DE19814018A1 - Ceramic-polymer, ceramic-ceramic or ceramic-metal composite, e.g. a piezoceramic-polymer composite for an ultrasonic transducer - Google Patents
Ceramic-polymer, ceramic-ceramic or ceramic-metal composite, e.g. a piezoceramic-polymer composite for an ultrasonic transducerInfo
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Abstract
Description
Allgemein: Verbundwerkstoffe mit keramischen Komponenten finden zunehmendes Interesse. Hier wird ein neues Verfahren angemeldet, das zur Herstellung von Ver bundwerkstoffen aus Keramik/Polymer, Keramik/Keramik und Keramik/Metall ge eignet ist. Entwickelt wurde das Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus Piezokeramik und Polymer, es ist aber auch für andere Materialkombinationen geeignet (siehe Lösung der Aufgabe). Die Erfindung wird zunächst am Beispiel der Piezokeramik/Polymer-Verbundwerkstoffe erläutert.General: Composites with ceramic components are becoming increasingly popular Interest. A new process is registered here, which is used to manufacture ver composite materials made of ceramic / polymer, ceramic / ceramic and ceramic / metal is suitable. The process for the production of a composite material was developed Made of piezoceramic and polymer, but it is also for other material combinations suitable (see solution of the task). The invention is first based on the example of Piezoceramic / polymer composites explained.
Piezokeramik/Polymer- Verbundwerkstoffe: Piezoelektrische Keramik/Polymer-
Verbundwerkstoffe, wie z. B. der 1-3 Composit, werden als Ultraschallsender
und/oder -empfänger eingesetzt. Speziell wegen ihres guten Ankoppelverhaltens an
Wasser kommen sie in folgenden drei Anwendungsbereichen zum Einsatz:
Piezoceramic / polymer composites: Piezoelectric ceramics / polymer composites, such as B. the 1-3 composite are used as ultrasonic transmitters and / or receivers. Especially because of their good coupling behavior to water, they are used in the following three areas of application:
- - Als Nautische Wandler in Schiffen dienen sie als Navigationshilfe zur Erkennung von Untiefen, Fischschwärmen, anderen Schiffen, U-Booten und Unterwasser körpern.- As nautical converters in ships, they serve as navigation aids for recognition of shallows, schools of fish, other ships, submarines and underwater bodies.
- - In der Medizin werden sie sowohl zur Diagnostik als auch zur Therapie einge setzt, z. B. zur Durchführung von Schwangerschaftsvorsorgeuntersuchungen oder zur Nierensteinzertrümmerung.- In medicine, they are used both for diagnosis and for therapy sets, e.g. B. to carry out prenatal examinations or to crush the kidney stones.
- - In der Werkstofftechnik und in Prüflabors ermöglichen sie zerstörungsfreie Werk stoffprüfung.- They enable non-destructive work in materials technology and in test laboratories fabric testing.
Nach aktuellem Stand der Technik herrschen drei wesentliche Herstellungsverfahren für piezoelektrische Keramik/Polymer-Verbundwerkstoffe vor: Die Sägetechnik (Dice & Fill) [89 Smi], [81 Sav], [95 Jan], der keramische Spritzguß [95 Gen], [92 Bow] und das Lithographie-Galvanoformung-Abformtechnik-(LIGA)Verfahrnn [95 Bac], [92 Rog], [92 Nök].According to the current state of the art, there are three main manufacturing processes for piezoelectric ceramics / polymer composites: The sawing technology (Dice & Fill) [89 Smi], [81 Sav], [95 Jan], the ceramic injection molding [95 Gen], [92 Bow] and the lithography-electroforming-impression technique (LIGA) method [95 Bac], [92 Rog], [92 Nök].
