DE1558662A1 - Keramik-Verbund-Werkstoff - Google Patents

Description

OR.-INd. DIPL.-ΙΝβ. M.SC. DIPL₁-PHYS. OR. DIPL.-ΡΗΥβ.

HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER A ¹^E tjf] K PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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10. Pebr. 1967

Texas Instruments Incorporated Dallas, Texas j, U.S₀A*

Keraalk-7erbund-Werfcstoff

betrifft einen Keramik-Metall-Verbundwerkstoff zn seiner Herstellung»

Yertan&werkstoffe stellen ein© Art Legierung stallen uad keramischen Werkstoffen dar. Eine erste Verbundwerkstoffen enthält ein Metall mit darin

inen .Plättchen bus ®is@m schwer sehmels-

karamisehen Material, welches

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leicht der Korrosion, insbesondere gegenüber geschmolzenen, anorganischen Salzen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eineaKeramik-Metall-Verbundwerkstoff zu schaffen₉ der neben seiner Unempfindlichkeit gegenüber hohen Temperaturen auch eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist. Diese Aufgabe löst erfindungagemäß eine Verbundwerkstoff mit 80 bis 98 Gewichtsprozent Aluminium und 20 bis 2 Gewichtsprozent eines Aluminiumsilikats· Darüberhinaus kann der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff auch noch ein Aluminiumoxyd enthalten· Der erfindungsge mäße Keramik-Metall-Verbundwerkstoff ist nicht nur äußerst fcorros-ionsbeständig, sondern er weist noch den weiteren Vorteil auf, daß er auch bei hohen Temperaturen noch ein guter elektrischer Isolator ist« Die Korrosionsbeständikeit, insbesondere gegenüber anorganischen Salzen,ist auch noch bei Temperaturen bis zu 65O⁰C außerordentlich hoch, so daß sich der erfindungsgemäße Werkstoff zur Herstellung von Bauteilen für Brennstoffzellen eignet, die bei diesen hohen Temperaturen noch eine genügende Festigkeit und elektrisches Isolationsvermögen aufweisen müssen«

Zur Herstellung des Verbundwerkstoffes wird ein Gemisch aus dem rietall und dem keramischen Werkstoff unter Druck gesintert, -wobei gemäß der Erfindung 80 Ms 98 Gewichtsprozent reines

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Alurainium und 20 bis 2 Gewichtsprozent ©ines Aluminiumailikats miteinander vermischt wurden. Besonders zweckmäßig ist das Erhitzen dieses Gemisches in einer oxydierenden Atmosphäre» da dann der Verbundwerkstoff .besonders gute Eigenschaften aufweist ο Er läßt sich trot sr seiner Feuerfeetigkeit verhältaisEäßig gut bearbeiten» hat einen besonders hohen epesifischen Widerstand und widersteht Jtdem Angriff von Erdalkalimetalle-Karbonaten» Bin besonderer Vorteil des erfindungsgemäSen. Verbundwerkstoffes ist darin su* sehen« daß er aus billiges. xm& X@ickt ^erfHgtereii l&t©2Piali@a hergestellt tesan» Is? läit siek la Jade fe©lieM§a Foms feriiigen,, be-* auch deshalb _t weil ©2= si©& ves-Ml^nisssiSig leicht aascMaell bearb©it®a MSt₀

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Vorzugsweise wird der erfindungsgeisäße Verbundwerkstoff au» einer Mischung hergestellte, di© ungefähr 85 bis 93 Geitfichtsprosent Aluminium und 2 bis 15 Gewichtsprozent Aluminiurasililcat - Al₃O-(SiOg)₂ .2HgO, als Kaolin bekannt - « Diese beiden Bestandteile werden zweckmäßigerweise in Pulverform oder alfa Granulat verwendet. Das Gemisch wird bei einem Druck von ungefähr 700 lcg/era in einer oxydierenden Atmosphäre auf eine Temperatur ungefähr zwischen 1000° und 1400°0 gebracht und unter diesen Bediigingen ungefähr 4 bis 8 Stunden gehaltene Das Erhitzen und Vorpressen kann gleichzeitig erfolgen, dies muß jedoch nicht der Fall aein_a Es entsteht ein verbaltnxGBiäßig dichter Keramik~Metfill~Ter"b'.mdv/erkstoff < Daa Aluminium wird im Laufe des Herstellungsverfahren!?! wenigstens teilweise oxjrdiert, so daß der spezielle Verbundwerlcstoff aus Aluminium, Aliminiumoxyd und Aluminiuiaailikc.t besteht·

Im folgenden worden einige AusführungabeiEpi.olG für die Herstellung erfindungsgemäßer Yerbundv/erkatoffo beschrinbon.

