary Migration", J. Am. Ceram. Soc., 72 [6] (1989), 1087-1090
/95 Tuf/ S. Tuffé, D. S. Wilkinson, "MoSi2 Laminated Composites ", J. Am. Ceram. Soc. 69 [8] (1986) C191-C192
/ 87 Hei / J. Heinrich, J. Huber, H. Schelter, R. Ganz, R. Golly, S. Foerster, P. Quell, "Compact Ceramic Heat-Exchangers: Design, Fabrication and Testing", Brit. Ceram. Trans. J. 86 [6] (1987) 178-182
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/ 95 Tuf / S. Tuffé, DS Wilkinson, "MoSi 2
-Based Sandwich Composite Made by Tape-Casting",
J. Am. Ceram. Soc., 78 [11] (1995), 2967-2972
/96 Hel/ H. Hellebrand. "Tape Casting"; pp 189-265 in Materials Science and Technology, Vol. 17 A,
Processing of ceramics. Part 1, ed R. J. Brook, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim, FRG 1996
/97 Cha/ T. Chartier T. Rouxel, "Tape-Cast Alumina-Zirconia Laminates: Processing and Mechanical
Properties" J. Eur. Ceram. Soc. 17 [2-3] (1997), 299-308-Based Sandwich Composite Made by Tape-Casting ", J. Am. Ceram. Soc., 78 [11] (1995), 2967-2972
/ 96 Hel / H. Hellebrand. "Tape casting"; pp 189-265 in Materials Science and Technology, vol. 17 A, Processing of ceramics. Part 1, ed RJ Brook, VCH publishing company, Weinheim, FRG 1996
/ 97 Cha / T. Chartier T. Rouxel, "Tape-Cast Alumina-Zirconia Laminates: Processing and Mechanical Properties" J. Eur. Ceram. Soc. 17 [2-3] (1997), 299-308
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laminiermethode anzubieten, mit der Grünfolien bei möglichst niedrigen Temperaturen mit sehr geringen Drücken verbunden werden können, ohne daß Fehler, z. B. Delaminationen oder Bereiche erhöhter Porosität an den Nahtstellen der Grünfolien nach dem Sintern zurückbleiben.The object of the invention is to offer a lamination method with which green foils lowest possible temperatures can be combined with very low pressures without that errors, e.g. B. delaminations or areas of increased porosity at the seams of the Green foils remain after sintering.
Durch Verkleben der Folien unter Verwendung eines Doppelklebeband (beidseitig klebend) ließ sich entsprechend der Erfindung die Aufgabe überraschenderweise lösen. Es stellte sich heraus, daß der Trägerfilm das Fügen der Grünfolien zu dichtgesinterten Körpern erlaubt, ohne das beim Laminieren eine Verzahnung der Partikel wie bei /96 Hel/ gefordert, vorliegt, die über einen entsprechenden äußeren Druck und Temperatur während des Laminierens erreicht wird. Im Gegensatz dazu sind im Falle der Erfindung die Grünfolien nach dem Verkleben durch einen polymeren Trägerfilm voneinander getrennt. Dieser Trägerfilm ist dafür verantwortlich, daß es im weiteren Ausheiz- und Sinterverlauf zu einem Verbund der beiden Folien kommt. Er wird bei höheren Temperaturen zu einer dünnflüssigen Schmelze. Die Schmelze wird durch die Kapillarität des keramischen Körpers, in dem die anderen organischen Hilfsstoffe bereits weitestgehend ausgeheizt sind, in die Porengänge gesogen. Die dabei auftretenden Kapillarkräfte ziehen die beiden Körper aneinander. In der flüssigen Polymerschmelze können sich die keramischen Pulverteilchen ineinanderschieben, es kommt zu der geforderten Verzahnung. Dazu müssen die keramischen Pulverteilchen frei beweglich sein: dazu müssen die organischen Additive, die in der Grünfolie enthalten sind, weitestgehend ausgetrieben sein und es darf noch keine Halsbildung beim Sintern aufgetreten sein, die ebenfalls die Beweglichkeit herabsetzen würde.By gluing the foils together using double-sided adhesive tape (adhesive on both sides) the task was surprisingly achieved according to the invention. It turned out out that the carrier film allows the green foils to be joined to densely sintered bodies without that the lamination of the particles as required at / 96 Hel / is present when laminating a corresponding external pressure and temperature is reached during lamination. In contrast to this, in the case of the invention, the green foils are through after the gluing a polymeric carrier film separated from each other. This carrier film is responsible for that there is a bond between the two films in the further baking and sintering process. He becomes a thin melt at higher temperatures. The melt is through the Capillarity of the ceramic body in which the other organic auxiliaries already exist are largely heated, sucked into the pore ducts. The occurring Capillary forces pull the two bodies together. In the liquid polymer melt can the ceramic powder particles slide into each other, it comes to the required Gearing. To do this, the ceramic powder particles must be able to move freely organic additives that are contained in the green film, as far as possible and there must be no neck formation during sintering, which also increases mobility would belittle.
