DE102004021424A1

DE102004021424A1 - Füge- oder Abdichtelement aus einem glasinfiltrierten Keramik- oder Metallkomposit und Verfahren zu seiner Anwendung

Info

Publication number: DE102004021424A1
Application number: DE102004021424A
Authority: DE
Inventors: Jens Adam; Helmut Schmidt
Original assignee: Leibniz Institut fuer Neue Materialien Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Leibniz Institut fuer Neue Materialien Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2005-11-24
Also published as: US20080034795A1; JP2007535460A; EP1740516A1; WO2005105706A1

Abstract

Beschrieben wird ein Füge- oder Abdichtelement aus einem glasinfiltierten Keramik- oder Metallkomposit. Das Füge- oder Abdichtelement dient zum Fügen oder Abdichten von mindestens einem Bauelement. Weiter werden ein Verfahren zum Fügen oder Abdichten von mindestens einem Bauelement mit dem Füge- oder Abdichtelement und die Verwendung der Füge- oder Abdichtelemente beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Füge- oder Abdichtelement aus einem glasinfiltrierten Keramik- oder Metallkomposit, ein Verfahren zur Herstellung des Füge- oder Abdichtelements, das mit mindestens einem Bauelement verbunden ist, sowie die Verwendung dieser Füge- oder Abdichtelemente.
Die Bereitstellung von gasdichten Fügeverbindungen kann mit Anforderungen verknüpft sein, die zu Problemen bei der Realisierung geeigneter Fügeverbindungen führen. Solche Anforderungen können Hochtemperaturbeständigkeit, Gasundurchlässigkeit auch bei erhöhtem Druck, Korrosionsbeständigkeit, Abriebbeständigkeit, chemische Beständigkeit und mechanische Festigkeit beinhalten. Schwierigkeiten können sich auch durch die erforderliche Geometrie ergeben, z.B. bei einer komplexen Geometrie, wenn der zu überbrückende Zwischenraum im Verhältnis zu den Verbindungsflächen relativ groß ist oder wenn die Anordnung der zu verbindenden Flächen bereits vor dem Verbindungsvorgang im Wesentlichen fixiert ist.
Es ist in der Technik bekannt, aus glasbeschichteten Keramikpartikeln, Keramik-Glas-Mischungen oder aus Mischungen aus Keramik mit glasbildenden Oxiden durch Flüssigphasensintern oder viskoses Sintern Werkstoffe aufzubauen.
JP-A-11226370 beschreibt die Herstellung von Hohlfasermembranmodulen, bei denen eine Fügeverbindung aus Glas verwendet wird.
Aus dem Fügebereich sind ferner Kompositglaslote bekannt, die eine Mischung aus Glaslot und Keramikpartikeln darstellen. Die entsprechenden Sinter- oder Fügeschritte sind aber immer mit einer Schrumpfung verbunden, so dass sich immer Geometrieveränderungen ergeben. Viele Fügeprozesse sind bei solchen Geometrieänderungen aber nicht ausführbar. Verbindungen zu Bauteilen mit bereits festgelegter Geometrie oder dreidimensionale Verbindungselemente sind damit nicht herstellbar.
Aus dem Dentalbereich sind schrumpfungsarme Glasinfiltrationsverfahren in Keramikkörper bekannt. Dabei werden jedoch Formkörper, wie z.B. Inlays oder Kronen, durch Infiltration eines porösen keramischen Körpers mit Glas und keine Verbindungen hergestellt. Das Infiltrationsverfahren wird dort angewendet, weil vom porösen, keramischen Grünkörper bis zum fertigen Keramik-Glas-Komposit nur eine geringe Schrumpfung des Formkörpers stattfindet, so dass Maße, die am Zahn gemessen oder durch Abformen erhalten werden, direkt in Formen für die Herstellung der Formkörper umgesetzt werden können.
Eines dieser Verfahren aus dem Dentalbereich ist das sogenannte In-Ceram-Verfahren, wie es z.B. in H. Hornberger et al., Microstructures of a high strength alumina glass composite, J. Mater. Res. 11 (1996) [4], Seiten 855-858 beschrieben wird. Das US-Patent 4772436 beschreibt die Herstellung von Dentalprothesen aus porösen Al₂O₃-Körpern, die mit Gläsern infiltriert sind, die hohe Gehalte an La₂O₃, Al₂O₃, SiO₂ und B₂O₃ (je 10 bis 40 Gew.-%) aufweisen (LASB-Gläser).
Diese Arbeiten aus dem Dentalbereich betreffen ausschließlich die Herstellung von isolierten Formkörpern. Der Einsatz als Füge- oder Abdichtelemente wird nicht beschrieben. Bei diesen Verfahren erfolgt vor dem Infiltrationsschritt ein schrumpfungsarmes Ansintern, um den Pulververbund mechanisch zu konsolidieren Der Prozess zur Herstellung von Bauteilen durch das Infiltrationsverfahren ist zwar verglichen mit einer Sinterung schrumpfungsarm, insbesondere wegen des Ansinterns jedoch nicht schrumpfungsfrei. So kann die Schrumpfung mehr als 1 % betragen. In vorstehend genanntem US-Patent 4772436 wird der Schrumpfung durch die vorherige Expansion der verwendeten Gipsform entgegengewirkt. Eine andere Gegenmaßnahme ist die Zugabe von Al, das sich bei Oxidation ausdehnt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, Verfahren zum dichten und festen Verschließen von Zwischenräumen zwischen verschiedenen Bauelementen, insbesondere keramischen Formkörpern, bereitzustellen. Gegebenenfalls sollen einzelne Durchführungen oder Durchführungen in hoher Anzahl eingefügt werden können. Insbesondere soll eine gasdichte Fügeverbindung oder Abdichtung bereit gestellt werden. Das Verbindungselement soll für Anwendungen geeignet sein, die Hochtemperaturbeständigkeit, Gasundurchlässigkeit auch bei erhöhtem Druck, Korrosionsbeständigkeit, Abriebbeständigkeit, chemische Beständigkeit und/oder eine gute mechanische Festigkeit erfordern.
Die Aufgabe konnte überraschenderweise mithilfe eines durch ein Infiltrationsverfahren hergestellten Keramik- oder Metall-Glas-Komposits als Füge- oder Abdichtelement gelöst werden. Erstaunlicherweise konnte das Komposit im Wesentlichen schrumpfungsfrei gebildet werden, so dass die Anbindung an Bauelemente möglich war, die in festgelegter Anordnung vorlagen. Auch komplexe Geometrien sind ohne weiteres erhältlich. Durch die Wahl geeigneter Komponenten des Komposits können Füge- oder Abdichtelemente erhalten werden, die außerordentliche Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen, chemisch aggressiven oder abriebfördernde Medien und Korrosion zeigen. Mit den Füge- oder Abdichtelementen können bei Temperaturen von 500°C Druckdifferenzen von 30 bar aufgebaut werden.
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ein Füge- oder Abdichtelement aus einem glasinfiltrierten Keramik- oder Metallkomposit. Das Füge- oder Abdichtelement dient insbesondere zum Fügen oder Abdichten von mindestens einem der Bauelement. Das Füge- oder Abdichtelement kann Bestandteil eines Bauteils oder einer Vorrichtung sein, wobei das Bauteil oder die Vorrichtung ein oder mehrere Bauelemente und mindestens ein Füge- oder Abdichtelement umfassen und das Füge- oder Abdichtelement mit mindestens einem der Bauelemente verbunden ist. Mit den Füge- oder Abdichtelementen nach der Erfindung können Fügeverbindungen oder Abdichtungen erhalten werden, die gasdicht, fest und/oder stoffschlüssig sind.
In den Zeichnungen wird die Erfindung weiter erläutert, worin die Zahlen folgende Bedeutungen aufweisen:

1: Gegossener, poröser Abschnitt
2: Glaspulver, als solches eingebracht oder ebenfalls als Suspension eingegossen
3: Rohr mit beliebigem Querschnitt
4: Gipsplatte
5: Poröser Grünkörper oder poröse Schicht
6: Glasmaterial als Grünkörper oder Schicht aus Glaspartikeln oder einem Glasteil
7: Platte
8: Stab, Rohr oder elektrischer Leiter
9: Füge- oder Abdichtelement
10: Zuleitung für Stickstoff
11: Ableitung
12: Dichtungen
13: Stempel zum Aufbringen einer Prüfkraft
14: Auflager

1 zeigt eine Anordnung vor dem Infiltrieren. 2 zeigt eine Anordnung vor dem Infiltrieren zum Fügen und Abdichten von flächigen Geometrien. Die 3-6 zeigen Anordnungen vor dem Infiltrieren mit vorgefertigten Keramikteilen. In der 7 wird das Prinzip einer Prüfanordnung zum Testen der Gasdichtigkeit erläutert. In der 8 wird das Prinzip einer Prüfanordnung zum Testen der mechanischen Belastbarkeit erläutert.
Das Füge- oder Abdichtelement ist insbesondere mit mindestens einem Bauelement verbunden. Allgemein kann das Bauelement eine beliebige Geometrie aufweisen. Beispiele für Bauelemente sind Rohre, Platten, Flansche, Quader, Rohre, Stäbe, Profile oder komplexe Bauelemente, z.B. mit gewölbter, gekrümmter, Winkel enthaltender oder zusammengesetzter Geometrie. Es kann sich vorzugsweise um ein Rohr handeln, das auch das Gehäuse darstellen kann. Die Ausdrücke Rohr oder Gehäuse werden hier miteinander austauschbar verwendet. Es kann sich z.B. auch um eine rohrförmige Öffnung in einem komplexen Körper handeln.
Das Rohr oder die rohrförmige Öffnung können einen beliebigen Querschnitt aufweisen, z.B. rund, oval, rechteckig, quadratisch, dreieckig, sechseckig, T-förmig, sternförmig oder auch unregelmäßig, wobei runde Querschnitte bevorzugt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform verbindet das Füge- oder Abdichtelement auch ein oder mehrere Durchführelemente mit dem Rohr, die zumindest teilweise in dem Rohr angeordnet und mit dem Füge- oder Abdichtelement verbunden sind. Bei den Durchführelementen kann es sich z.B. um kleinere Rohre, Stäbe, Stäbchen mit geringen Durchmessern unter 1 mm, Profile, Plättchen oder Folien handeln. Diese können ebenfalls beliebige Querschnitte haben, z.B. die vorstehend für das Rohr genannten. Die Durchführelemente können dicht oder porös sein. In einer bevorzugten Ausführungsform werden hohle Durchführelemente eingesetzt.
Das Füge- oder Abdichtelement kann zum Fügen, Füllen oder Verschließen bei beliebigen Geometrien eingesetzt werden, wobei es sich bei einem Bauelement vorzugsweise um ein Rohr oder eine rohrförmige Öffnung handelt. Bevorzugt handelt es sich bei dem Füge- oder Abdichtelement um eine Fügeverbindung.
Bei dem Füge- oder Abdichtelement, das auch als Verbindungselement bezeichnet werden kann, handelt es sich bevorzugt um einen Körper oder Verbindungskörper, der anders als flächenförmige Schichten in allen drei Richtungen geformt werden kann. Das Füge- oder Abdichtelement kann dann als Formkörper angesehen werden, der insbesondere über wenigstens eine Fläche mit mindestens einem Bauelement verbunden wird. Die Formgebung wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, womit auch relativ große Zwischenräume überbrückt bzw. verbunden oder abgedichtet werden können.
Es können aber auch Fügeflächen mit einem flächig ausgebildeten Füge- oder Abdichtelement geringer Dicke realisiert werden. Z.B. können zwei Bauelemente, z.B. zwei Platten, über solche Fügeflächen miteinander verbunden werden. Verfahren zur Herstellung solcher Füge- oder Abdichtelemente in Form von Schichten werden unten erläutert.
Das Füge- oder Abdichtelement kann bevorzugt in senkrechter Richtung zur Verbindungsfläche mit dem Bauelement eine Ausdehnung von mehr als 1 mm oder deutlich darüber hinaus aufweisen.
Wie nachstehend eingehender erläutert, wird das Füge- oder Abdichtelement insbesondere mit Hilfe eines Vergussabschnitts hergestellt. In der bevorzugten Ausführungsform verbindet das Füge- oder Abdichtelement wie gesagt ein oder mehrere Durchführelemente, die zumindest teilweise in einem Rohr oder einer rohrförmigen Öffnung angeordnet sind, wobei das Rohr oder die rohrförmige Öffnung auch mit dem Füge- oder Abdichtelement verbunden sind, so dass sich eine gasdichte Verbindung ergibt. Die Durchführelemente können bis an die Stirnfläche des äußeren Rohres durchgeführt werden oder bei einer entsprechenden Möglichkeit der Fixierung beim Gießvorgang nur über einen Teil der Höhe des Vergussabschnitts eingegossen sein. Beim Eingießen von hohlen Durchführungen, wie Rohren, können ihre Innenräume von der Füllung mit dem Füge- oder Abdichtelement ausgenommen werden, so dass sich Durchleitungen ergeben. Somit können z.B. Wärmetauscher oder bei permeablen Durchleitungselementen Reaktoren und Filtrationselemente hergestellt werden. Dazu können die Durchleitungen über das erfindungsgemäße Füge- oder Abdichtelement an mehr als einer Position mit dem äußeren Bauteil, z.B. an den Enden, verbunden werden.
Durch die Erfindung können vorzugsweise gasdichte und feste Verbindungen von Durchführelementen untereinander und mit einem Gehäuse bzw. Rohr erzielt werden. Die in möglichst hoher Anzahl eingesetzten Durchführelemente, vorzugsweise Stäbchen oder Röhrchen, verlaufen in dem zylindrischen Gehäuse oder Rohr vorzugsweise annähernd parallel zu dessen Achse und sollen so eingebunden werden, dass eine gasdichte Fügeverbindung erhalten wird. Erfindungsgemäß lässt sich z.B. eine Druckdifferenz von 30 bar bei 500°C realisieren. Die Durchführelemente bestehen vorzugsweise aus Korund. Das Gehäuse oder Rohr besteht dann mindestens im Bereich der Fügeverbindung ebenfalls vorzugsweise aus Korund. Es kann sich um Stäbchen oder Röhrchen handeln, die dicht oder porös sein können.
Die Verbindung zwischen den Durchführelementen und der Gehäusewand sollte in radialer Richtung vollständig erfolgen und wegen der Druckbelastung in axialer Richtung nicht zu dünn sein. D.h., das Fügematerial sollte bevorzugt über einen bestimmten Gehäuseabschnitt den komplex geformten Zwischenraum zwischen Rohr bzw. Gehäuse füllen. Dies wird bevorzugt über einen Gießschritt erreicht.
Die Bauelemente, wie äußere Rohre, Durchführungen und Durchleitungen, können vorzugsweise so angeordnet sein, dass die Geometrien parallel zu der Infiltrationsrichtung des Glases verlaufen, da in solchen Geometrien weniger Störeinflüsse auf treten können. Wenn z.B. ein Stab schräg zu der Achse des äußeren Rohres eingebunden werden soll, wird der Glasfluss unter dem Stab abgeschattet.
Versuche haben aber gezeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch bei Geometrien mit nicht paralleler Ausrichtung gasdichte Füge- oder Abdichtelemente erhalten werden können. So konnten bei Versuchen, bei denen etwa 20 bis 40 Korundstäbchen mit einem Durchmesser von etwa 1 mm in ein Korundrohr mit einer Länge von etwa 50 mm ohne parallele Ausrichtung gestellt (durcheinander, schräg an die Wand des Rohres angelehnt) und eingegossen wurden, ebenfalls dichte Proben erhalten werden. Möglicherweise füllen sich auch abgeschattete Bereiche auf Grund der Kapillarwirkung der Poren mit dem Glas.
Das Verfahren ist anpassbar an beliebige zu fügenden Materialien für das oder die Bauelemente, vorausgesetzt sie können der nachstehend erläuterten Infiltrationstemperatur ausgesetzt werden. Dies gilt naturgemäß nur für die Bereiche, die der Infiltrationstemperatur tatsächlich ausgesetzt werden. Gegebenenfalls ist es denkbar, dass nicht das ganze Bauelement bzw. Bauteil oder die ganze Vorrichtung, sondern nur ein bestimmter Teil, der das herzustellende Füge- oder Abdichtelement umfasst, dieser Temperatur ausgesetzt wird. Für die Bereiche, die nicht der Infiltrationstemperatur ausgesetzt werden müssen, können beliebige, übliche Materialien verwendet werden.
Hinsichtlich der zu fügenden Materialien und der Anwendungstemperatur eignen sich für die Bauelemente, einschließlich der Durchführelemente, insbesondere Werkstoffe aus Metall und/oder Keramik. Denkbar sind prinzipiell aber auch andere Materialien, z.B. hochschmelzende Gläser. Im übrigen sind auch alle nachstehend für das Verbindungselement beschriebene Materialien für die Bauelemente geeignet.
Das Füge- oder Abdichtelement ist ein Keramik- oder Metall-Glas-Komposit, bei dem das Glas durch Infiltration in das Komposit eingebaut ist, wobei ein Keramik-Glas-Komposit bevorzugt ist. Als Keramikkomponente kann jede beliebige herkömmliche Keramik eingesetzt werden. Beispiele sind Silicatkeramiken, wie Porzellan, Steatit, Cordierit und Mullit, Oxidkeramiken, wie Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirconiumoxid, Siliciumoxid, Magnesiumaluminat-Spinell, Aluminiumtitanat, Bleizirconattitanat und Titandioxid, und Nichtoxidkeramiken, wie Boride, Silicide, Carbide oder Nitride, wie Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Borcarbid und Bornitrid. Bevorzugt werden Zirconiumoxid und insbesondere Aluminiumoxid (Korund) verwendet. Auch Mischkeramiken aus ZrO₂ und Al₂O₃ sind zweckmäßig.
Als Metallkomponente eignen sich alle Metalle, die der Infiltrationstemperatur widerstehen können. Die Metallkomponente umfasst auch Metalllegierungen. Natürlich können auch Mischungen von Keramiken oder Mischungen von Metallen verwendet werden. Prinzipiell können auch Mischungen von Metallen und Keramiken eingesetzt werden.
Als Infiltrationsglas für das Komposit können alle herkömmlichen Glasmaterialien eingesetzt werden. Die Auswahl richtet sich insbesondere nach den Anforderungen bezüglich der bei der Herstellung des Füge- oder Abdichtelements zweckmäßigen Eigenschaften, die nachstehend erläutert werden. Beispielsweise können Gläser mit hohen Gehalten an La₂O₃, Al₂O₃, SiO₂ und B₂O₃ (je 10 bis 40 Gew.-%) (LASB-Gläser) eingesetzt werden, aber auch andere herkömmliche Gläser sind geeignet. Es können z.B. auch niedrigschmelzende Gläser, vorzugsweise Phosphatgläser oder Ticksche Gläser, verwendet werden, die zum Teil Schmelzen bei Temperaturen unter 300°C bilden.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Fügen oder Abdichten von mindestens einem Bauelement mit mindestens einem Füge- oder Abdichtelement aus einem glasinfiltrierten Keramik- oder Metallkomposit, das umfasst