Beispiel I

Bin Scheibchen mit einem Durchmesse.? von 3₉2 cm und e:!ner Dicke von 3»4 n?ra \nirde aus einem Oemioch auß 98 GewiolitD« prozont pulvorisiortom Aluminium (X200 mooh) und ?. Gewicht..?- pro sollt nulverir.iertem Alurainiuranilikat (T?25 ηιοίϊΐι) cluro.1i

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Vorpressen mit 700 kg/cni Druck in einer oxydierenden Atmosphäre und Erhitzen auf 1200° C über 8 Stunden hergestellt _β Das sieh ergehende Scheibchen besteht aus einem undurchlässigen,, maschinell bearbeitbaren Metall-Kerasiils~"\T©rbunäwerkstoff_e Es wurde nicht angegriffene wenn es während 500 Stunden in ©in 650° C heißes LiEfaCO^-Bad eingetaucht wurde, und ee war auch unempfindlich gegen 10 Sezaperatursehocfc-Befeandlungen, bei denen es jedesmal auf ea₀ 60O⁰O erhitzt tinfl dann in kaltes Wasser geworfen wurde_o Der spezifische Widerstand d©8 Scheibchena betrug unfähr 0 5 2 Ohia <, ca bei

Beispiel Il

Ein Sehsibehen mit 3*2 cm Durchmesser und ©in©r Dicke von 3_e4 mm wurde aus einem Gemisch aus 95 Gewichtsprozent pulver-isiertem Aluminium (X200 mesh) und 5 öewiciitsprozent pulverisierten- Alumiaiumsilikat (X325 meeh) durch Vorpressen mit 700 Ir^/cm Brück in einer oxydierenden Atmosphäre und L auf 12OQ⁰O IVber 8 Stunden hergestellt. Bas sich

ergebend© Se&eibohess. wi©a di«r gleichen Eigenschaften auf» gesigS dem Beispial 1 hergeötelltö Sc]iQibehoa._tt

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Beispiel III

Bin in gleicher Weise aus 92 Gewichtsprozent pulverisiertem Aluminium und 8 Gewichtsprozent pulverisiertem Aluminium-Silikat hergestelltes Scheibchen wies ebenfalls die Eigenschaften der Scheibchen nach den Be&pielen I und II auf*

Beispiel I?

Ein in gleicher Weise aus 90 Gewichtsprozent pulverisiertem Aluminium und 10 Gewientsprosent pulverisiertem Aluminiumsilikat hergestelltes_s gleich großes Scheibchen wies dieselba Beständigkeit in dem Salzbad und gegenüber den femperaturschockbehandlungen auf, jedoch lag sein spezifischer Widerstand über 0,1 Megaohm.cm bei Raumtemperatur· Entsprechende Scheibchen wurden durch Erhitzen auf Temperaturen zwischen 1000° und 1400⁰C über einen Zeitraum von 4 Stunden hergestellt; auch diese Scheibchen zeigten die vorotehend aufgeführten Eigens cha ften·

Beispiel V

Ein Scheibchen mit 3/2 cm Durchmeaosr und einer Dick© von 3_S4 mm wurde aus oineii» Gemisch aus 86 Gewichteprozent pulverisiertem Aluminium (X200 jneah) und 14 Gewichtsprozent Aluminiujasililcat (X325 mash) durch Vsrproöaen bei einen t)ruok von 700 Kg/cm in einer oxydisrenden Atmosphäre tmd -Erhitzen auf 1200⁰C Über 8 Stunden hergestellt. Auch hier

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ergab sich wieder ein Scheibehen, das undurchlässig v/ar und sich maschinell bearbeiten ließe Es wurde nicht angegriffen» wenn es während 500 Stunden in ein 650⁰C heißes I»iBaC0~~Bacl eingetaucht wurde ₉ und es *far ebenfalls unempfindlich gegen 10 iüemperatursehockbehandlungenj bei denen es jedesmal auf ca, 60O⁰C erhitzt und dann in kaltes Wasser geworfen wurde. Der spezifische Widerstand des Scheibchens betrug ungefähr 0,2 ohm„cm bei Raumtemperatur*

Beispiel VI

Ein in der in Beispiel Y beschriebenen Weise aus 80 Gexvichtsproζeir'c pulverisiertem Aluminium und 20 Gewichtsprozent pulvere!siebtem Aluminiumsilikat hergestelltes Scheibclien wies ebenfalls die.Eigenschaften des gemäß Beispiel 1 hergestellten

• Scheibchens auf«:

«jedes dieser Yerbundwerkßtoff-Scheibchen der vorstehend bes chriebenen A.uaführungsbeloplele war außerordentlich dauorhafc und nicht brüchig, Pa der Verbundwerkstoff in einer oxydierenden Atmosphäre gebildet wurde ₉ ist die genaue · Zusammensetzung des Endproduktes nicht bekannt. Ein Teil des Aluminiumpulvers \irirde sicherlich au Tonerde ( Al„0,) oder einem andorea AlvirniniuRoxyd oxydiert, und diene Oxyae beeinflußaen die "Ei5;en/i3liF:f ban des Verbundwe3?kßtoffeo« Je-lsiü Fachmsnn irr'j <5-r? na-Vlrli'ih -:iuoh kl;:·.:?,, daß πιαοι·;; Alumiiiiuinsilikate ' *

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verwendet werden können₉ beispielsweise AlgSi„0^ und AlgSiOc-, um das gewünschte Verhältnis zwischen Aluminiumoxyd, Aluminium und Aluminiumsilikat im Endprodukt au erzielen«.