Das hier anhand von keramischen Grünfolien demonstrierte Verfahren kann allgemein zur Verbindung von keramischen oder pulvermetallurgischen Grünkörpern oder vorgesinterten Körpern mit einer ausreichenden Restporosität angewandt werden. Das Verfahren besteht aus zwei wesentlichen Schritten: 1. dem Aufbringen des Klebebandes sowie das Verkleben der zu verbindenden Körper und 2. der Temperaturbehandlung zum Austreiben der Binder, Kleber und der Trägerfolie des Klebers sowie das anschließende Dichtsintern der Körper.The method demonstrated here using ceramic green foils can generally be used Connection of ceramic or powder metallurgical green bodies or presintered ones Bodies with sufficient residual porosity can be used. The process consists of two essential steps: 1. applying the adhesive tape and gluing the to connecting body and 2. the temperature treatment to drive out the binder, glue and the carrier film of the adhesive and the subsequent sealing sintering of the body.
Der Laminierschritt ist somit stark vereinfacht worden. Das wesentlich Neue und überraschende bei dieser Methode ist, daß der nötige Druck zum Verzahnen der einzelnen keramischen Folienlagen nicht von außen durch Pressen bei gleichzeitig erhöhter Temperatur aufgebracht werden muß, sondern zwischen den Lagen durch die Kapillarkräfte, die durch die Ausbildung Polymerschmelze entstehen, im Grünkörpergefüge, d. h. in situ erzeugt wird. Hierbei spielt die Beweglichkeit der Pulverteilchen in der Schmelze zur Reorientierung eine entscheidende Rolle.The lamination step has thus been greatly simplified. The essentially new and What is surprising about this method is that the pressure required to mesh the individual ceramic film layers not from the outside by pressing while increasing Temperature must be applied, but between the layers through the Capillary forces that result from the formation of polymer melt in the green structure, d. H. is generated in situ. Here the mobility of the powder particles in the Melt plays a crucial role in reorientation.
Die neue Methode hat wesentliche Vorteile gegenüber der bisherigen Technik. So kann das Laminieren bei Raumtemperatur mit sehr geringen Drücken durchgeführt werden. Dieses ist zeit- und energiesparend, da das Aufbeizen und Halten bei einer erhöhten Temperatur entfällt. Bei Raumtemperatur ist der Binder der Grünfolie noch nicht erweicht, so daß das Laminieren ohne Formwerkzeug durchgeführt werden kann. Dadurch können Werkzeugkosten eingespart werden. Es lassen sich auch komplizierte, dreidimensionale Hohlraumstrukturen realisieren, denn die Strukturen bleiben beim Verbinden der Grünfolien ohne Verformung erhalten. Da der Druck zum Verzahnen der Folienlagen durch Kapillarkräfte erzeugt wird, liegt er überall im Laminat gleich verteilt vor. Deshalb entstehen keine Delaminationen oder Nahtstellen im Material.The new method has significant advantages over the previous technology. So it can Laminating can be done at room temperature with very low pressures. This is time and energy saving because the pickling and holding at an elevated temperature not applicable. The binder of the green sheet has not yet softened at room temperature, so that Laminating can be done without a mold. This allows Tool costs can be saved. It can also be complicated, three-dimensional Realize cavity structures because the structures remain when the green foils are connected received without deformation. Because the pressure to interlock the film layers by capillary forces generated, it is distributed evenly throughout the laminate. Therefore none arise Delamination or seams in the material.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, daß das neue Verfahren die Möglichkeit zur kontinuierlichen Produktion von Laminaten bietet. Sowohl die Grünfolie, als auch das Doppelklebeband können von Rollen abgezogen werden. Über Walzen können zunächst die einzelnen Grünfolienbahnen mit Doppelklebeband beklebt werden. Nach Abziehen des Silikonpapiers vom Doppelklebeband können dann die einzelnen Lagen über Andruckwalzen verbunden werden. Es entsteht ein endloses Laminat, welches durch Stanzen in kleine Einheiten geteilt werden kann. Dadurch werden hohe Stückzahlen möglich, was die Effizienz steigert und die Stückkosten senkt. Die Abb. 1 gibt das Schema eines solchen Ablaufs wieder.Another important aspect is that the new process offers the possibility of continuous production of laminates. Both the green film and the double-sided adhesive tape can be removed from rolls. The individual green film webs can first be stuck with double-sided adhesive tape using rollers. After peeling off the silicone paper from the double-sided adhesive tape, the individual layers can then be connected using pressure rollers. An endless laminate is created, which can be divided into small units by punching. This enables high quantities, which increases efficiency and reduces unit costs. Fig. 1 shows the scheme of such a process.