a) Anordnen oder Bilden einer porösen Masse, die Teilchen aus Keramik oder Metall enthält, in der Nähe oder in Kontakt mit einem oder mehreren Bauelementen, die mit dem Komposit zu verbinden sind,
b) Aufbringen von Glasmaterial auf die poröse Masse,
c) Erwärmen des Glasmaterials auf eine Infiltrationstemperatur, damit das Glas in das Keramik- oder Metallmaterial infiltriert wird, und
d) Abkühlen unter Bildung des glasinfiltrierten Keramik- oder Metallkomposits, das mit mindestens einem Bauelement verbunden ist.

Nach dem Aufbringen des Glasmaterials gemäß Schritt b) können gegebenenfalls vor dem Erwärmen gemäß Schritt c) ein oder weitere Bauelemente auf das Glasmaterial aufgebracht werden. Dies ist insbesondere bei flächenförmigen Füge- oder Abdichtelementen eine bevorzugte Ausführungsform.
Bei der porösen Masse handelt es sich insbesondere um einen porösen Grünkörper oder eine poröse Schicht, wobei die Anordnung oder Bildung eines porösen Grünkörpers bevorzugt ist. Die poröse Masse kann vorgebildet werden und dann in der Nähe oder im Kontakt mit mindestens einem Bauelement angeordnet werden oder sie wird in der Nähe oder im Kontakt mit mindestens einem Bauelement gebildet. Die poröse Masse ist naturgemäß so nahe an das Bauelement zu platzieren, dass eine Verbindung gebildet werden kann. In der Regel kontaktiert die poröse Masse das mindestens eine Bauelement. Wird die poröse Masse vor Ort gebildet, kann hierfür bevorzugt ein Pulver oder eine Suspension verwendet werden, die Metall- oder Keramikteilchen enthalten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden poröse Grünkörper durch ein Gießverfahren gebildet. Dabei umfasst das erfindungsgemäße Verfahren das Bilden eines porösen Grünkörpers gemäß Schritt a) durch

a1) Gießen einer Suspension, die Teilchen aus Keramik oder Metall enthält, in einen Zwischenraum, so dass das oder die Bauelemente, die mit dem Komposit zu verbinden sind, mit der Suspension in Kontakt gebracht werden, und
a2) teilweises oder vollständiges Entfernen des Dispersionsmittels aus der Suspension der Suspension, um einen Grünkörper zu erhalten.

