DE10055082A1

DE10055082A1 - Keramischer Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE10055082A1
Application number: DE10055082A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Aichele; Wolfgang Dressler; Christof Rau; Volker Knoblauch; Alexander Klonczynski; Horst Boeder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-11-07
Filing date: 2000-11-07
Publication date: 2002-05-16
Also published as: US6777361B2; WO2002038520A3; KR100824220B1; WO2002038520A2; US20030092557A1; KR20020092934A; JP2004513057A; EP1339652A2

Abstract

Es wird ein keramischer Verbundwerkstoff, insbesondere ein keramischer Formkörper oder eine Schicht, vorgeschlagen, der durch Pyrolyse einer Ausgangsmischung erhalten wurde, die mindestens ein polymeres Precursormaterial und mindestens einen Füllstoff enthielt, der eine mittlere Teilchengröße von weniger als 200 nm aufwies. Ein derartiger Verbundwerkstoff eignet sich insbesondere zur Herstellung von Fasern, Filtern, Katalysatorträgermaterialien, keramischen Glühstiftkerzen, metallhaltigen Reaktionsverbundwerkstoffen, porösen Schutzhüllen für Sensoren oder als Leichtbauwerkstoff.

Description

Die Erfindung betrifft einen keramischen Verbundwerkstoff, insbesondere einen keramischen Formkörper oder eine Schicht, sowie dessen Verwendung, nach der Gattung des Hauptanspru ches.

Stand der Technik

Aus EP 0 412 428 B1 ist ein keramischer Verbundkörper und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt, wobei ein sili ziumorganisches Polymer als Precursor-Material zusammen mit Einlagerungen von Hartstoffteilchen und/oder anderen Ver stärkungskomponenten sowie einem metallischen Füllstoff ei ner Pyrolyse unterworfen wird. Bei der Pyrolyse reagieren dabei die aus den Polymerverbindungen entstehenden Zerset zungsprodukte mit dem metallischen Füllstoff, so dass man schließlich einen keramischen Verbundkörper mit einer Matrix erhält, in die die Hartstoffteilchen und/oder die Verstär kungskomponenten eingebettet sind.

Als Hartstoffteilchen bzw. Verstärkungskomponenten gemäß EP 0 412 428 B1 kommen insbesondere Carbide oder Nitride von Titan, Zirkonium oder anderen Übergangsmetallen in Frage, wobei die typischen Teilchengrößen der eingesetzten Pulver partikel von ca. 1 µm bis ca. 300 µm reichen.

Die sich aus dem siliziumorganischen Polymer nach der Pyro lyse bildende Matrix ist weiter eine ein- oder mehrphasige, amorphe, teilkristalline oder kristalline Matrix aus Silizi umcarbid, Siliziumnitrid, Siliziumdioxid oder Mischungen da von.

Neben mikroskaligen Pulverwerkstoffen sind in jüngerer Zeit zunehmend auch nanoskalige Pulverwerkstoffe, d. h. ein- oder mehrphasige Pulver mit Korngrößen im Nanometerbereich, ver fügbar. Diese zeichnen sich aufgrund der extrem kleinen Kornabmessungen durch einen sehr großen Anteil von Korngren zen bzw. Phasengrenzen pro Volumen aus. Weiter unterscheiden sich die physikalischen, chemischen und mechanischen Eigen schaften derartiger nanoskaliger Pulver wesentlich vom Ver halten konventioneller, grobkörniger Materialien bei glei cher chemischer Zusammensetzung. Dies äußert sich insbeson dere in einer höheren Härte, einer gesteigerten Diffusivität und einer erhöhten spezifischen Wärme.

Die Herstellung nanoskaliger Pulverwerkstoffe erfolgt meist über Flammpyrolyse, Gaskondensation, Sprühkonversion oder Kristallisation amorpher Substanzen, wobei die industrielle Herstellung bei Zirkoniumdioxid, Siliziumdioxid, Titandioxid und Aluminiumoxid am Weitesten fortgeschritten ist.

Die Eigenschaften von keramischen Verbundwerkstoffen mit mi kroskaligen Füllstoffen werden bisher stark von den Eigen schaften der Füllstoffe bestimmt. So kann es bei unter schiedlichen Eigenschaften von Matrix und Füllstoffen, bei spielsweise unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten oder elektrischen Leitfähigkeiten, zu lokalen Spannungsspit zen oder Rissbildungen in dem Verbundwerkstoff kommen, was letztlich zu einer erhöhten Ausfallrate derartiger Bauteile führt.