Darüberhinaus lassen sich mit dieser Methode auch andere keramische Grünkörper miteinander verbinden.In addition, other ceramic green bodies can also be used with this method connect.
Die neue Laminiermethode beruht auf dem Verkleben der Grünfolienlagen mit einem geeigneten Doppelklebeband, wie z. B. Tesafix 4972 der Beiersdorf AG, Hamburg bei Raumtemperatur. Dieses Doppelklebeband ist mehrschichtig aufgebaut. Es besteht aus einem Trägerfilm aus Polyethylentherephthalat (PET), der beidseitig mit einer Acrylatklebermasse beschichtet ist. Die Gesamtdicke des Doppelklebebands beträgt ca. 48 µm. Es liegt aufgewickelt in Form von Rollen vor. Eine Seite des Bandes ist mit Silikonpapier abgedeckt. Dieses Papier erlaubt das Aufbringen und Andrücken des Doppelklebebands (geringer Druck) auf die Grünfolie. Vor dem Verbinden mit einer weiteren Grünfolienlage muß das Silikonpapier abgezogen werden.The new lamination method is based on gluing the green film layers with one suitable double-sided adhesive tape, such as. B. Tesafix 4972 from Beiersdorf AG, Hamburg Room temperature. This double-sided adhesive tape is made up of several layers. It consists of one Backing film made of polyethylene terephthalate (PET) with an acrylic adhesive on both sides is coated. The total thickness of the double-sided adhesive tape is approx. 48 µm. It lies wound up in the form of rolls. One side of the tape is covered with silicone paper. This paper allows the double-sided tape to be applied and pressed on (low pressure) on the green sheet. The silicone paper must be connected to another layer of green film subtracted from.
Mit dem Doppelklebeband Tesafix 4972 sind eine Reihe von Laminierversuchen durchgeführt worden. Die dabei verwendete Grünfolie basiert auf Aluminiumoxid mit einer mittleren Korngröße von 3,5 µm und Polyvinylbutyral als Binder. Die Zusammensetzung des Schlickersystems ist in Tab. 1 angegeben. Aus diesem Schlicker wird eine Grünfolie über Foliengießen und Trocknen hergestellt. Die gegossene Folie ist 725 µm dick, und weist eine mittlere Porengröße von 0.6 µm auf. Für die Laminierversuche wurde die Folie zu Quadraten mit einer Kantenlänge von 30 mm geschnitten. In den Versuchen wurden Laminate aus drei Lagen hergestellt.A number of lamination tests were carried out with the double adhesive tape Tesafix 4972 been. The green film used is based on aluminum oxide with a medium one Grain size of 3.5 µm and polyvinyl butyral as a binder. The composition of the Slip systems are given in Table 1. This slip becomes a green sheet Foil casting and drying. The cast film is 725 µm thick and has one mean pore size of 0.6 µm. The film became squares for the lamination tests cut with an edge length of 30 mm. In the experiments, laminates were made from three Layers.
Den Laminiervorgang mit der neuen Technik illustriert Abb. 2. Zum Laminieren wurde auf die einzelnen Grünfolienstücke das Doppelklebeband aufgeklebt. Nach Abziehen des Silikonpapiers wurden die einzelnen Lagen aufeinandergeschichtet und unter einem geringen Druck miteinander verpreßt. Ein Laminat wurde durch leichtes Andrücken der Folienlagen von Hand hergestellt. Weitere Laminate wurden durch Pressen mit Drücken von 2,5 MPa und 5 MPa realisiert. Die Laminate wurden dann mit dem in Abb. 3 dargestellten Ofenprogramm ausgeheizt und gesintert. Schliffe der gesinterten Laminate zeigten in allen drei Fällen keinerlei Fehler oder Nahtstellen in den Laminaten. Fig. 2 illustrates the lamination process with the new technology . For the lamination, the double-sided adhesive tape was stuck on. After the silicone paper had been peeled off, the individual layers were stacked on top of one another and pressed together under slight pressure. A laminate was made by gently pressing the film layers by hand. Further laminates were realized by pressing with pressures of 2.5 MPa and 5 MPa. The laminates were then baked and sintered using the furnace program shown in Fig. 3. Sections of the sintered laminates showed no defects or seams in the laminates in all three cases.