In Schritt a1) wird eine Suspension, die Teilchen aus Keramik oder Metall enthält, in einen Zwischenraum eingegossen, so dass das oder die Bauelemente, die mit dem Komposit zu verbinden sind, mit der Suspension in Kontakt gebracht werden. Bei spiele für geeignete Keramik- oder Metallmaterialien wurden vorstehend genannt. Das bevorzugte Material ist Al₂O₃ bzw. Korund oder Zirconiumdioxid. Für die Suspension kann jedes geeignete Lösungsmittel als Dispersionsmittel verwendet werden, z.B. ein organisches Lösungsmittel; gewöhnlich handelt es sich um eine Suspension in Wasser. Derartige Suspensionen, auch als Schlicker bezeichnet, sind auf dem Gebiet der Keramik oder der Pulvermetallurgie wohlbekannt. In den Suspensionen können gegebenenfalls herkömmliche Zusätze enthalten sein, wie z.B. Entschäumer, Dispergierhilfen, Verflüssiger und organische Bindemittel. Der pH-Wert der Suspension kann durch eine Säure oder eine Base in geeigneter Weise eingestellt werden.
Der mittlere Teilchendurchmesser der Teilchen, die in der Suspension enthalten sind, kann in weitem Umfang ausgewählt werden. Der mittlere Teilchendurchmesser kann z.B. mehr als 0,1 μm betragen. Neben der Auswahl der verwendeten Materialien kann auch durch die Wahl eines geeigneten mittleren Teilchendurchmessers die erforderliche Temperatur der Wärmebehandlung beeinflusst werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass die Verwendung von relativ grobem Pulver vorteilhaft ist. Bevorzugt ist der mittlere Teilchendurchmesser größer als 0,4 μm, bevorzugt größer als 1 μm und besonders bevorzugt größer als 8 μm. Zweckmäßigerweise werden Pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von mindestens 2 μm und bevorzugt mindestens 5 μm verwendet, wobei mittlere Teilchendurchmesser von mindestens 8 μm, bevorzugt mindestens 10 μm und insbesondere mindestens 12 μm besonders geeignet sind.
Der mittlere Teilchendurchmesser bezieht sich hier wie auch in den späteren Angaben auf das ermittelte Volumenmittel, wobei im Korngrößenbereich von 1 bis 2.000 μm Laserbeugungsverfahren (Auswertung nach Mie) und im Bereich von 3,5 nm bis 3 μm ein UPA (Ultrafine Particle Analyzer, Leeds Northrup (laseroptisch)) zur Bestimmung der Verteilungen verwendet werden können. Im Schnittbereich von 1 bis 3 μm wird hier auf die Messung mit UPA Bezug genommen.
Der Zwischenraum, in den die Suspension einzugießen ist, kann unter Einbeziehung des oder der Bauelemente in herkömmlicher Weise gebildet werden. In der Regel sind hierfür zusätzliche Formen zur Bildung des Zwischenraums notwendig, die anschließend wieder entfernt werden. Hierfür können z.B. Formteile aus Gips oder Kunststoff verwendet werden.
Das Gießen der Suspension in den Zwischenraum kann auf jede übliche Weise erfolgen. Bevorzugte Verfahren zur Formgebung sind Sedimentationsverfahren wie Schlickerguss, Zentrifugalguss und Zentrifugalschlickerguss, wobei der Schlickerguss besonders bevorzugt ist. Sollen zahlreiche Durchführelemente wie z.B. Stäbchen eingegossen werden, ist durch die Einhaltung entsprechender Abstände zwischen den Stäbchen darauf zu achten, dass sich die Suspension (wie später die Glassuspension oder das Glaspulver) gleichmäßig dazwischen verteilen kann.
Durch den Guss, insbesondere den Zentrifugalguss oder den Schlickerguss, erfolgt die Formgebung von der Suspension zu einem festen Vergussabschnitt. Hierfür wird das Dispersionsmittel oder Dispersionsmedium teilweise oder vollständig aus der Suspension entfernt wird, um einen Grünkörper zu erhalten. Die Entfernung kann z.B. bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur erfolgen. In der Regel wird das Dispersionsmittel zu einem großen Teil oder im wesentlichen vollständig entfernt.
Beim Schlickerguss erfolgt die erste Entfernung des Dispersionsmittels gewöhnlich über poröse, saugfähige Gipsformen. Der erhaltene, gewöhnlich noch feuchte Grünkörper wird bevorzugt weiter getrocknet, z.B. durch einfaches Stehenlassen bei Raumtemperatur oder gegebenenfalls erhöhter Temperatur, z.B. über einen längeren Zeitraum. Die Herstellung eines Grünkörpers über den Schlickerguss ist dem Fachmann wohlbekannt. Nach der teilweisen oder vollständigen Entfernung des Dispersionsmittels wird ein Grünkörper erhalten, wobei die Gründichte variiert werden kann. Die Grünkörper besitzen geeigneterweise ein Gründichte von etwa 50 bis 78%, bevorzugt 60 bis 78%.
Die Poren dieses keramischen oder metallischen Grünkörpers sollen vorzugsweise im Wesentlichen nicht geschlossen werden, d.h. vor der Glasinfiltration soll bevor zugt kein Sintern oder Ansintern des erhaltenen Grünkörpers erfolgen. Das Ansintern oder Sintern könnte zum Schließen der Poren führen. Die mit dem Sintern oder Ansintern verbundene dreidimensionale Schrumpfung steht einer Verbindung mit einem Bauelement wie einer Gehäusewand entgegen. Statt dessen erfolgt erfindungsgemäß die Füllung des Porenraumes und damit die Abdichtung durch die Infiltration mit einem Glas. Es hat sich herausgestellt, dass der Vorsinterschritt weggelassen werden konnte.
Die poröse Masse lässt sich aber auch durch andere Verfahren bilden, die nachstehend erläutert werden. Soweit übertragbar gelten vorstehende Aussagen auch für diese Verfahren, insbesondere bezüglich verwendbarer Dispersionsmedien, Poren, Teilchengröße, Gründichte oder bevorzugtem Weglassen einer Vorsinterung.
