DE4214594A1 - Verbundkoerper, bestehend aus geometrisch bestimmten segmenten eines elektrisch isolierenden und eines elektrisch leitenden werkstoffes - Google Patents
Verbundkoerper, bestehend aus geometrisch bestimmten segmenten eines elektrisch isolierenden und eines elektrisch leitenden werkstoffesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbundkörper, bestehend
aus geometrisch bestimmten Segmenten eines elektrisch
isolierenden und eines elektrisch leitenden Werkstoffes,
insbesondere zum Einsatz im Automobilbau, der Sensortechnik und
im Apparatebau etc. Eine Anwendung des Verbundkörpers in der
Sensortechnik betrifft einen neuartigen Leitfähigkeitssensor.
In der Umwelt- und Meeresforschung werden neben Druck- und
Temperatursensoren auch Leitfähigkeitsensoren eingesetzt. Diese
müssen extrem genau sein, damit die z. T. geringfügigen
Änderungen im Mikrobereich, die aber bereits globale
Veränderungen andeuten (JAMSTEC: "Annual Report 1989", Japan
Marine Science and Technology Center, 2-15, Natsushima- Cho,
Yokosuka, 237 Japan), erfaßt werden können. Auf Grund ihrer
Meßfehler sind übliche Leitfähigkeits-Mehrelektroden-Sensoren
auf der Basis von Edelstahl bzw. Graphit und Kunststoffen in
diesem Fall nicht einsetzbar.
Die Mehrzahl der Sensoren wird aufgrund ihrer Konstruktion
(Platin) wiederholt verwendet. Die große Anzahl der notwendigen
Meßpunkte in den Meeren und die langen Tauchtiefen sind mittels
bemannter Forschungsschiffe nur sehr kostenintensiv zu gewinnen.
Wünschenswert sind umweltverträgliche Einweg-Sensoren, die durch
Abwurf vom Flugzeug oder Hubschrauber in Echtzeit bis an den
Meeresboden (Tauchtiefe 1000-6000 m) messen können. Neben der
gesteigerten Meßgenauigkeit, Tauchtiefe und der Schnelligkeit,
mit der in Echtzeit gemessen werden kann, entfällt das zeit- und
kostenaufwendige Einsammeln der Mehrweg-Sensoren. Der
Leitfähigkeitssensor stellt eine bestimmte Abfolge von
ringförmigen Elektroden dar. Durch die Aneinanderreihung der
Ringe entsteht ein Rohr, durch das beim Tauchen des
Sensorträgers das Wasser strömt (DE-OS 34 33 687 v. 20.3.1986,
DE-OS 34 27 050 v. 30.1.1986, DE-OS 32 38 956 v. 26.4.1984).
An die Verbundkörper werden immer größere Forderungen bezüglich
der Einhaltung von engen Toleranzen für definierte
Eigenschaftszusammenstellungen gestellt. Herkömmliche Metall-
Keramik- oder Metall-Glas-Verbunde können z. B. hinsichtlich
ihrer Isolator/Leitfähigkeit-Eigenschaft für Elektrizität und
Wärme befriedigen, aber hinsichtlich gleicher Bearbeitbarkeit
für Präzisionsanwendungen nicht. Die erheblich unterschiedlichen
werkstofftechnischen Strukturen weisen stark unterschiedliche
Bearbeitungseigenschaften auf. Die auf löttechnischer Basis
hergestellten Verbundkörper können auch deshalb nicht eingesetzt
werden, weil der möglichst scharfe, spaltlose Übergang von
Leiter zu Isolator an der Innenwand nicht optimal ist. Je besser
die Oberflächenqualität der inneren Wandung des rohrförmigen
Sensors und die Reproduzierbarkeit der Ring- und Rohrgeometrie,
desto genauer ist der Sensor (Zell-Konstante k und
Feldhomogenität).
Die meist metallischen Lote "verschmieren" den Übergang, da der
Abtrag bei der Feinstbearbeitung auf dem Metall und der Keramik
oder dem Glas unterschiedlich ist und zur Stufenbildung führt.
Ähnlich ist es beim Kleben. Außerdem gibt es nur eine kleine
Zahl in diesem Fall anwendbarer Klebstoffe (Epoxid-Harze).