Werden andererseits sogenannte reaktive, mikroskalige Füll stoffe gemäß EP 0 412 428 B1 eingesetzt, deren Wirkung auf der Reaktion der Füllstoffe mit der umgebenden Matrix be ruht, wird in der Regel nur eine unvollständige reaktive Um setzung des Füllstoffes im Randbereich der Füllstoffkörner erzielt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung eines keramischen Verbundwerkstoffes, der insbesondere zur Herstellung von keramischen Formkörpern oder Schichten ge eignet ist, und bei dem das elektrische und physikalische Eigenschaftsprofil in einfacher und gleichzeitig zuverlässi ger Weise einstellbar ist. Insbesondere war es auch Aufgabe, einen keramischen Verbundwerkstoff bereitzustellen, dessen elektrische Eigenschaften, Porosität, Hochtemperaturstabili tät, mechanische Festigkeit bzw. Bruchzähigkeit und Homoge nität gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbessert sind.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße keramische Verbundwerkstoff hat gegen über dem Stand der Technik den Vorteil, dass das elektrische und physikalische Eigenschaftsprofil des nach der Pyrolyse erhaltenen keramischen Verbundwerkstoffes in einfacher Weise an ein für die jeweilige Anwendung vorgegebenes Eigen schaftsprofil angepasst bzw. die Zusammensetzung des Ver bundwerkstoffes für dieses Eigenschaftsprofil maßgeschnei dert werden kann. Insbesondere ermöglicht es die große Aus wahl an in Frage kommenden Füllstoffen, die Eigenschaften des erhaltenen keramischen Verbundwerkstoffes über ein wei tes Spektrum zu variieren oder einzustellen.

Weiterhin hat der erfindungsgemäße keramische Verbundwerk stoff den Vorteil, dass aufgrund der geringen Teilchengröße des eingesetzten reaktiven Füllstoffes die insbesondere zur vollständigen Reaktion benötigten Prozesstemperaturen und Prozesszeiten gegenüber dem Stand der Technik abgesenkt wer den können, so dass bei den bisher erforderlichen Prozess temperaturen bereits flüssige oder flüchtige Füllstoffe bei den nunmehr eingesetzten Pyrolyse- bzw. Sintertemperaturen noch fest und damit einsetzbar sind. Zudem können durch die verringerten Prozesstemperaturen bei höheren Temperaturen ansonsten auftretende, unerwünschte Phasenreaktionen, d. h. Reaktionen zwischen Matrix und dem Füllstoff, vermieden wer den.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verbundwerk stoffes ist auch, dass mit Hilfe der eingesetzten Füllstoffe nunmehr die Porosität des Verbundwerkstoffes definiert ein stellbar ist, wobei die Kombination eines geeigneten nanoskaligen Füllstoffes mit definierten Pyrolysebedingungen sowohl die Herstellung von hochporösen als auch die Herstel lung von dichten Verbundwerkstoffen allein durch Variation der Pyrolysebedingungen bei ansonsten gleichem polymeren Precursor-Material bzw. gleicher Ausgangsmischung erlaubt.

Erfindungsgemäße poröse keramische Verbundwerkstoffe zeigen im Übrigen eine sehr gute Thermowechselbeständigkeit und bieten interessante Anwendungen als Leichtbau-Werkstoff, als poröse Schutzhüllen für Sensoren, als Filter, als Kataly satorträgermaterial oder als Matrix für infiltrierte Reakti onsverbundwerkstoffe, während erfindungsgemäße hochdichte keramische Verbundwerkstoffe eine erhöhte mechanische Fe stigkeit, eine verbesserte Bruchzähigkeit und eine verbes serte Korrosionsbeständigkeit zeigen.

Bei der Herstellung des keramischen Verbundwerkstoffes ist zudem vorteilhaft, dass auf bekannte Formgebungs- und Her stellungsverfahren zurückgegriffen werden kann, so dass auch keramische Fasern, Schichten und Formkörper verschiedener Größe oder komplexer Geometrie ohne Weiteres erhältlich sind, was dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff ein breites Anwendungsspektrum eröffnet. Als vorteilhafte Formgebungs verfahren kommen insbesondere Warmpressen, Spritzguss, Fügen und Faserextrusion in Frage. Hinsichtlich des eingesetzten Herstellungsverfahrens ist besonders die Pyrolyse unter Schutzgas oder die Laserpyrolyse vorteilhaft.

