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Die zuverlässige Herstellung von Bauteilen aus Hochleistungskeramik erfordert den Einsatz von prozessbegleitenden Prüfverfahren in allen Fertigungsstufen. Prozessbegleitende Prüfung umfasst sowohl die Bewertung von Ausgangs- und Zwischenprodukten (Pulver, Suspensionen, Grünkörper) als auch die in-situ Überwachung kritischer Fertigungsstufen (Aufbereitung, Formgebung, Entbinderung, Sinterung). Der Arbeitskreis „Prozessbegleitende Prüfverfahren“ im DKG/DGM-Gemeinschaftsausschuss „Hochleistungskeramik“ bietet eine Plattform zum Informationsaustausch über neue Messverfahren und zur Initiierung von Ringversuchen und Referenzmaterialentwicklung.
Als aktuelle Beispiele werden zwei applikationsnahe Verfahren zur in-situ Charakterisierung von Geometrieveränderungen (Schwindung, Verformung) an großformatigen keramischen Schichtverbunden vorgestellt.
Die Hochtemperatur-3D-Laserprofilometrie ermöglicht die Visualisierung und Quantifizierung der lokalen Verformung keramischer Multilayer während der drucklosen Sinterung. Beobachtet wurden an LTCC-Multilayern starke Verformungen bereits während der Entbinderung und in der Abkühlphase. Das Wissen um zwischenzeitliche Verformungen erweitert das Verständnis über die Ursachen von Defekten in Multilayer-Bauteilen.
Die in-situ Messung der Dickenschwindung an realen, großformatigen LTCC-Bauteilen während der druckunterstützten Sinterung wurde erstmals durch die Entwicklung eines LTCC-kompatiblen Drucksinteraggregat mit integriertem Dilatometer ermöglicht. Zusätzlich wurde das Drucksinteraggregat mit einer prozessbegleitende Mess- und Regelungseinrichtung für den Sauerstoffpartialdruck ausgestattet. Durch ein optimiertes Sauerstoffpartialdruckregime konnte an LTCC-Modulen eine qualitätsgefährdende Silberdiffusion aus den Leiterbahnen in das umgebende keramische Dielektrikum drastisch reduziert werden. Das mit einem industriellen Partner entwickelte Drucksinteraggregat eröffnet unikale Möglichkeiten zur Optimierung von Aufheizgeschwindigkeit, Druck und Sinteratmosphäre in allen Phasen des Sinterprozesses.
Spray drying of ceramic slurries aims for soft and free-flowing granules with homogenous microstructure neither containing voids nor hard shells suitable for uniaxial and isostatic pressing.
The controlled destabilization of the slurries was introduced, since the unwanted formation of hard granules with voids donut-like shape could be drastically reduced. Spray drying of such modified slurries resulted in soft granules and finally leaded to sintered bodies with improved microstructure, density and strength.
Optimized slurries were atomized in a laboratory spray dryer (Hi-Tec, Niro, Denmark) both with a commercial two stream nozzle and an adapted ultra sound atomization unit. Potential advantages of the ultra sound nebulization are investigated for model systems of alumina, zirconia and a ZTA composite while focusing on solids content of slurries, yield, and granule properties (size distribution, flowability, shape, microstructure, pressability) as well as the final sinter body properties (density, microstructure, strength).
Using ultrasound nozzles in spray drying of identical slurries, as before tested and optimized for a two stream nozzle atomization process, resulted in a more suitable size distribution for dry pressing (less particles below 20 µm), a better flowability and a higher yield. Furthermore the sinter bodies produced of the ultra sound granules have higher sintered density, more homogenous microstructure without large pores and higher strength.
Tunable microwave devices will play an important role in future wireless systems, in which high-frequency bands, e.g. millimeter waves, will become promising, due to its huge spectrum availability. At such frequency bands, liquid crystals (LCs) exhibit low microwave loss, which is excellent compared with the other tuning elements. In this paper, LC-based microwave components are fabricated by using low temperature co-fired ceramic technology, allowing the integration of the LC into microwave structures. The first component, the Amplitude tuner, controls the signal’s amplitude by using the interference concept, which exhibits a tunable attenuation range from 11 dB to 30 dB at 30 GHz. The second component is a 3-pole tunable bandpass filter, which is realized by using a substrate integrated waveguide topology, enabling a device with comparatively high-quality factors (Q-factors). The measurement results show Q-factors in the range of 68 to 100 for a frequency tuning of 29.4–30.1 GHz, i.e. a tuning range of 700 MHz, accompanied by an insertion loss 2 dB to 4 dB.