Die Sägetechnik geht von einem meist trockengepreßten, bereits gesinterten, piezo elektrischen Keramikblock aus, der entsprechend der gewünschten Struktur kreuz weise eingesägt wird, sodaß Stäbe aus Piezokeramik übrigbleiben. Nach Verfüllen der Struktur mit einem Polymer und Entfernen der Bodenplatte, die die entstandenen Strukturelemente (z. B. Stäbe) zuvor zusammenhält, erhält man das Bauteil.The sawing technique is based on a mostly dry pressed, already sintered, piezo electrical ceramic block, which crosses according to the desired structure is sawn in so that rods made of piezoceramic remain. After filling the structure with a polymer and remove the bottom plate that the resulting If structural elements (e.g. rods) are held together beforehand, the component is obtained.
Mit Hilfe des keramischen Spritzgußes wird mit einem entsprechenden Werkzeug der gewünschte Strukturkörper zunächst im Grünzustand hergestellt. Nach dem Sintern wird dieser ebenfalls mit einem Polymer verfüllt und die Bodenplatte (sofern nötig) entfernt, um das Bauteil zu erhalten.With the help of the ceramic injection molding with an appropriate tool the desired structural body is first produced in the green state. After this Sintering is also filled with a polymer and the base plate (if necessary) removed to maintain the component.
Das LIGA-Verfahren ist ein komplizierter, mehrstufiger Prozeß, der nach dem Prinzip der "verlorenen Form" arbeitet. Zunächst wird mittels eines Belichtungsvorgangs das gewünschte Strukturmuster per Röntgenstrahl auf eine maskierte Polymer resistschicht übertragen. Die bestrahlten Bereiche werden anschließend in einem Entwickler selektiv herausgelöst. Die erzeugten Hohlräume werden durch Galvano abformung in ein Metallabformwerkzeug überführt. Mit diesem Werkzeug werden nun z. B. Kunststoffformen hergestellt, die als "verlorene Form" eingesetzt werden können. D.h. sie werden mit einem keramischen Schlicker gefüllt, anschließend ge trocknet. Beim Sintern verbrennt die Kunststoffform rückstandsfrei und man erhält den keramischen Formkörper, der analog den vorangegangenen Verfahren über das Verfüllen mit Polymer in das piezoelektrische Compositbauteil überführt werden kann.The LIGA process is a complicated, multi-stage process based on the principle the "lost form" works. First of all, by means of an exposure process desired structural pattern by X-ray onto a masked polymer transfer resist layer. The irradiated areas are then in one Developer selectively extracted. The cavities created are by electroplating Impression transferred to a metal impression tool. With this tool now z. B. plastic molds that are used as a "lost form" can. I.e. they are filled with a ceramic slip, then ge dries. When sintering, the plastic mold burns without residue and you get the ceramic molded body, which is analogous to the previous method Filling with polymer can be transferred to the piezoelectric composite component can.
Jedes der vorangegangenen Herstellungsverfahren weist typische Nachteile auf, die bei niedrigen Stückzahlen, wechselnden Geometrien/Abmessungen und bei der Herstellung sehr feiner Strukturen zum Ausdruck kommen. Im einzelnen sind die Nachteile der verschiedenen Verfahren:Each of the foregoing manufacturing processes has typical disadvantages that with low quantities, changing geometries / dimensions and with the Production of very fine structures. In detail they are Disadvantages of the different methods:
- - hoher Zeitaufwand pro Stück beim Sägen → geringer Durchsatz- high expenditure of time per piece when sawing → low throughput
- - hohe Ausschußrate durch Bruch gerade bei feinen Strukturen- high rejection rate due to breakage, especially with fine structures
- - Einschränkungen bezüglich der Geometrien (z. B. Krümmungen, Radien)- restrictions regarding the geometries (e.g. curvatures, radii)
- - hohe Werkzeugkosten- high tool costs
- - unflexibel bezüglich veränderter Geometrien- inflexible regarding changed geometries
- - maximale Feinheit der Strukturen ∼ 100 µm [92 Bow]- maximum fineness of the structures ∼ 100 µm [92 Bow]