In diesem Zusammenhang sei weiter erwähnt, dass durch die Art und die Menge des eingesetzten nanoskaligen Füllstoffes eine besonders einfache und zuverlässige Kontrolle oder Ein stellbarkeit des Fließverhaltens und der Rieselfähigkeit der Ausgangsmischung gegeben ist. Dies gilt in gleicher Weise auch für die Prozessparameter beim Pulvertransport, beim Kaltpressen, beim Spritzguss, beim Spin-Coating oder beim Dip-Coating.

Im Übrigen lassen sich aufgrund der geringen Größe des Füll stoffes nun auch sehr detailgetreue Abbildungen von Präge-, Guss- oder Spritzgussformen durch Einfüllen der Ausgangsmi schung in eine Form und nachfolgende Pyrolyse herstellen. Diese Abbildungen weisen neben ihrer Detailtreue, die Abfor mungen von Einzelheiten mit Dimensionen unter einem µm er laubt, auch eine hohe Oberflächengüte auf.

Der erfindungsgemäße keramische Verbundwerkstoff hat weiter den Vorteil, dass durch den Einsatz hochdisperser, isolie render Füllstoffe einerseits der elektrische Widerstand des Verbundwerkstoffes deutlich erhöht, und andererseits die Langzeitstabilität dieses elektrischen Widerstandes wesent lich verbessert werden kann. Zudem steigt durch die verbes serte Homogenität und Stabilität der thermischen und elek trischen Eigenschaften des erhaltenen Verbundwerkstoffes dessen Zuverlässigkeit.

Schließlich ist es ein Vorteil des erfindungsgemäßen kerami schen Verbundwerkstoffes, dass gegenüber dem Stand der Tech nik höhere Füllgrade und kürzere Pyrolysezyklen möglich sind, und dass sich das Fließverhalten der eingesetzten po lymeren Precursor-Materialien durch die Zugabe entsprechend ausgewählter Füllstoffe sehr gut regulieren lässt. So sind insbesondere auch über lange Zeiträume stabile und verar beitbare Suspensionen von Ausgangsmischungen herstellbar.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist besonders vorteilhaft, wenn das polymere Precursor- Material ein sauerstoffhaltiger Polysiloxan-Precursor ist, da dieser eine Verarbeitung unter Luft, und damit die Her stellung besonders kostengünstiger Verbundwerkstoffe er laubt. Zudem ist das entstehende Pyrolyseprodukt dann che misch hinsichtlich Oxidation und Korrosion sehr stabil und gleichzeitig gesundheitlich unbedenklich.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass neben den eingesetzen nano skaligen Füllstoffen mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 200 nm gleichzeitig auch weitere Füllstoffe mit höherer Teilchengröße von beispielsweise 1 µm bis 10 µm ein gesetzt werden können. Diese Möglichkeit verbreitert das Spektrum der erreichbaren elektrischen und physikalischen Eigenschaften und damit das Anwendungsspektrum der erhalte nen Verbundwerkstoffe.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Ausgangsmischung neben dem polymeren Precursor-Material an stelle eines konventionellen, mikroskaligen Aluminiumoxid- Füllstoffes nanoskaliges Siliziumdioxid enthält. In diesem Fall wurde beobachtet, dass der elektrische Widerstand des erhaltenen keramischen Verbundwerkstoffes sowohl bei Raum temperatur als auch bei Temperaturen größer 1200°C um mehre re Größenordnungen steigt. Zudem wurde gefunden, dass bei einem weitgehenden oder vollständigen Ersatz von konventio nellem, mikroskaligen Aluminiumoxid-Füllstoff durch nanoska liges Siliziumdioxid die Langzeitstabilität der mechanischen und elektrischen Eigenschaften des schließlich erhaltenen keramischen Verbundwerkstoffes bei Temperaturen oberhalb von 1200°C deutlich verbessert ist. Gleichzeitig wird dadurch eine Erhöhung der zulässigen Aufheizraten bei der Pyrolyse und eine Verkürzung der für eine Formgebung durch Warmpres sen benötigten Zeit erreicht.