Implementation of Ba0.6Sr0.4TiO3-ZnO-B2O3 based tunable microwave phase shifters in LTCC technology
(2017)
Tunable dielectric Ba0.6Sr0.4TiO3-ZnO-B2O3 thick-films were analyzed regarding their integration potential into the LTCC technology. Therefore, tunable loaded line phase shifters based on metal-insulator-metal varactors with single- and double- printed BST thick-films were fabricated and co-sintered inside a four layer LTCC module. Microstructural and chemical investigations showed a sufficient compatibility and adhesion between the silver, BST composite and LTCC layers and a resulting morphology depending on the processing route. The microwave characterization of the LTCC-embedded phase shifters revealed comparable results to phase shifters with the same design on alumina substrates.
A wide range of solid-state synthesis routes for calcium manganate is reported in the literature, but there is no systematic study about the influence of the solid-state synthesis conditions on thermoelectric properties. Therefore, this study examined the influence of calcination temperature and calcination cycles on the Seebeck coefficient, electrical conductivity, and thermal conductivity. Higher calcination temperatures and repeated calcination cycles minimized the driving force for sintering of the synthesized powder, leading to smaller shrinkage and lower densities of the sintered specimens. As the electrical conductivity increased monotonously with increasing density, a higher energy input during calcination caused deterioration of electrical conductivity. Phase composition and Seebeck coefficient of sintered calcium manganate were not influenced by the calcination procedure. The highest thermoelectric properties with the highest power factors and figures of merit were obtained by means of reaction-sintering of uncalcined powder.
The granules commonly yielded by spray drying procedures exhibit a hard shell and an irregular, dimpled shape, which is often described as donut-like morphology. Sintered parts produced from such granules suffer from microstructural defects and reduced mechanical properties resulting from these disadvantageous granule properties.
Using the example of alumina, zirconia and zirconia-toughened alumina (ZTA) batches, this paper shows that the morphology of the granules can be tuned by adjusting slurry stability. High zeta potential is essential to optimally disperse the particles. But to achieve spherical and soft granules the electrostatic repulsion forces between the particles should be reduced before spray granulation. Electrostatic repulsion forces were changed with the addition of nitric acid. Measurements of zeta potential and viscosity, as well as sedimentation investigations with an optical centrifuge were used for precise slurry assessment as a major precondition for optimal and reproducible adjustment of slurries before spray drying. Sedimentation analysis using an optical centrifuge was performed to investigate different influences like that of additive composition, solids content or pH-value on the sedimentation behavior. Adequately flocculated slurries lead to homogeneous, soft granules that can be easily deformed and pressed. The fraction of donut-shaped particles and the rigidity of granules were reduced. Consequently, the sintered parts produced from these granulates show improvements regarding porosity, pore size distribution, sintered density and biaxial strength.
Entwickelt wurde eine mehrstufige Fertigungstechnologie (Schruppen, Schlichten, Trennschnitt) zur Herstellung keramischer Federn aus gesinterten Hohlzylindern. Durch Optimierung von Maschinenparametern, Schleifscheiben sowie Werkstück- und Werkzeugaufnahmen ist es gelungen, Federn aus Hochleistungskeramik (Aluminiumoxid und Zirkonoxid) mit hoher Kanten- und Oberflächenqualität reproduzierbar herzustellen. Eine hohe Variabilität bezüglich Außen- und Innendurchmesser, Steigung, Windungsquerschnitt und Abstand zwischen den Windungen ermöglicht es, die Federkonstante über drei Größenordnungen zu variieren.
Untersucht wurden Federstabilität und Spannungs-Dehnungs-Verhalten unter konstanter und zyklischer Druckbelastung sowie die thermomechanische Stabilität der Keramikfedern. Aluminiumoxid-Federn können bis etwa 800°C, Zirkonoxid-Federn bis etwa 600°C ohne bleibende geometrische Verformung eingesetzt werden.
Unter konstanter Spannung zeigen Federn aus Y-stabilisiertem TZP (Zirkonoxid)-Werkstoffen, von anderen Keramikwerkstoffen abweichend, bei Raumtemperatur eine zeitabhängige, elastische, Verformung (Superelastizität), die nach Entlastung über einen Zeitraum von mehreren Stunden reversibel verläuft. Als Ursache wird eine spannungsinduzierte reversible Phasenumwandlung zwischen austenitischer (tetragonales ZrO2) und martensitischer (monoklines ZrO2) Phase postuliert.
Diskutiert wird das Anwendungspotenzial der entwickelten Federn für kapazitive keramische Federsensoren für Gravimeter und Wägetechnik.