- - Werkzeugverschleiß durch abrasive Keramik- Tool wear due to abrasive ceramics
- - aufwendige, kostenintensive Formherstellung durch Lithographie und Galvanoformung- Elaborate, costly mold production by lithography and Electroforming
- - unflexibel bezüglich veränderter Geometrien- inflexible regarding changed geometries
- - definierte Ofenführung notwendig, um die Strukturen beim Organikausbrand nicht zu beschädigen- Defined furnace guidance necessary to structure the organic burnout not to damage
[89 Smi] W.A. Smith, "The Role of Piezocomposites in Ultrasonic Transducers",
Proc. IEEE Ultrasonic Symposium 1989 S. 755-766
[81 Sav] H.P. Savakus, K.A. Klicker, R.E. Newnham, "PZT-Epoxy Piezoelectric
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[92 Bow] L.J. Bowen, K.W. French, "Fabrication of piezoelectric
Ceramic/Polymer Composites by Injection Molding", Proc. 8th [89 Smi] WA Smith, "The Role of Piezo Composites in Ultrasonic Transducers", Proc. IEEE Ultrasonic Symposium 1989 pp. 755-766
[81 Sav] HP Savakus, KA Klicker, RE Newnham, "PZT-Epoxy Piezoelectric Transducers: A Simplified Fabrication Procedure", Mat.Res.Bull. vol.16 p. 677-680
[92 Bow] LJ Bowen, KW French, "Fabrication of piezoelectric Ceramic / Polymer Composites by Injection Molding", Proc. 8 th
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[92 Nök] F. Nöker, E. Beyer, "Herstellung von Mikrostrukturkörpern aus
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[95 gene] R. Gentilman, D. Fiore, H. Pham, W. Serwatka, L. Bowen, "Manufacturing of 1-3 piezocomposite SonoPanel ™ transducers", Smart Structures and Materials 1995, SPIE proceedings vol. 2447 pp. 274-281
Aufgrund der genannten Nachteile besteht Bedarf an einem flexiblen Herstellver fahren, das bei geringen Herstellkosten die Fertigung unterschiedlich ausgelegter Piezokeramik-Polymer-Verbundbauteile hinsichtlich Geometrie und Feinheit der Struktur erlaubt.Because of the disadvantages mentioned, there is a need for a flexible manufacturer drive, the manufacturing of differently designed at low manufacturing costs Piezoceramic polymer composite components in terms of geometry and fineness of Structure allowed.
Die Lösung ist entsprechend der Erfindung durch Einsatz des kostengünstigen, leichthandhabbaren Foliengießverfahrens möglich, über das planare keramische Grünfolien erzeugt werden, die im ungesinterten Zustand leicht bearbeitet werden können. Zur Herstellung der Grünfolien geht man von einem keramischen Schlicker aus, der organische Binderanteile enthält. Als Strukturgebungsverfahren für diese Folien eigenen sich verschiedene Verfahren wie Sägen, Stanzen und Laserbe arbeiten. Als besonders geeignet hat sich eine Strukturbildung -mit Lasern ergeben und hier speziell mit dem Kupferdampflaser, da hierdurch besonders saubere Schnittkanten der Grünfolie entstehen und eine geometrisch beliebige Strukturierung der Folien vorgenommen werden kann. Wichtig bei der Strukturierung ist, daß die Strukturen über einen verbleibenden Steg oder Rahmen zusammengehalten werden (s. Abb. 1), sodaß die späteren Stäbchen für das weitere Processing zunächst als Verbund handhabbar sind.According to the invention, the solution is possible by using the inexpensive, easy-to-handle film casting process, via which planar ceramic green films are produced, which can be easily processed in the unsintered state. To manufacture the green foils, a ceramic slip is used that contains organic binder components. Various processes such as sawing, punching and laser processing are suitable as structuring processes for these foils. Structuring with lasers has proven to be particularly suitable, especially with the copper vapor laser, since this results in particularly clean cut edges of the green film and any geometrical structuring of the films can be carried out. When structuring, it is important that the structures are held together via a remaining web or frame (see Fig. 1), so that the later rods can initially be handled as a composite for further processing.
