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Charakterisierung nichtoxidischer Struktur- und Funktionskeramiken hergestellt mittels direktem Tintenstrahldruckverfahren

Benjamin Cappi

ISBN 10: 3832293620 / ISBN 13: 9783832293628
Published by Shaker Verlag Sep 2010, 2010
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Neuware - Das direkte Tintenstrahldruckverfahren, im Englischen als Direct Inkjet Printing (DIP) bezeichnet, ist ein computergestütztes Verfahren zur Herstellung dünner Schichten sowie mikroskalierter 3D- Komponenten. Dieses im keramischen Bereich neuartige Formgebungsverfahren bietet das Potential, Grünkörper mit komplizierten Geometrien bei gleichzeitig hoher Abbildungsgenauigkeit durch den schichtweisen Aufbau in nur einem Prozessschritt zu realisieren. Das Ziel dieser Arbeit war es, struktur- und funktionskeramische Elemente aus Siliziumnitrid (Si3N4) und Molybdändisilizid (MoSi2) als nichtoxidische Modellwerkstoffe aus dem Bereich der Hochleistungs- bzw. Funktionskeramik über das direkte Tintenstrahldruckverfahren herzustellen und umfassend werkstofftechnisch zu untersuchen. Dazu wurden Volumenproben mit definierten Abmaßen und geometrisch komplizierten Strukturen, Multilagen-Werkstoffe sowie Dünnschichten mit äußerst geringen Schichtdicken hergestellt und hinsichtlich struktureller, mechanischer und elektrischer Eigenschaften bewertet. Abschließend wurden die ermittelten werkstofftechnischen Kennwerte denen kommerzieller Formgebungsverfahren gegenübergestellt und diskutiert. Im Zuge dieser Arbeit wurden in einem ersten Schritt wässrige keramische Suspensionen aus Si3N4 und MoSi2 mit hohem Feststoffgehalt maßgeschneidert, um im Anschluss keramische Schichten sowie 3D-Körper über dieses Druckverfahren herzustellen. Dazu war es notwendig, die für dieses Verfahren erforderlichen Partikelgrößen (d90 < 1 µm) einzustellen und die Suspensionen in wässrigem Medium zu stabilisieren. Anschließend wurden Si3N4- bzw. MoSi2-Pulvermischungen mit organischen Additiven dispergiert, um die Ausgangssuspensionen hinsichtlich der geforderten physikalischen Eigenschaften an das Drucksystem anzupassen. Untersuchte Parameter waren hierbei hauptsächlich Viskosität, Oberflächenspannung und Zeta-Potential. Die Berechnung der Ohnesorge-Zahl der unterschiedlichen keramischen Tinten belegte die optimale Einstellung der Suspensionen. Fehlerfreie dünne Schichten und mikroskalige 3D-Komponenten konnten im darauf folgenden Druckprozess generiert werden. Dies wurde erfolgreich am Aufbau von Prototypbauteilen, wie z. B. Zahnrädern aus Si3N4 oder Heizleiterstrukturen aus MoSi2 gezeigt, die im Anschluss drucklos gesintert wurden. Es konnten komplexe Strukturen mit hoher Abbildungsgenauigkeit realisiert werden. Die Untersuchung der strukturellen Eigenschaften von Volumenproben und Schichten machte die Erzeugung homogener Gefüge mit geringem Anteil an Restporosität deutlich. Darüber hinaus wurden die mechanischen Eigenschaften (charakteristische Festigkeit, Weibullmodul, Risszähigkeit, Härte) der gedruckten Si3N4-und MoSi2-Volumenproben untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass dichte Strukturen mit hohen charakteristischen Festigkeiten bei der Verwendung optimal eingestellter Ausgangssuspensionen hergestellt werden konnten. Obwohl die mechanische Werkstoffanalyse viel versprechende mechanische Eigenschaften aufzeigte, konnten bei beiden Werkstoffen nur unzureichende Weibullmoduli ermittelt werden. Die in fraktografischen Untersuchungen gefundenen Versagensursachen waren überwiegend auf den Formgebungsprozess zurückzuführen. Die Druckversuche zeigen, dass Delaminationen und andere Defekte aus dem Druckprozess, wie Fehlstellen aufgrund verstopfter Düsen, zwar an einigen fehlerhaften Proben festgestellt werden konnten, jedoch bei optimaler Suspensionszusammensetzung bzw. optimaler Einstellung der Druckparameter vermieden werden konnten. Im letzten Schritt wurden Si3N4/MoSi2-Multilayer gedruckt sowie dünne Grünschichten aus MoSi2-basierten Werkstoffen auf keramische Substrate appliziert und im Anschluss drucklos cogesintert. Die Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von Si3N4 und MoSi2-basierten Werkstoffen verdeutlicht die erfolgreiche Herstellung funktionskeramischer Komponenten. 173 pp. Deutsch. Bookseller Inventory # 9783832293628

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Title: Charakterisierung nichtoxidischer Struktur- ...

Publisher: Shaker Verlag Sep 2010

Publication Date: 2010

Binding: Buch

Book Condition:Neu

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