So können z.B. auch vorgeformte poröse Massen, insbesondere poröse Grünkörper, eingesetzt werden, die mit den Bauelementen angeordnet werden. Solche Grünkörper mit dreidimensionaler Ausdehnung können neben den genannten Gießverfahren z.B. über Pressen, wie axiales oder isostatisches Pressen, Spritzgießen, Extrusion und Elektrophorese hergestellt werden. Eventuell ist bei Verfahren, die einen hohen Anteil an organischen Prozesshilfsmitteln erfordern (Spritzgießen, Extrusion) eine Entbinderung vorzunehmen, um einen offenen Porenraum zu erhalten. Die Grünteile oder angesinterten Teile können z.B. durch Fräsen, Bohren oder Drehen weiter bearbeitet werden.
In genau der gleichen Weise können nicht nur vorgeformte poröse Grünkörper, sondern auch vorgeformte Glasteile hergestellt werden, z.B. aus Glaspulver nach den genannten Verfahren. Entsprechende vorgeformte Grünkörper und/oder Glasteile können mit Bauteilen einfach zusammengesetzt werden und durch den späteren Infiltrationsschritt in Elemente zum Fügen der Bauteile überführt werden. Gepresste oder in anderer Form vorgebildete Keramik- oder Glaszylinder können z.B. zum Verschluss von Rohren verwendet werden.
Zur Bildung von Fügeflächen mit einem flächig ausgebildeten Füge- oder Abdichtelement geringer Dicke können z.B. Beschichtungsverfahren oder Foliengießver fahren eingesetzt werden. Eine andere Möglichkeit ist die Anordnung vorgeformter poröser Schichten. Beispiele für Verfahren zur Bereitstellung der porösen Schicht sind das Aufbringen einer Suspension, die Keramik- oder Metallpartikel umfasst, auf ein Substrat, z.B. eine Platte, durch ein übliches Beschichtungsverfahren, wie Tauchen, Sprühen, Rakeln oder Schleuderbeschichten, oder Foliengießen und gegebenenfalls anschließendes Trocknen oder das Auflegen einer keramischen oder metallischen Folie.
Nach dem Aufbringen des Infiltrationsglases können ein oder mehrere Bauelemente, z.B. eine zweite Platte, auf das Glasmaterial aufgelegt werden. Nach Wärmebehandlung zur Infiltration der porösen Schicht durch das Glas und Verbindung erfolgt eine Verbindung zwischen den Bauelementen. Anstelle von Platten können beliebige Bauteile über ebene oder komplex geformte Flächen miteinander verbunden werden.
Eine andere Möglichkeit zum Bereitstellen der porösen Masse, insbesondere des porösen Grünkörpers, ist das Einbringen von Pulver, das Metall- oder Keramikteilchen umfasst. Es kann in einen Zwischenraum eingebracht werden, so dass das Pulver mit dem oder den zu fügenden oder abzudichtenden Bauelementen in Kontakt gebracht wird. Das Einbringen des Pulvers kann z.B. durch Einrieseln, Stampfen oder Einrütteln erfolgen.
In Schritt b) wird Glasmaterial auf den Grünkörper aufgebracht. Das Glas wird z.B. ebenfalls als Suspension, als Pulver oder als vorgeformtes Glasteil oder als massives Glasteil eingebracht. Bei Verwendung einer Suspension kann das Glasmaterial eingegossen werden, z.B. auf die gleiche Weise wie die Suspension, das die Metall- oder Keramikpartikel enthält. Die Herstellung von Glasteilen wurde bereits erläutert. Massive Glasteile können z.B. einfach durch Schmelzen in einen geeigneten Form erhalten werden.
Das Glasmaterial wird zweckmäßigerweise so gewählt, dass es eine an die eingesetzte Keramik oder das eingesetzte Metall angepasste Wärmedehnung aufweist. Ferner wird zweckmäßigerweise ein Glas gewählt, das einen Viskositätsverlauf und eine Kristallisationsbeständigkeit aufweist, die bei der zuzulassenden Wärmebe handlungstemperatur eine ausreichende Infiltrationstiefe ermöglichen. Die Transformationstemperatur sollte natürlich größer als die Anwendungstemperatur sein.
Der Fachmann kann in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien, das Glas mit den passenden Eigenschaften aussuchen. Es können sich z.B. LASB-Gläser eignen. Es können auch herkömmliche Gläser verwendet werden, z.B. solche, die im Vergleich zu LASB-Gläsern niedrigere SiO₂-Gehalte und geringe Mengen oder kein Al₂O₃ enthalten. Es sind aber alle Glaszusammensetzungen geeignet, sofern sie die geeigneten Eigenschaften aufweisen. Dem Fachmann ist dies gut bekannt und es gibt ausführliche Literatur dazu, z.B. O.V. Mazurin, M.V. Streltsina, T.P. Shvaiko-Shvaikovskaya "Handbook of glass data", Elsevier-Verlag oder diverse Veröffentlichungen von A.A. Appen.
Anschließend erfolgt in Schritt c) ein Erwärmen auf eine Infiltrationstemperatur, damit das Glas in das Keramik- oder Metallmaterial infiltriert wird. Die Infiltrationstemperatur hängt naturgemäß von den eingesetzten Materialien ab und kann in weiten Bereichen variieren. Vorzugsweise werden relativ niedrige Infiltrationstemperaturen gewählt. Die Infiltrationstemperatur beträgt bevorzugt nicht mehr als 1200°C, bevorzugt nicht mehr als 1150°C. LASB-Gläser eignen sich z.B. für Infiltrationstemperaturen von etwa 1.100°C, andere kommerzielle Gläser können z.B. bei 980 bis 1.000°C infiltriert werden. Es können aber auch niedrigschmelzende Gläser, vorzugsweise Phosphatgläser oder Ticksche Gläser, verwendet werden, die zum Teil Schmelzen bei Temperaturen unter 300°C bilden.
Nach erfolgter Infiltration erfolgt eine Abkühlung unter Bildung des glasinfiltrierten Keramik- oder Metallkomposits, das mit mindestens einem der Bauelemente verbunden ist. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren das Füge- oder Abdichtelement praktisch schrumpfungsfrei erhalten werden kann und dass Schrumpfungsfreiheit zur Realisierung einer dichten und festen Verbindung zwischen Füge- oder Abdichtelement und Bauelement von größter Bedeutung ist.
Im folgenden sind einige Eigenschaften und Parameter zusammengestellt, deren Beachtung bei der vorliegenden Erfindung zweckmäßig oder vorteilhaft sein kann. Vorzugsweise wird so gearbeitet, dass eine oder mehrere Bedingungen, vorzugsweise möglichst viele, erfüllt sind.
Im Hinblick auf das Material (Keramik- und/oder Metallteilchen) für die poröse Masse, insbesondere den porösen Grünkörper:

1. Das Material sollte bei der Infiltrationstemperatur bevorzugt keiner eigenen Sinterschrumpfung unterliegen. Dies kann in Abhängigkeit von der Infiltrationstemperatur zweckmäßigerweise durch geeignete Wahl der Mindestgröße für die Korngröße eingestellt werden. Zum Beispiel kann Korund AA-18 ("Advanced Alumina" der Fa. Sumitomo Chemicals, Japan, mittlere Partikelgröße: 22,8 μm) ohne schädliche Schrumpfungseffekte bei 1.100°C infiltriert werden, während Korund AA-2 (mittlere Partikelgröße: 2,1 μm) beim Infiltrieren bei 1100°C selber schrumpft. Bei einer Infiltrationstemperatur von 1.000°C ergibt sich auch mit Korund AA-2 weitgehende Schrumpfungsfreiheit.
2. Die Korngrößenverteilung des zu infiltrierenden Materials bestimmt die Porengröße des porösen Körpers oder der porösen Schicht und damit die Infiltrationsgeschwindigkeit.
3. Das zu infiltrierende Material kann beliebig geformt oder vorgeformt werden, eine Schlickergussformgebung ist bevorzugt. Die Gründichte nach dem Trocknen sollte hoch genug sein, damit das Material beim Infiltrieren nicht durch Partikelumorientierung schrumpft.
4. Alle Keramiken, Metalle und Materialien, die der Infiltrationstemperatur und dem Angriff der Glasschmelze standhalten, können zum Aufbau der porösen Masse verwendet werden.