Durch die geringe Teilchengröße des eingesetzten Füllstoffes ist weiter eine deutliche Verbesserung der Oberflächengüte von mit dem keramischen Verbundwerkstoff hergestellten Be schichtungen erreichbar, da die auf die Oberfläche eines zu beschichtenden Substrates vor der Pyrolyse aufgetragene Aus gangsmischung nunmehr in alle Oberflächenfehler und Uneben heiten dieses Substrates eindringt, und damit sowohl die Haftung der Beschichtung vergrößert als auch Unebenheiten und Fehler an der Grenzfläche Substrat-Schicht ausgleicht.

Sofern reaktive nanoskalige Füllstoffe eingesetzt werden, ergibt sich in dem keramischen Verbundwerkstoff häufig vor teilhaft eine zumindest nahezu vollständige Umsetzung dieser Füllstoffe mit der umgebenden Matrix bei der Pyrolyse. Dies führt beispielsweise zu einer deutlichen Verkürzung der Py rolysezyklen. Weiter verläuft auch die chemische Reaktion des nanoskaligen Füllstoffes mit dem polymeren Precursor- Material gegenüber mikroskaligen Füllstoffen deutlich schneller.

Schließlich hat der keramische Verbundwerkstoff den Vorteil, dass durch Zugabe eines geeigneten Stabilisators zu der Aus gangsmischung die Herstellung einer stabilen Suspension des polymeren Precursor-Materials mit dem Füllstoff in bei spielsweise einem organischen Lösungsmittel möglich ist. Insbesondere steigt die Beständigkeit einer derartigen Sus pension gegenüber Sedimentation im Vergleich zu ähnlichen Ausgangsmischungen mit mikroskaligen Füllstoffen deutlich, so dass mit solchen Suspensionen durchgeführte Beschich tungsverfahren auf der Basis von Dip-Coating oder Spin- Coating wesentlich erleichtert werden.

Ausführungsbeispiele

In einem Mahltopf werden zunächst auf 1000 g Eisenmahlkugeln 64,4 g pulverförmiges Polymethylsiloxan, 0,6 g eines Kataly sators und 35,6 g nanoskaliges Siliziumdioxid-Pulver vorge legt. Dies entspricht einem Füllgrad von 20 Vol.% Silizium dioxid bezogen auf die Ausgangsmischung aus dem polymeren Precursor-Material Polymethylsiloxan und dem Füllstoff SiO₂. Der Füllstoff Siliziumdioxid weist weiter eine mittlere Teilchengröße von weniger als 200 nm auf. Insbesondere sind die Pulverteilchen in dem erläuterten Beispiel Primärteil chen mit einer mittleren Teilchengröße von 5 nm bis 80 nm oder Aggregate derartiger Primärteilchen, wobei jedoch auch die mittlere Teilchengröße der Aggregate weniger als 200 nm beträgt. Bevorzugt ist der Einsatz eines SiO₂-Pulvers als nanoskaliger Füllstoff, das die Pulverteilchen im Wesentli chen als Primärteilchen mit eiher mittleren Teilchengröße von 10 nm bis 30 nm enthält.

Der zugesetzte Katalysator hat die Aufgabe, die Vernetzung des polymeren Precursor-Materials beim Warmpressen oder son stiger geeigneter Formgebung zu initiieren oder zu beschleu nigen. Dazu eignen sich beispielsweise Katalysatoren wie Aluminium-acetyl-acetonat oder Zirkonium-acetyl-acetonat.

Nach einer Mahldauer der Ausgangsmischung von ca. 5 min wird die erhaltene Pulvermischung mit dem Precursor-Material und dem Füllstoff von den Eisenkugeln getrennt, und mittels ei nes 150 µm-Siebes gesiebt. Danach wird die gesiebte Pulver mischung in eine Pressform eingefüllt, und bei einem Druck von 150 MPa kaltgepresst. Anschließend erfolgt eine Vernet zung der gepressten Pulvermischung bei einer Warmpresstempe ratur von ca. 180°C und einem Druck von ca. 4,8 MPa. Ab schließend wird der erhaltene Formkörper bzw. die geformte Ausgangsmischung dann in einer Argonatmosphäre bei einer Temperatur von ca. 1300°C pyrolisiert, wodurch der gewünsch te keramische Verbundkörper entsteht.