Entscheidend für die Wirksamkeit der neuen Technik ist der Aufbau des Doppelklebebands. Der Acrylatkleber sorgt für eine Fixierung der Grünfolien beim Laminieren. Die Klebemasse ist druckempfindlich, weshalb eine Verbindung schon bei geringen Anpreßdrücken möglich ist. Deshalb zeigte sich in den Versuchen keine Abhängigkeit der Laminatgüte von den Preßdrücken. Der Acrylatkleber wird beim Ausheizen, d. h. bei der Temperaturerhöhung während des Brands, zeitgleich mit dem Binder in der Grünfolie ausgebrannt. Das PET der Trägerfolie bleibt bis ca. 250°C stabil. Abb. 4 zeigt die bereits zersetzte und z. T. vernetzte Struktur des Acrylatklebers, sowie die beginnende Verflüssigung des PET-Films. Das PET bildet dann aber eine niederviskose Schmelze aus, deren Viskosität aufgrund von Kettenbrechung der Polymermoleküle mit zunehmender Temperatur abnimmt (Abb. 5). Bei 300°C konnten dynamische Viskositäten des PET's von ca. 30 Pas gemessen werden (z. Vgl.: nach Cima /89 Cim/ zeigt Polyvinylbutyral bei 160°C eine Viskosität von ca. 5000 Pas). Die PET-Schmelze wird durch Abfließen über die Poren der keramischen Schichten und durch Verdampfen kurzkettiger Crackprodukte abgebaut.The structure of the double-sided adhesive tape is decisive for the effectiveness of the new technology. The acrylic adhesive ensures the green foils are fixed when laminating. The adhesive is sensitive to pressure, which is why a connection is possible even at low contact pressures. Therefore, the tests showed no dependence of the laminate quality on the pressing pressures. The acrylic adhesive is burned out at the same time as the binder in the green sheet when it is baked out, ie when the temperature rises during the fire. The PET of the carrier film remains stable up to approx. 250 ° C. Fig. 4 shows the already decomposed and z. T. cross-linked structure of the acrylic adhesive, as well as the beginning liquefaction of the PET film. The PET then forms a low-viscosity melt, the viscosity of which decreases with increasing temperature due to chain breakage of the polymer molecules ( Fig. 5). At 300 ° C dynamic viscosities of the PET of approx. 30 Pas could be measured (e.g. see Cima / 89 Cim / shows polyvinyl butyral at 160 ° C a viscosity of approx. 5000 Pas). The PET melt is broken down by flowing through the pores of the ceramic layers and by evaporating short-chain cracked products.
Die Polymerschmelze führt in dem porösen Kapillarsystems der Grünfolie zu Kapillarkräften, die wiederum als Kapillardruck einen Sog auf die Polymerschmelze ausüben. Diese Kapillarkräfte ziehen die einzelnen Lagen der keramischen Folien zueinander. In der niederviskosen Schmelze können sich die oberflächennahen Pulverteilchen reorientieren, so daß sich bei Annäherung der einzelnen Schichten diese miteinander verzahnen und es zu einem homogenen Verbund kommt.The polymer melt leads to capillary forces in the porous capillary system of the green sheet, which in turn exert a suction on the polymer melt as capillary pressure. This Capillary forces pull the individual layers of the ceramic foils towards each other. In the low-viscosity melt, the near-surface powder particles can reorient so that as the individual layers approach each other, they become interlocked and become one homogeneous composite comes.
Das wesentlich Neue und überraschende bei dieser Methode ist, daß der nötige Druck zum Verzahnen der einzelnen keramischen Folienlagen nicht von außen durch Pressen bei gleichzeitig erhöhter Temperatur aufgebracht werden muß, sondern zwischen den Lagen durch die Kapillarkräfte, die durch die Ausbildung der Schmelze entstehen, im Grünkörpergefüge, d. h. in situ erzeugt wird. Hierbei spielt die Beweglichkeit der Pulverteilchen in der Schmelze zur Reorientierung eine entscheidende Rolle.The essentially new and surprising thing about this method is that the necessary pressure to Do not interlock the individual ceramic film layers from the outside by pressing at the same time increased temperature must be applied, but between the layers by the capillary forces that arise from the formation of the melt in Green body structure, d. H. is generated in situ. Here the mobility of the Powder particles in the melt play a crucial role for reorientation.