Die strukturierten Folien werden mit diese?n Rahmen/Steg zur eigentlichen Keramik gesintert. Beim Sintern trat ein geometrischer Verzug der Stäbchenstruktur der Grünfolie auf (Abb. 2), der unterbunden werden muß.The structured foils are sintered with these frames / web to the actual ceramic. During sintering, there was a geometrical warping of the rod structure of the green sheet ( Fig. 2), which must be prevented.
Zur Problemlösung werden jeweils unstrukturierte Grünfolien gleicher Größe als Unterlage verwendet, die dann ein reguläres, verzugfreies Schwinden des gesamten aufgelegten Folienstapels ermöglichen.Unstructured green foils of the same size are used to solve the problem Underlay used, which then a regular, distortion-free shrinkage of the entire enable placed film stacks.
Durch Einsatz geeigneter Abstandhalter (Abb. 3) bzw. eines Diakastensystems werden die gesinterten, strukturierten Folien in einer Form bei definiertem Abstand gestapelt und unter Vakuum mit einem geeigneten gießbaren Polymer eingegossen.By using suitable spacers ( Fig. 3) or a slide box system, the sintered, structured foils are stacked in a mold at a defined distance and poured in under vacuum with a suitable castable polymer.
Nach dem Aushärten des Polymers erfolgt das Zersägen zum eigentlichen 1-3 Ver bund, wobei die piezokeramischen Stäbchen vom Rahmen getrennt werden (Abb. 4).After the polymer has hardened, it is sawed into the actual 1-3 bond, whereby the piezoceramic rods are separated from the frame ( Fig. 4).
Durch abschließende Nachbehandlungen, wie Oberflächenbehandlung, Metal lisierung und Polarisierung erhält man schließlich das fertige Compositbauteil.Through final post-treatments such as surface treatment, metal Finally, the finished composite component is obtained in polarization and polarization.
Dieses Verfahren läßt sich auch zur Herstellung anderer Verbundstrukturen anwenden, in denen eine Komponente keramisch ist. Es können hiermit verschiedene Verbundstrukturen wie z. B. 1-3 (s. Abb. 4) oder 3-3 Composite (s. Abb. 10) hergestellt werden. Im Falle des 3-3 Composite müssen in Abänderung des beschriebenen Verfahrens die strukturierten keramischen Grünfolien vor dem Sintern zu einem dreidimensional verbundenen Gerüst laminiert werden. Dieser gesinterte Verbund wird dann mit Polymer gefüllt (s. Abb. 10). This method can also be used to produce other composite structures in which a component is ceramic. Various composite structures such as e.g. B. 1-3 (see Fig. 4) or 3-3 composite (see Fig. 10). In the case of the 3-3 composite, the structured ceramic green foils have to be laminated into a three-dimensionally connected framework before the sintering. This sintered composite is then filled with polymer (see Fig. 10).
Prinzipiell kann Keramik mit Polymeren, Metallen und anderen Keramiken kombiniert
werden. Z.B.:
In principle, ceramics can be combined with polymers, metals and other ceramics. Eg:
- a) Keramik/Polymer: Anstelle von Piezokeramik können andere oxidische, nicht oxidische oder kohlenstoffhaltige Keramiken eingesetzt werden. Auch das Poly mer kann unterschiedlicher Natur sein, wobei jeweils die gesinterte Keramik in den Kunststoff eingebettet wird.a) Ceramic / polymer: Instead of piezoceramic, other oxidic ones cannot oxidic or carbon-containing ceramics are used. Even the poly mer can be of different types, with the sintered ceramic in each case Plastic is embedded.
- b) Keramik/Metall: Anstelle von Kunststoff kann die gesinterte keramische Struktur auch mit flüssigen Metallen vergossen werden. Dazu muß das Formenmaterial anorganischer Natur sein.b) Ceramic / metal: Instead of plastic, the sintered ceramic structure can also be cast with liquid metals. This requires the mold material be inorganic in nature.