Im Hinblick auf das Glas:

1. An Hand der durchgeführten Versuche in Verbindung mit Berechnungen mittels der Washburn-Gleichung (Zusammenhang zwischen t_inf, Viskosität, Porengröße, Eindringtiefe und weiteren Materialeigenschaften) ergibt sich, dass eine zweckmäßige Viskosität des Glases bei der Infiltrationstemperatur im Bereich von 102 bis 10⁴ dPa·s für Porengrößen im μm-Bereich für Infiltrationszeiten im Bereich weniger Stunden liegt.
2. Das Glas sollte so gewählt werden, dass bei der Infiltrationstemperatur keine Komponenten abgedampft werden, dass während der Infiltration im Wesentlichen keine Kristallisation stattfindet und sich eine gute Benetzung des zu infiltrierenden Werkstoffs ergibt.
3. Das Glas enthält bevorzugt eine Komponente, die der verwendeten Keramik entspricht, und ist bevorzugt mit dieser Komponente nahezu gesättigt (z.B. Al₂O₃-Gehalt des Glases bei Infiltration von Korund). Die Konzentration dieser Komponente im Glas kann z.B. mindestens 80% der Sättigungskonzentration im Glas entsprechen. Auch mit Gläsern, die diese Bedingung nicht erfüllen (z.B. die Gläser V5 und V7 in den Beispielen für Korund), können bezüglich Gasdichtigkeiten und mechanischer Belastbarkeit funktionierende Verbindungen hergestellt werden. Es werden jedoch optimale Ergebnisse erzielt, wenn diese Bedingung erfüllt ist (z.B. das Glas INF-LA in den Beispielen für Korund), da beim Einsatz dieser Gläser Fehler im Kompositgefüge (Fließkanäle, große Poren) minimiert werden können. Diese Fehler sind wahrscheinlich bei erstgenannten Gläsern zumindest teilweise darauf zurückzuführen, das z.B. bei einer Korundkeramik Al₂O₃ aus der Keramik im Glas gelöst wird. Wenn größere Volumenanteile der Korundpartikel durch Lösung verloren gehen, kann es zu Schrumpfung durch Partikelumorientierung kommen.
4. Die Glasübergangstemperatur sollte über der beabsichtigten späteren Anwendungstemperatur liegen und das Glas sollte zweckmäßigerweise korrosionsbeständig sein.
5. Das Glas sollte bezüglich des Wärmedehnungsverhaltens an die zu fügenden Teile und das zu infiltrierende Material angepasst sein.