Dazu können Polymere verwendet werden, die bei dem Ausheizprozeß eine flüssige Phase in einem solchen Temperaturbereich bilden, indem die im Grünkörper verwendeten organischen Hilfsstoffe sich bereits weitestgehend zersetzt oder verflüssigt haben. Diese Schmelze wird in die porösen Körper aufgrund deren Kapillarität hineingezogen, so daß die dabei auftretenden Kapillarkräfte die zu verbindenden Körper zueinanderziehen. Dadurch können sich die an der Grenzfläche zwischen den beiden Körpern liegenden Pulverteilchen durch Reorientierung in der flüssigen Phase gegeneinander verzahnen. Dadurch führt die anschließende Temperaturbehandlung zur Verdichtung der Körper sowie zur Eliminierung der Grenzfläche zwischen den Körpern, wodurch die Körper fest miteinander verbunden sind. - Die im Grünkörper verwendeten organischen Hilfsstoffe müssen sich unterhalb der Verflüssigungstemperatur der Trägerfolie des Klebefolie in den jeweiligen Grünkörpern zu zersetzen oder verflüssigen beginnen, so daß diese organischen Additive bei der Verflüssigung der Trägerfolie des Klebers die Pulverteilchen nicht mehr fixieren, so daß sie frei beweglich sind. - Der keramische oder pulvermetallurgische Grünkörper muß eine eine Porosität von <10 Vol% bezüglich der anorganischen Körner aufweisen und die einzelnen Pulverteilchen müssen isoliert voneinander vorliegen, d. h. es darf noch keine Sinterhalsbildung stattgefunden haben, so daß die Pulverteilchen vor dem endgültigen Ausbrand der organischen Additive noch gegeneinander verschiebbar sind.For this purpose, polymers can be used which have a liquid phase in the baking process form such a temperature range by the organic used in the green body Auxiliaries have already largely decomposed or liquefied. This melt is in the porous bodies are drawn in due to their capillarity, so that those occurring Capillary forces pull the bodies to be joined together. This allows the Interface between the two bodies of powder particles due to reorientation in interlink the liquid phase. This leads the subsequent Temperature treatment to densify the body and to eliminate the interface between the bodies, whereby the bodies are firmly connected. - The im Organic additives used in green bodies must be below the Liquefaction temperature of the carrier film of the adhesive film in the respective green bodies begin to decompose or liquefy so that these organic additives liquefy the carrier film of the adhesive no longer fix the powder particles so that they can move freely are. - The ceramic or powder metallurgical green body must have a porosity of <10 Vol% have with respect to the inorganic grains and the individual powder particles must are isolated from each other, d. H. there must not have been any sinter neck formation yet, so that the powder particles still before the final burnout of the organic additives are mutually displaceable.
Das hier anhand von keramischen Grünfolien demonstrierte Verfahren kann allgemein zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung von keramischen oder pulvermetallurgischen Grünkörpern oder vorgesinterten Körpern mit einer ausreichenden Restporosität angewandt werden. Das Verfahren besteht aus zwei wesentlichen Schritten: 1. dem Aufbringen des Klebebandes sowie das Verkleben der zu verbindenden Körper und 2. der Temperaturbehandlung zum Austreiben der Binder, Kleber und der Trägerfolie des Klebers sowie das anschließende Dichtsintern der Körper.The method demonstrated here using ceramic green foils can generally be used Production of a cohesive connection of ceramic or powder metallurgical Green bodies or pre-sintered bodies with sufficient residual porosity are used will. The process consists of two main steps: 1. applying the Adhesive tape and the gluing of the body to be connected and 2. the Temperature treatment to drive out the binder, glue and the carrier film of the glue and the subsequent dense sintering of the body.
Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Laminieren von keramischen Grünfolien zur Herstellung von Funktions- und Ingenieurkeramiken wie z. B. Gehäuse, Kondensatoren, Aktoren, Sensoren, HT-Brennstoffzellen, Wärmetauscher u. a. The method is particularly suitable for the lamination of ceramic green foils Production of functional and engineering ceramics such as B. housing, capacitors, Actuators, sensors, HT fuel cells, heat exchangers u. a.
Komponenten des Foliengießschlickers in Masse%Components of the film casting slip in mass%
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