- c) Keramik/Keramik: Die ungesinterte oder gesinterte keramische Struktur kann auch mit keramischen Schlickern aus anderen Materialien gefüllt werden. In diesem Fall schließt sich ein weiterer Sintervorgang zur Herstellung des endgültigen Verbund werkstoffes an.c) Ceramic / Ceramic: The unsintered or sintered ceramic structure can also filled with ceramic slips from other materials. In this case there is another sintering process to produce the final composite material.
Damit stellt die Erfindung einen vielfältig nutzbaren Weg zur Herstellung unter schiedlichster Verbundwerkstoffen dar, die mindestens eine keramische Komponente enthalten, die als vorstrukturierte Keramik eingebracht wird.The invention thus provides a versatile way of manufacturing various composite materials that have at least one ceramic Contain component that is introduced as pre-structured ceramic.
Aus dieser Problemlösung resultieren für das Herstellverfahren von Verbundwerk
stoffen, insbesondere von piezoelektrischen Compositen und für die Bauteile selbst
folgende Vorteile:
This problem solution results in the following advantages for the manufacturing process of composite materials, in particular piezoelectric composites, and for the components themselves:
- - niedrige Investitionen und Kosten für eine Fertigungsstrecke- low investment and costs for a production line
- - hohe Flexibilität bezüglich Bauteilabmessungen, Strukturgeometrien und Materialkombinationen- High flexibility regarding component dimensions, structural geometries and Material combinations
- - kontinuierliche Folienherstellung- continuous film production
- - kontinuierliche Strukturierung möglich, z. B. Bandstanzen, -lasern- Continuous structuring possible, e.g. B. band punches, lasers
- - Recyclebarkeit von anfallenden Grünfolienresten- Recyclability of green film residues
- - Schneller Materialabtrag durch Bearbeitung im Grünzustand- Fast material removal by processing in the green state
- - Steuerbares Processing- Controllable processing
- - Erzeugung komplizierter, dreidimensionaler Strukturen mit Hinterschneidungen, Hohlräumen und Sacklöckern möglich- Creation of complicated, three-dimensional structures with undercuts, Cavities and baglocks possible
- - hohe Flexibilität durch beliebige Struktureinbringung in die Grünfolie, durch Ver wendung von Grünfolien zwischen 5 µm und 2 mm Dicke (Herstellung größerer Dicken durch Lamination von Grünfolien vor der Strukturierung) und Stapelweise der gesinterten Folien zu größeren Verbunden- High flexibility through any structure in the green sheet, by Ver Use of green foils between 5 µm and 2 mm thick (production of larger Thickening by lamination of green foils before structuring) and in batches the sintered foils into larger composites
- - Ausbildung und Handhabung sehr feiner Strukturen bis ca. 50 µm- Training and handling of very fine structures down to approx. 50 µm
- - kein Handling von Faserbündeln oder anderer feiner Struktur-Teilchen- No handling of fiber bundles or other fine structure particles
- - Ausbildung von Stegen/Rahmen bei der Strukturierung der Folien ermöglicht die Umsetzung dieser Methode in eine handhabbare Technologie- The formation of bars / frames in the structuring of the foils enables Implementation of this method in a manageable technology
- - Unterlegen von Grünfolien ermöglicht die Umsetzung dieser Methode in verzugs frei gesinterte Zwischenprodukte- Placing green foils enables the implementation of this method with delay free sintered intermediates
- - Ausnutzung von Abstandshaltern oder Diakasten-Systemen zur Einstellung definierter Abstände der gesinterten Folien voneinander.- Use of spacers or slide box systems for adjustment defined distances of the sintered foils from each other.