Auch die bekannten durch Schmelzschweißverfahren (z. B. Laser-
oder Elektronenstrahlschweißen) hergestellten Verbundkörper
scheiden auf Grund der strukturellen und anderen physikalisch-
chemischen Unterschiede der Werkstoffe (z. B. erheblich
abweichende Schmelzpunkte) aus.
Die Festigkeit von Metall-Keramik- und von Metall-Glas-Verbunden
hängt selbst bei gut wärmedehnungsangepaßten Werkstoffen
hauptsächlich von der Unversehrheit der Glas- und der
Keramikoberfläche in unmittelbarer Nähe der Verbindungszonen ab.
Eine nachträgliche abrasive Bearbeitung (Schleifen, Läppen,
Polieren) führt unweigerlich zu Mikrorissen und damit zu
Festigkeitsverlusten.
Nur eine Abätzung der Tiefenrißzonen mit Flußsäure (in Gegenwart
des Metall-Glas-Verbund praktisch unmöglich) oder eine
Feuerpolitur (Schließen/Umschmelzen der Rißzonen infolge der
Oberflächenspannung) kann dies verhindern. In beiden Fällen ist
die erreichte Präzision bei der Bearbeitung aber verloren.
Letztlich sind als elektrisch leitfähige Materialien Cermets
bekannt, jedoch gibt es zum Fügen (Verbinden) von Cermets mit
anderen Werkstoffen bisher nur wenige Angaben. Durch die
Verwendung von Cermets als Schneidstoff ist bekannt, daß Cermets
durch Silber- und Kupferlote mit den metallischen
Werkzeugmaterialien verbunden werden können (VDI-Berichte
Nr. 432, 1982, S. 156). Außerdem wird über die Verwendung von
Ag Ti-Aktivloten zum Löten von Cermets berichtet (Metall
43(1989)8, S. 746). Die Verwendung von sinternden
Zwischenschichten aus anorganisch-nichtmetallischen Stoffen zum
Verbinden von Aluminiumoxid mit Cermets ist ebenfalls bekannt
(EP A1 0009352 v. 4.9.1979). Weiterhin ist die Benutzung von
Cermet-Schichten zum Fügen bzw. zum Beschichten von Keramiken
oder Metallen bekannt (EP A2 0367434 v. 13.10.1989). Alle
genannten Zwischenschichten zum Fügen von Cermets mit Keramiken
bzw. Metallen haben den Nachteil, daß sie beim Fügen, Schmelzen
oder Sintern und nach der Verbindungsbildung noch eine endliche
Ausdehnung besitzen, die im Bereich von einigen µm bis zu
Zehntelmillimetern liegen kann. Bei dem herzustellenden
Verbundkörper geht es aber um eine Reproduzierbarkeit der
Geometrie im Bereich von 1 µm und weniger. Eine derartige
Reproduzierbarkeit ist mit den oben genannten Fügeverfahren
nicht erreichbar.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verbundkörpers,
bestehend aus einem oder mehreren geometrisch bestimmten
Segmenten oder Schichten eines elektrisch isolierenden und eines
elektrisch leitenden Werkstoffes, der im Verbund eine sehr hohe
geometrische Reproduzierbarkeit < 1 µm besitzt und bei dem die
Werkstoffe stoffschlüssig verbunden sind, daß gleiche bzw. fast
gleiche Bearbeitungseigenschaften besonders im Übergangsbereich
der Werkstoffe garantiert werden und bei dem die Werkstoffe eine
für das Fügen notwendigerweise gleiche oder fast gleiche lineare
Wärmedehnung aufweisen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die ohne
Klebstoff und Lot und ohne Schmelzen der Werkstoffe nur durch
eine Festkörperreaktion stoffschlüssig verbundenen Segmente des
Verbundkörpers aus elektrisch isolierender Keramik, z. B. Oxid-
bzw. Nichtoxidkeramik, und aus elektrisch leitendem Metall-
Keramik-Werkstoff, z. B. Cermet oder Hartmetall, bestehen, wobei
die Segmente, die kleine zusätzliche mechanische Verankerungen,
z. B. eine formbedingte Verzahnung, aufweisen können, ohne
Klebstoff und Lot und ohne Schmelzen der Werkstoffe nur durch
eine Festkörperreaktion stoffschlüssig bei Fügetemperaturen von
600-1350°C, einem Fügedruck von 0,01-35 MPa, einer Haltezeit
der Temperatur von 5 - ca. 60 Minuten in einer Schutzgas- oder
Vakuum-Atmosphäre mit weniger als 10-2 Torr verbunden sind.