Die nachfolgende Tabelle zeigt Vergleichsversuche zwischen einem keramischen Verbundwerkstoff mit einem Aluminiumoxid- Füllstoff mit einer mittleren Korngröße von ca. 1 µm und ei nem spezifischen elektrischen Widerstand von ca. 10¹⁵ Ωcm, und einem entsprechenden keramischen Verbundwerkstoff, bei dem das mikroskalige Aluminiumoxid-Pulver durch nanoskaliges Siliziumdioxid mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 200 nm und einem spezifischen elektrischen Widerstand von ca. 10⁹ Ωcm ersetzt worden ist. Die Ausgangsmischung der Verbundwerkstoffe gemäß der nachstehenden Tabelle enthielt weiter neben dem polymeren Precursor-Material Polysiloxan zusätzlich noch als Füllstoffe Molybdändisilizid-Pulver und Siliziumcarbid-Pulver. Diese Füllstoffe sind jedoch hin sichtlich Teilchengröße und Anteil jeweils konstant gehalten worden.

Die gemäß der vorstehenden Tabelle durch den Einsatz von nanoskaliger, pyrogener Kieselsäure bzw. SiO₂-Partikeln er reichten, erhöhten spezifischen elektrischen Widerstände blieben im Übrigen auch nach längeren Auslagerungszeiten bei einer Temperatur von 1300°C weitgehend stabil, und lagen in jedem Fall deutlich oberhalb der Werte, die in entsprechen den Verbundwerkstoffen ohne nanoskaligen Füllstoff beobach tet worden sind. Dagegen zeigen Mischungen, bei denen das SiO₂ in Form von Pulvern mit einer mittleren Korngröße von mehr als 1 µm zugegeben wurde, eine hohe Porosität, einen geringeren elektrischen Widerstand und eine ungenügende Hochtemperaturstabilität.

Ein zweites Ausführungsbeispiel geht von der gleichen Aus gangsmischung aus, die bereits in dem ersten Ausführungsbei spiel beschrieben worden ist. Dabei wird jedoch durch Varia tion der Pyrolysezeit und der Endtemperatur bei der Pyrolyse die offene Porosität des erhaltenen keramischen Verbundwerk stoffes eingestellt. Auf diese Weise ist es möglich, bei gleichbleibender Zusammensetzung der Ausgangsmischung, d. h. bei Verwendung von Polysiloxan als polymerem Precursor- Material und Zusatz von nanoskaligem SiO₂, allein über eine Veränderung der Pyrolysezeit und der Endtemperatur bei der Pyrolyse eine offene Porosität zwischen ca. 1% und mehr als 30% zu erhalten. Dies wird anhand der nachfolgenden Tabelle verdeutlicht.

Als weiteres Verfahren zur Herstellung der erläuterten Aus gangsmischung eignet sich neben dem beschriebenen Trocken mahlen der Pulvermischung aus Precursor-Material und Füll stoff in einer Kugelmühle auch eine übliche Nassaufberei tung. In diesem Fall wird zur Homogenisierung des eingesetz ten Füllstoffes zunächst das polymere Precursor-Material, beispielsweise Polysiloxan, mit dem Katalysator in Aceton gelöst und anschließend der nanoskalige Füllstoff darin ein gearbeitet. Danach wird diese Suspension zwei Stunden lang mit Hilfe eines Magnetrührers vermischt und schließlich va kuumgetrocknet. Da bei dieser Vorgehensweise die Ausgangsmi schung nicht erhitzt wird, kommt es auch zu keiner thermi schen Vernetzung des polymeren Precursor-Materials vor dem Warmpressen beziehungsweise der Formgebung.

Eine weitere Möglichkeit den nanoskaligen Füllstoff in das Precursor-Material einzuarbeiten, ist das Mischen von Pre cursor-Material und Füllstoff in einem Heizmischer und ein anschließendes Kneten der erhaltenen granulierten Massen. Dabei ist analog dem Trockenmahlen ein zusätzliches Lösungs mittel nicht erforderlich.

In allen vorgestellten Verfahren zur Herstellung der Aus gangsmischung ist es im Übrigen vorteilhaft, wenn die erhal tenen oder eingesetzten Pulver oder Pulvermischungen vor der Pyrolyse oder vor einem Verpressschritt zunächst mit einem Rüttelsieb von nicht zerstörten bzw. nicht aufgemahlenen Ag glomeraten befreit werden. Die Maschenweite dieses Siebes beträgt bevorzugt 150 µm.