Das neue Herstellungsverfahren für piezoelektrische Compositbauteile basierend auf strukturierten, keramischen Folien wird an nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher beschrieben und mit Hilfe von Zeichnungen und Tabellen dargestellt:The new manufacturing process for piezoelectric composite components based on Structured, ceramic films are based on the following exemplary embodiments described in more detail and shown with the help of drawings and tables:
Abb. 5: Fließschema des Herstellungsverfahrens Fig. 5: Flow chart of the manufacturing process
Abb. 6: Fließschema Schlickeraufbereitung Fig. 6: Flow chart of slip treatment
Abb. 7: Strukturiertes Folienstück und U-förmiger Abstandhalter (Spacer) Fig. 7: Structured film piece and U-shaped spacer
Abb. 8: Schwindungsbedingter Sinterverzug feiner Strukturen durch den Brennvorgang Fig. 8: Shrinkage-related sintering of fine structures due to the firing process
Abb. 9: Aufbauprinzip für folienabgeleitete Piezowandler am Beispiel eines 1-3 Composites Fig. 9: Construction principle for foil-derived piezo transducers using the example of a 1-3 composite
Abb. 10: Aufbauprinzip eines 3-3 Composites
Tabelle 1: Gießschlickerzusammensetzung für PZT
Tabelle 2: Piezoelektrische Eigenschaften Fig. 10: Construction principle of a 3-3 composite
Table 1: Casting slip composition for PZT
Table 2: Piezoelectric properties
Der Herstellungsprozeß für piezoelektrische Keramik/Polymer Verbundwerkstoffe ist in nebenstehendem Fließschema dargestellt. Basierend auf einem keramischen Gießschlicker, hier am Beispiel eines Versatzes aus Bleizirkontitanat PZT (Tabelle 1) wird mit einer Foliengießanlage nach dem Dr. Blade-Verfahren eine keramische Folie produziert. Da die Trockenschwindung der Grünfolie in Dickenrichtung zwischen 50 und 70% beträgt, wird der Spaltabstand des Rakels nach Bedarf zwischen 100 und 2000 µm eingestellt, um eine getrocknete Grünfolie gewünschter Dicke zu erhalten (z. B. 700 µm).The manufacturing process for piezoelectric ceramic / polymer composites is shown in the adjacent flow diagram. Based on a ceramic Pouring slurry, here using the example of an offset from lead zirconium titanate PZT (Table 1) is used with a film casting machine according to Dr. Blade process a ceramic Film produced. Because the dry shrinkage of the green sheet in the thickness direction is between 50 and 70%, the gap distance of the doctor blade as required between 100 and 2000 microns set to a dried green sheet desired Obtain thickness (e.g. 700 µm).
Die Schlickeraufbereitung erfolgt gemäß dem Fließschema in Abb. 6. The slip preparation is carried out according to the flow diagram in Fig. 6.
In einer Kugelmühle wird zunächst das Lösungsmittel und ein geeignetes Disper giermittel vorgelegt. Dann erfolgt nach Keramikpulverzugabe ein achtundvierzig stündiger Dispergiervorgang. Im 2. Schritt wird chargenweise Binder und Plasti fizierer zugegeben und weitere 48 Std. homogenisiert. Abschließend wird der fertige Gießschlicker 1 Std. bei einem Unterdruck von 300 hPa zur Blasenfreiheit entlüftet.In a ball mill, first the solvent and a suitable disper greed presented. Then, after adding ceramic powder, there is a forty-eight hourly dispersion process. In the second step, Binder and Plasti are processed in batches added and homogenized for a further 48 hours. Finally, the finished Casting slurry vented for 1 hour at a vacuum of 300 hPa to ensure no bubbles.
Nach der Trocknung der gegossenen Folie kann diese mit geeigneten Mitteln struk turiert werden - mechanisch durch Stanzwerkzeuge oder thermisch durch einen Laser. Gewünscht sind dabei vor allem feine Stäbchenstrukturen (Abb. 7a). Für 1-3 Composite ist eine feine Stäbchengeometrie mit Stabquerschnitten ≦ 0,7×0,7 mm2 und einem Stababstand ≦ 0,4 mm notwendig.After the cast film has dried, it can be structured using suitable means - mechanically using punching tools or thermally using a laser. Above all, fine rod structures are desired ( Fig. 7a). A fine rod geometry with rod cross-sections ≦ 0.7 × 0.7 mm 2 and a rod spacing ≦ 0.4 mm is necessary for 1-3 composites.