Eine Vorrichtung, in der sich die Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes als besonders vorteilhaft erwiesen hat, ist eine Brennstoffzelle_p wie sie in der Zeichnung dargestellt wurde. Diese Brennstoffzelle weist ein Gehäuse 10 auf_P das mit av/ei genuteten Abstandshaltern

mindestens 11 und 12 verbunden ist. Jeder dieser Abstandshalter hat/swei

Kanäle oder Muten 15* clie ο ich längo der eir-ion Oberfläche des Abatandfihalters erstrecken,und diese Oberflächen der

Iß beiden Abstandshalter eind einander sugekehr*«· diese Hüten Bind ,-jeweils avrei, Durchlässe aufweisende Elektroden 13 und 14 eingesetzt. ö.ie durch die llrfc-an iai Abstand imd parallel aneinander gehalten v/erden» Dev Zwischenraum zwischen den Elektroden ißt mxt einem geschmolzenen, anorganicchen Elektrolyten 16» beispielsweise mit LiRaCO, gefüllt«. Typisch füiyfeine solche Brennstoffsello iat ο ine Betriebetemperatur * zwischen 500° und 600⁰C«

Bei dem dargestelltem Auafülirungsbeispiol sind ciie inneren

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RL3ltt3.*oöeii /die ?5.cemistoffelektroden mit¹. ä±e, äußeren

Elektroden 15 dio Oxydationsclektrodoit. Im Betrieb weröon

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Luft und Kohlendioxyd sv/isehen den Oxydationselelctroden 13 und dea Gehäuse 10 hindurchgeleitet_e während durch den Raum zwischen den Brennstoffelektroden 14 ein Wasserstoff enthaltendes Gas strömt. Die Abstandshalter 11 und 12 sind dem Angriff des geschmolzenen,, anorganischen Salses bei einer temperatur bis zu 65O°C ausgesetzt.^ und unter diesen Umständen müssen die Abstandshalter aber noch, gasundurchlässig sein_s um Leclt^erluste in den Brennstoff- imd Oxydatlons· raittellcaiBatern su verhindern; ferner müssen aie bei diesen Teaiperaturen die Elektroden noch elektrisch voneinander trennen* ■ .

Dar erfindungsgemäße Metall-Keraiaik-Yerbundwerkstoff genügt allen Anforderungen₉ die'en die Abstandshaltex* in eine? i3olcb.ön Breanstöffaelle gestellt werden Esüsoen* Der Terbundx/erkstoff ist. gegenüber Semperatursohoclsa und gegenüber dem Korrosionsangriff durch das gescluaolseaeä, anorganische Sals bestgjidigf nnä au3es?dos hatte ©reinen außerordentlich hone spezifischen Widerstand« Ferner läßt eich der Verbund« v/er'fi-ßtoff maachinell bearbeiten» so daß die !Tuten 13 leicht gebildet v/erden

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Claims (1)

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   AO

   Patentansprüche :

   1. Keramik-Metall~Verbmidwerkstoff, gekennzeichnet durch

   80 bis 98 Gewichtsprozent Aluminium und 20 bia 2 Gewichtsprozen * eines Aluminiumsilibats.

   2· Isolierkörper aus einem Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen speziflochen Widerstand von 0„1 MJfc.cm.

   3. Verfahren sur Herstellung eines Verbundworkßtoffea nach Anspruch 1, bei dem ein Gemicch aus einem Metall und einem keramischen Y/erkstoff unter Druck gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß 80 bis 98 Gewichtsprozent reines Aluminium und 20 bis 2 Gewichtsprozent eines Aluminiumsilikats miteinander vermischt werden.

   4» Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet daß das Gemisch in einer oxydierenden Atmoaphäre erhitst wird.

   5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4» dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch bei einem Druck von 700 kg/cm' erhitzt wird«

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   6· Verfahren nach eiroani oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5» dadurch gekeimFeichnot» daß das Gemisch auf eine Temperatur av/ischen 1000° und 1400⁰G erhitzt wird*

   Ί „ Verfahren naoii öen Ansprüchen 5 und 6₅ dadurch gekennz ο lohnet, daß das GemiDch swischen 4 und 8 Stunden erhitzt und unter Brück gehalten wirdc

   8ο Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bia 7₅ dadurch gekennzeichnet, daß da© Aluniiniuxnsilxkat O₃(SiO₂)₂ .2H₂O ist.

   BAD ORiGINAU

   C ff V? 8 1 V / 0 Ί 0 7

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