Die Formgebung der Ausgangsmischung vor der Pyrolyse kann weiter neben dem erläuterten Warmpressen auch durch Spritz gießen erfolgen.

Die Pyrolyse der aufbereiteten Ausgangsmischung zu dem kera mischen Verbundwerkstoff erfolgt bevorzugt jeweils in einer Inertgasatmosphäre, wobei je nach Precursor-Material und Füllstoff Endtemperaturen von 800°C bis 1400°C eingesetzt werden.

Nach der Pyrolyse ist somit ein keramischer Verbundwerkstoff er halten worden, bei dem der Füllstoff entweder zumindest teilwei se nanoskalige Einlagerungen in einer im Wesentlichen von dem polymeren Precursor-Material gebildeten Matrix bildet, oder bei dem der Füllstoff in einer Weise mit dem Matrix-Material rea giert hat, dass, unterstützt durch Diffusionsvorgänge, eine Un terscheidung zwischen Füllstoff und Matrix nicht bzw. kaum mehr möglich ist. In diesem Fall bildet sich bei der Pyrolyse aus der Ausgangsmischung mit dem Füllstoff ein weitgehend homogener ke ramischer Verbundwerkstoff, bei dem der Füllstoff beispielsweise mit bei der Pyrolyse frei werdenden Gasen reagiert hat.

Andererseits kann der zunächst in der Ausgangsmischung ein gesetzte Füllstoff bei der Pyrolyse auch thermisch zersetzt worden sein und/oder mit dem Precursor-Material reagiert ha ben, so dass beispielsweise nanoskalige Poren in der Matrix entstanden sind, die zumindest teilweise auf die Pyrolyse des Füllstoffes in der Matrix zurückzuführen sind. Die mitt lere Größe der erzeugten Poren beträgt dabei weitgehend ent sprechend der mittleren Teilchengröße des eingesetzten Füll stoffes weniger als 200 nm, insbesondere 5 nm bis 100 nm.

Als nanoskalige Füllstoffe kommen neben dem in den vorste henden Ausführungsbeispielen erläuterten Siliziumdioxid in gleicher Weise auch andere Oxide, Nitride oder Carbide von Silizium, Aluminium, Titan, Zirkonium, Bor, Wolfram, Vanadi um, Hafnium, Niob, Tantal oder Molybdän, oder eine Mischung davon, beispielsweise als Oxicarbide, Oxinitride, Carboni tride oder Oxicarbonitride, in Frage.

Weiter kann der eingesetzte nanoskalige Füllstoff auch ein metallischer pulverförmiger Füllstoff und/oder ein Gold, Palladium, Platin, Rhodium oder Iridium enthaltender Füll stoff, beispielsweise in Form eines Sols mit darin enthalte nen nanoskaligen Kolloiden, oder eine Suspension mit diesem metallischen Füllstoff sein.

Sofern der zunächst eingesetzte nanoskalige Füllstoff bei der Pyrolyse zur Ausbildung von Poren in dem Verbundwerk stoff zumindest weitgehend zersetzt werden soll, eignet sich als Füllstoff besonders ein organischer Füllstoff wie bei spielsweise nanoskalige Kohlenstoffteilchen bzw. nanoskali ger Ruß oder auch nanoskalige organische Polymere. Mit die sen Füllstoffen lässt sich je nach Anteil des Füllstoffes, Höhe der Pyrolysetemperatur und Dauer der Pyrolysezeit die offene Porosität des schließlich erhaltenen keramischen Ver bundwerkstoffes typischerweise auf Werte zwischen 1% und 50% einstellen.

Als polymere Precursor-Materialien eignen sich im Rahmen der Erfindung eine Vielzahl an sich bekannter Precursor- Materialien wie beispielsweise siliziumorganische Polymer verbindungen, insbesondere Polysiloxane, Polysilane, Poly carbosilane oder Polysilazane, zirkoniumorganische Polymer verbindungen, aluminiumorganische Polymerverbindungen, ti tanorganische Polymerverbindungen, borhaltige polymere Pre cursor-Materialien oder auch Mischungen oder Zwischenverbin dungen dieser Precursor-Materialien.