Der Kupferdampflaser ist z. B. für die Bearbeitung von keramischen Grünfolien sehr gut geeignet. Durch seine hohe Pulsfrequenz bei gleichzeitig geringer Leistung ist ein sehr gutes Abtragsverhalten zu erzielen, ohne den Werkstoff durch breite Wärmeeinflußzonen entlang der Schnittkanten zu beeinträchtigen und so z. B. die Schnittkantenqualität zu verschlechtern.The copper vapor laser is e.g. B. for the processing of ceramic green foils very much well suited. Due to its high pulse frequency and low power to achieve a very good stock removal behavior without the material having to be wide To affect heat affected zones along the cut edges and so z. B. the Deteriorate cutting edge quality.
Die auf diese Weise erhaltenen strukturierten Grünfolien können nun ggf. zu dic keren Folien, wie bzw. zu dreidimensionales Strukturen, z. B. dem 3-3 Composit (Abb. 10), laminiert werden.The structured green foils obtained in this way can now optionally to dic keren foils, such as or three-dimensional structures, for. B. the 3-3 composite ( Fig. 10).
Nach dem Laminieren erfolgt das Sintern, wobei die Grünfolie in die eigentliche Keramik überführt wird. Hier liegt eines der Hauptprobleme bei der Weiterver arbeitung von strukturierten Folien oder Körpern. Die eingebrachten Strukturen ver ändern in der Regel das Sinterverhalten der Folien, d. h. es kann zum Sinterverzug kommen (Abb. 8). Gerade bei den feinen Stäbchenstrukturen der 1-3 Composite treten solche Probleme auf, da die unstrukturierten Bereiche (Abb. 8a u. b) ein an deres Schwindungsverhalten zeigen, als die strukturierten Bereiche (8c). Im Zentrum (siehe Abb. 8c) findet kein Verzug statt, da die Schwindungskräfte symmetrisch sind. Der Sinterzug im Bereich a) ist größer als in der unterbrochenen Bereichen, den Stegen (Abb. 8b bis c), so daß es zu dem abgebildeten Verzug kommt. In Richtung der Streifen gibt es keine unterschiedlichen Schwindungskräfte. Zur Lösung dieses Problems hat sich überraschenderweise ergeben, daß das Unterlegen einer un strukturierten Grünfolie gleicher Größe als Brennhilfsmittel diesen Verzug verhindert. Es liegt ein reguläres Schwindungsverhalten vor, das durch Haftkräfte auf darüber liegende strukturierte Folien, bzw. Folienstapel übertragen wird, so daß im gesamten Stapel das Problem gelöst ist.After the lamination, the sintering takes place, the green film being transferred to the actual ceramic. This is one of the main problems with the further processing of structured foils or bodies. The structures introduced generally change the sintering behavior of the foils, ie sintering may occur ( Fig. 8). Such problems occur especially with the fine rod structures of 1-3 Composites, since the unstructured areas ( Fig. 8a and b) show a different shrinkage behavior than the structured areas (8c). In the center (see Fig. 8c) will be no delay because the Schwindungskräfte are symmetrical. The sintering draft in area a) is larger than in the interrupted areas, the webs ( Fig. 8b to c), so that the distortion shown occurs. There are no different shrinkage forces in the direction of the strips. To solve this problem, it has surprisingly been found that placing an unstructured green sheet of the same size as a firing aid prevents this delay. There is a regular shrinkage behavior which is transferred by adhesive forces to structured foils or foil stacks lying above it, so that the problem is solved in the entire stack.