Dabei kann zwischen den Segmenten eine aktivierende
Zwischenschicht, z. B. aus Titan, Zirkonium, Kupfer, Aluminium,
Nickel oder Chrom, angeordnet sein.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt einen Verbundkörper, als Vierelektrodenmeßzelle,
bestehend aus vier Segmenten 1 eines elektrisch leitenden
Metall-Keramik-Werkstoffs, z. B. Cermet oder Hartmetall, und
drei Segmenten 2 eines elektrisch isolierenden Werkstoffs. z. B.
Aluminiumoxidkeramik. Als elektrisch leitende Werkstoffe wurden
die für den Bereich der Schneidstoffe entwickelten und zu
größten Teilen aus den Hartstoffen Wolframkarbid, Titankarbid,
Titankarbonitrid, Chromkarbid und anderen Zusatzkarbiden
bestehenden Cermets eingesetzt. Die elektrische Leitfähigkeit
der Werkstoffe wird durch die geringen Mengenanteile der
metallischen Binder (Kobald, Nickel/Molybdän, Nickel/Chrom)
bewirkt. Die großen Anteile (in der Regel größer 80%) an
Hartstoffen erfordern die Bearbeitung durch Diamantwerkzeuge
und gewährleisten der Keramik ähnliche
Bearbeitungseigenschaften. Durch die Variation der
unterschiedlichen Hartstoffkomponenten und Binder lassen sich
Festigkeit, Härte, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit
und Wärmedehnung in weiten Grenzen beeinflussen (Seminar
"Hartmetalle und keramische Werkstoffe als Konstruktionsbauteil"
Krupp Widia GmbH, S. 2-38).
Durch Variation der Zusammensetzung werden auch die
Bearbeitungseigenschaften beeinflußt. Damit kann bei
gleichzeitiger Verwendung verschiedener Keramiken, z. B. Oxid-
bzw. Nichtoxidkeramiken als Isolatorwerkstoffe, für die
genannten Verbundkörper bei der Bearbeitung eine Stufenbildung
vermieden werden, da auch für die Bearbeitung von Keramiken
Diamantwerkzeuge notwendig sind. Durch die vielen Möglichkeiten
bei der Variation der Zusammensetzung von Cermets ist z.Z. eine
Anpassung des Ausdehnungsverhaltens an Oxid- bzw.
Nichtoxidkeramiken im Bereich von ca. (5-11) 10-6 K-1 möglich.
Die Anpassung des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
hat vor allem Bedeutung zur Vermeidung von inneren Spannungen.
Durch diese Spannungen können Teile beim Fügen, nach dem Fügen
und noch nach längerer Zeit, z. B. bei der Anwendung oder
Lagerung, zerstört werden.
Der erfindungsgemäße Verbundkörper kann aus mehreren beliebigen
unterschiedlichen Platten, Segmenten oder Ringen aufgebaut
werden. Die Fügeflächen der z. B. ringförmigen Segmente 1 und 2
wurden vor dem Fügen einer Feinbearbeitung durch
Diamantschleifen, Läppen und Polieren unterzogen. Alle zu
fügenden Teile wurden vor dem Fügen in eine geometrische
definierte Form in den entsprechenden Toleranzen gebracht. Somit
lassen sich exakt bemessene Verbunde konstruieren und
herstellen. Vor dem Einbringen in eine Fügevorrichtung wurden
die Segmente 1 und 2 mit organischen Lösungsmitteln in einem
Ultraschallbad 15 Minuten gereinigt. Das Fügen erfolgte bei
Temperaturen um 1050°C, einem Fügedruck (Preßdruck) von
0,02 MPa und einer Haltezeit der Temperatur von 30 Minuten in
einer Wasserstoff-Atmosphäre. Es ist auch möglich, daß nach der
Reinigung der Segmente 1 und 2 eine Beschichtung bzw. Dotierung
der Fügeflächen der ringförmigen Segmente 1 und/oder 2 mit
aktivierenden Stoffen 3, z. B. Kupfer, Titan, Zirkonium,
Aluminium, Nickel oder Chrom in µm-Bereich erfolgt. Verwendet
man zur Aktivierung der Fügeflächen sehr dünne metallische
Schichten, so sind diese nach dem Füge-Prozeß kaum mehr
nachweisbar, so daß hierdurch die Genauigkeit der Verbindung und
die nachfolgende Bearbeitung nicht nachteilig beeinflußt werden
kann.