Zudem kann der Ausgangsmischung je nach Einzelfall auch ein Stabilisator sowie auch ein Lösungsmittel, beispielsweise ein organisches Lösungsmittel wie Aceton oder einen Alkohol oder aber auch Wasser zugesetzt sein. In jedem Fall sollte der Anteil des nanoskaligen Füllstoffes in der Ausgangsmi schung zwischen 2 Vol.% und 50 Vol.% liegen.

Claims

1. Keramischer Verbundwerkstoff, insbesondere kerami scher Formkörper oder Schicht, der durch Pyrolyse einer Aus gangsmischung erhalten worden ist, die mindestens ein poly meres Precursormaterial und mindestens einen Füllstoff ent hielt, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff eine mitt lere Teilchengröße von weniger als 200 nm aufweist.

2. Keramischer Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Matrix mit darin enthaltenen, nanoskaligen Einlagerungen und/oder Poren aufweist.

3. Keramischer Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff nach der Pyrolyse zumin dest teilweise die Einlagerungen in der Matrix bildet und/oder dass die Poren in der Matrix zumindest teilweise durch Pyrolyse des Füllstoffes entstanden sind.

4. Keramischer Verbundwerkstoff nach einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff ein Pulver mit einer mittleren Pulverteilchengröße von weni ger als 200 nm ist, wobei die Pulverteilchen Primärteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 5 nm bis 80 nm oder Aggregate derartiger Primärteilchen sind.

5. Keramischer Verbundwerkstoff nach einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff ein thermisch während der Pyrolyse zersetzbares Material ist, das zumindest teilweise Poren in der Matrix bildet, de ren mittlere Größe weniger als 200 nm, insbesondere 5 nm bis 100 nm beträgt.

6. Keramischer Verbundwerkstoff nach einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff ein Oxid, Nitrid, Borid oder Carbid von Silizium, Aluminium, Titan, Zirkonium, Bor, Wolfram, Vanadium, Hafnium, Niob, Tantal oder Molybdän oder eine Mischung davon in Form von Oxycarbiden, Oxynitriden, Carbonitriden, Oxycarbonitriden ist.

7. Keramischer Verbundwerkstoff nach einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff ein metallischer pulverförmiger Füllstoff und/oder ein Gold teilchen, Palladiumteilchen, Platinteilchen, Rhodiumteilchen oder Iridiumteilchen enthaltender Füllstoff ist.

8. Keramischer Verbundwerkstoff nach einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff ein organischer Füllstoff, insbesondere ein nanoskalige Koh lenstoffteilchen enthaltender Füllstoff ist.

9. Keramischer Verbundwerkstoff nach einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff ein pulverförmiges SiO₂ oder pyrogene Kieselsäure enthalten der Füllstoff ist.

10. Keramischer Verbundwerkstoff nach einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die offene Porosität des Verbundwerkstoffs zwischen 1% und 50% liegt.

11. Keramischer Verbundwerkstoff nach einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Precursormaterial eine siliziumorganische Polymerverbindung, insbesondere ein Polysiloxan, ein Polysilan, ein Polycarbo silan oder ein Polysilazan, eine zirkoniumorganische Poly merverbindung, eine aluminiumorganische Polymerverbindung, eine titanorganische Polymerverbindung, ein borhaltiges po lymeres Precursormaterial oder eine Mischung oder eine Zwi schenverbindung dieser Precursormaterialien ist.

12. Keramischer Verbundwerkstoff nach einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangs mischung ein Stabilisator und/oder ein Lösungsmittel zuge setzt worden ist.

13. Keramischer Verbundwerkstoff nach einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Füllstoffes in der Ausgangsmischung zwischen 2 Vol% und 50 Vol% beträgt.

14. Keramischer Verbundwerkstoff nach einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangs mischung ein vor oder während der Pyrolyse eine Vernetzung des polymeren Precursormaterial bewirkendes oder beschleuni gendes Katalysatormaterial, insbesondere Aluminium-acetyl acetonat oder Zirconium-acetyl-acetonat zugesetzt worden ist.

15. Verwendung eines keramischen Verbundwerkstoffs nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Herstellung von Fa sern, Leichbauwerkstoffen, Filtern, Katalysatorträgermate rialien, keramischen Glühstiftkerzen, metallhaltigen Reakti onsverbundwerkstoffen oder porösen Schutzhüllen für Senso ren.