Da beim Sintern die organischen Bestandteile der Grünfolie (siehe Schlickerversatz) zersetzt werden und aus dem keramischen Grünkörper austreten, ist im Tempera turbereich der Zersetzung der organischen Bestandteile zwischen 100 und 600°C langsam (∼ 50 °C/h) aufzuheizen. Die Sintertemperatur liegt bei ca. 1200°C. Im Anschluß an den Sinterprozeß werden die strukturierten und gesinterten Folien mit Hilfe von U-förmigen Spacern (Abb. 7b) aus Keramik, Kunststoff o. ä., bzw. eines Diakastensystems mit definierten Abständen (Abb. 9) in einer Form gestapelt. Anschließend wird ein Polymer, z. B. Epoxydharz in die Form gegossen. Dies geschieht unter Vakuum, um den Einschluß von Blasen zu verhindern.Since the organic components of the green film (see slip offset) are decomposed during sintering and emerge from the ceramic green body, the decomposition of the organic components between 100 and 600 ° C must be heated slowly (∼ 50 ° C / h) in the temperature range. The sintering temperature is around 1200 ° C. Following the sintering process, the structured and sintered foils are stacked in a mold using U-shaped spacers ( Fig. 7b) made of ceramic, plastic or the like, or a slide box system with defined distances ( Fig. 9). Then a polymer, e.g. B. Epoxy resin poured into the mold. This is done under vacuum to prevent the inclusion of bubbles.
Nach Aushärten des Polymers werden die Hilfsränder der Keramikfolien mit geeig neten Werkzeugen (z. B. Sägen) entfernt, die die Stäbe in Position gehalten haben (Abb. 9). Durch Planschleifen der Flächen, Metallisieren der Stirnflächen und Polari sieren der Keramik gelangt man schließlich zum fertigen Bauteil.After the polymer has hardened, the auxiliary edges of the ceramic foils are removed using suitable tools (e.g. saws) that have held the rods in position ( Fig. 9). By grinding the surfaces, metallizing the end faces and polarizing the ceramics, you finally get to the finished component.
In nachfolgender Tabelle sind die gemessenen piezoelektrischen Eigenschaften der nach diesem Verfahren hergestellten Bauteile dargestellt. Die erste Spalte zeigt dabei die Eigenschaften des Ausgangspulvers, die zweite Spalte einen Composit der aus YAG-Laser strukturierten Folien aufgebaut wurde. Die dritte Spalte zeigt Eigenschaften eines kupferdampflaserstrukturierten Bauteils und die vierte Spalte repräsentiert ein mechanisch strukturiertes Bauteil.The following table shows the measured piezoelectric properties of the Components produced by this method are shown. The first column shows the properties of the starting powder, the second column a composite of was constructed from foils structured with YAG laser. The third column shows Properties of a copper vapor laser-structured component and the fourth column represents a mechanically structured component.
Claims (10)
- a) es auf keramischen Folien basiert, die z. B. über das Foliengießverfahren oder Tauchverfahren hergestellt werden können.
- b) die keramischen Folien im Grünzustand strukturiert werden.
- c) die strukturierten keramischen Folien ggf. laminiert werden.
- d) die strukturierten und ggf. laminierten Folien gesintert werden.
- e) die gesinterten, strukturierten Folien mit definiertem Abstand parallel zu einander, senkrecht in eine Form gegeben werden oder im Fall der laminierten Struktur einen selbsttragenden Körper darstellen, der in eine Form gestellt wird.
- f) die Form mit der darin enthaltenen Keramik mit einem anderen Material wie z. B. Binder/Polymer/Kunststoff, Metallschmelze, Glasschmelze oder keramischer Schlicker zu einem Verbundwerkstoff vergossen wird
- g) die erhärtete Materialverbundstruktur durch einen Trennschnitt von ggf. vorhandenen Stegen getrennt wird.
- a) it is based on ceramic films, the z. B. can be produced via the film casting process or immersion process.
- b) the ceramic foils are structured in the green state.
- c) the structured ceramic foils are optionally laminated.
- d) the structured and possibly laminated foils are sintered.
- e) the sintered, structured foils are placed at a defined distance parallel to one another, perpendicularly in a mold or, in the case of the laminated structure, represent a self-supporting body which is placed in a mold.
- f) the shape with the ceramic contained therein with another material such. B. binder / polymer / plastic, molten metal, molten glass or ceramic slip is cast into a composite material
- g) the hardened composite material structure is separated from any existing webs by a separating cut.
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