Zur Erhöhung der Belastbarkeit des Verbundes können die Segmente
1 und 2 kleine zusätzliche mechanische Verankerungen, z. B. eine
formbedingte Verzahnung, aufweisen.
Auf Grund der nahezu gleichen Bearbeitungseigenschaften der
Werkstoffe der Segmente 1 und 2 des erfindungsgemäßen
Verbundkörpers ist eine etwaige nachträglich erforderliche
Bearbeitung unproblematisch und mit höchster Präzision
ausführbar. Auch bei Verwendung interferometrischer
Oberflächenmeßmethoden zur Untersuchung der polierten Oberfläche
derartiger Verbindungszonen konnte keine Absatzbildung
festgestellt werden. Die erreichte Verformung wurde während des
Fügevorganges gemessen und betrug weniger als 1 µm bezogen auf
die Ausgangsdicke der Fügeteile. Im Ergebnis der Versuche wurden
hochvakuumdichte Verbindungen erzielt. Die Verwendung angepaßter
Werkstoffe und die Herstellung eines entsprechenden Verbundes
stellen einen erheblichen Fortschritt für die erreichbare
Bearbeitunspräzision einer so hergestellten Baugruppe aus einem
Isolator und einem elektrisch leitenden Werkstoff dar. Bei
gleicher Bearbeitbarkeit von Werkstoffen können somit aus diesen
Werkstoffen gefügte Baugruppen mit der für die Feinstbearbeitung
(Schleifen, Läppen, Polieren) üblichen Präzision ohne
Stufenbildung bearbeitet werden.
Claims (6)
1. Verbundkörper, bestehend aus geometrisch bestimmten Segmenten
eines elektrisch isolierenden und eines elektrisch leitenden
Werkstoffes, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch
isolierende Werkstoff Keramik und der elektrisch leitende
Werkstoff Metall-Keramik ist, wobei die Segmente (1, 2) ohne
Klebstoff und Lot und ohne Schmelzen der Werkstoffe nur durch
eine Festkörperreaktion stoffschlüssig bei Fügetemperaturen von
600-1350°C, einem Fügedruck von 0,01-35 MPa, einer Haltezeit
der Temperatur von 5 - ca. 60 Minuten in einer Schutzgas- oder
Vakuum-Atmosphäre (weniger als 10-2 Torr) verbunden sind.
2. Verbundkörper, bestehend aus geometrisch bestimmten Segmenten
eines elektrisch isolierenden und eines elektrisch leitenden
Werkstoffes, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch
isolierende Werkstoff Keramik und der elektrisch leitende
Werkstoff Metall-Keramik ist, wobei die Segmente (1, 2) ohne
Klebstoff und Lot und ohne Schmelzen der Werkstoffe nur durch
eine Festkörperreaktion stoffschlüssig bei Fügetemperaturen von
600-1350°C, einem Fügedruck von 0,01-35 MPa, einer Haltezeit
der Temperatur von 5 - ca. 60 Minuten in einer Schutzgas- oder
Vakuum-Atmosphäre (weniger als 10-2 Torr) verbunden sind und daß
zwischen den Segmenten (1, 2) eine aktivierende Zwischenschicht
(3) angeordnet ist.
3. Verbundkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erhöhung der Belastbarkeit des Verbundes die Segmente
(1, 2) kleine zusätzliche mechanische Verankerungen, z. B. eine
formbedingte Verzahnung, aufweisen.
4. Verbundkörper nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenschicht (3) aus Titan, Zirkonium, Kupfer,
Aluminium, Nickel oder Chrom besteht.
5. Verbundkörper nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4
dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Keramik
hauptsächlich aus Oxid- bzw. Nichtoxidkeramiken besteht.
6. Verbundkörper nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5
dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Metall-
Keramik-Werkstoff Cermet oder Hartmetall ist.
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| DE19924214594 DE4214594C2 (de) | 1992-05-03 | 1992-05-03 | Verfahren zur Herstellung eines Sensors, der die Erzeugung geometrisch sehr genau abgegrenzter elektrischer Felder erlaubt, und Sensor |
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