Bei dem erfindungsgemäßen Infiltrationsverfahren entsteht ein Werkstoff, den man als Keramik-Glas-Komposit oder Metall-Glas-Komposit charakterisieren kann: Das Gefüge enthält je nach Formgebungsmethode des keramischen oder metallischen porösen Körpers und der Effizienz der Partikelpackung von z.B. 40 oder 50 bis 80 Vol.-%, bevorzugt von 60 bis 80 Vol.-%, Kristallite. Insbesondere werden Packungen mit 65 bis 74 Vol.-% Kristallite erhalten, wobei die Untergrenze durch "schlechtere" Formgebung abgesenkt werden kann. Der restliche Gefügeraum besteht aus der Glasphase und möglicherweise aus Phasen, die durch Kristallisation aus der Glas- oder Schmelzphase entstanden sind, sowie Poren.
Nach der Glasinfiltration entspricht der Volumenanteil der Kristallite des infiltrierten Materials in etwa der vorherigen Gründichte. Bei der Infiltration kommt es vorzugsweise nicht zu Sintervorgängen oder nur in relativ unbedeutendem Umfang, d.h. auch im fertigen Keramik- oder Metallkomposit können die eingesetzten Keramik- oder Metallteilchen bevorzugt im Wesentlichen ungesintert und mit der gleichen Größenverteilung vorliegen wie im Ausgangsmaterial.
Da Schrumpfung zur Ablösung des herzustellenden Verbindungselements vom Bauelement führt, so dass keine dichte Fügeverbindung erhalten wird, ist die weitgehende Schrumpfungsfreiheit, die durch das vorliegende Verfahren ermöglicht wird, von besonderem Vorteil. Die Schrumpfung wird insbesondere durch Einsatz relativ grober Keramik- oder Metallteilchen und/oder relativ niedriger Infiltrationstemperaturen minimiert. Bevorzugt sind insbesondere mittlere Teilchendurchmesser in der Suspension von mehr als 8 μm.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von relativ grobem Pulver ist die Erreichung von höheren Infiltrationstiefen durch das Glas. Vorzugsweise beträgt die Infiltrationstiefe mehr als 1 oder 2 mm und bevorzugter mehr als 6 mm. So können erfindungsgemäß Infiltrationstiefen bis 10 mm und mehr erreicht werden, während nach dem Stand der Technik bis 5 mm tief infiltriert wird. Durch die Wahl von relativ groben Keramikteilchen konnten im Vergleich zum Stand der Technik etwa 2 bis 3 mal größere Infiltrationstiefen erreicht werden, was für die mechanische Stabilität des Füge- oder Abdichtelements vorteilhaft ist.
Die Werkstoffe der Bauelemente und des Füge- oder Abdichtelements sollten zweckmäßigerweise aufeinander abgestimmt werden, insbesondere hinsichtlich des Wärmeausdehnungsverhalten. Sofern möglich, ist die Verwendung von gleichen Materialien zweckmäßig. So eignet sich Al₂O₃ als zu infiltrierendes Material, um eine Wärmedehnungsanpassung an Gehäuse und Stäbchen oder Röhrchen aus Korund zu realisieren.
Vorteilhafterweise erfolgt eine Anpassung des Komposits an das oder die Bauelemente bezüglich der Wärmedehnung. Allgemein sollten bei zu fügenden oder abzudichtenden Bauelementen etwa gleicher Wärmedehnung Füge- oder Abdichtelemente mit gleicher oder ähnlicher Wärmedehnung eingesetzt werden. Sollen Bauelemente mit unterschiedlicher Wärmedehnung gefügt oder abgedichtet werden, so würde man die Wärmedehnung des Füge- oder Abdichtelements auf einen Mittelwert einstellen, um die Differenzen stufenweise auszugleichen und so mechanische Spannungen zu minimieren. Diese Aufgabenstellung des Fügens oder Abdichtens von Bauelementen verschiedener Wärmedehnung und die beschriebene Anpassung zu Realisierung wird in der Technik häufig eingesetzt.
Erfindungsgemäß erhält man durch die Kombination der Schritte, Plazieren einer porösen Masse, bevorzugt durch Verguss einer Suspension in einen Zwischenraum und Entfernen des Dispersionsmittels, und Infiltration der porösen Masse mit Glas ein Füge- oder Abdichtelement. Das Glas erfüllt dabei die Funktion der Füllung des Porenraumes und der Anbindung an die zu fügenden Teile. Schrumpfungsvorgänge können minimiert und durch Glasanbindung kompensiert werden, so dass mechanisch feste und gasdichte Verbindungen erhalten werden. Auch eingegossene Teile, wie z.B. eine größere Anzahl von Stäbchen, können in der. gewünschten Weise eingebunden werden.
Das Füge- oder Abdichtelement dient zum Fügen oder Abdichten von Bauelementen. Das Füge- oder Abdichtelement ist vorzugsweise Bestandteil eines Bauteils oder einer Vorrichtung, wobei mindestens ein Bauelement des Bauteils oder der Vorrichtung mit dem Füge- oder Abdichtelement verbunden sind. Es kann sich z.B. um Filtrationsvorrichtungen, Reaktoren oder Wärmetauscher oder Teile davon handeln.
Die erfindungsgemäßen Füge- oder Abdichtelemente können z.B. in einer bevorzugten Ausführung in Filtriervorrichtungen zum Filtrieren auf dem Gebiet der Biotechnologie, Medizintechnik oder Mikrosystem-/Messtechnik verwendet werden. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform können die Füge- oder Abdichtelemente in Reaktoren oder in elektrische Leiter enthaltenden Bauteilen Verwendung finden.
1 zeigt eine Anordnung vor dem Infiltrieren. Der keramische Grünkörper 1 wurde durch einen vorherigen Gießvorgang erhalten. Der Glasabschnitt 2 wurde ebenfalls durch Gießen einer Suspension oder als Pulver eingebracht. 2 zeigt eine Anordnung vor dem Infiltrieren zum Fügen und Abdichten von flächigen Geometrien. Für die poröse Keramik- und Glasschichten (5, 6) können alle Formgebungsmethoden zum Erzeugen von Schichten verwendet werden.
Die 3-6 zeigen Anordnungen vor dem Infiltrieren mit vorgefertigten Keramikteilen 5, wobei es sich um poröse Grünkörper handelt, die durch Pressen oder andere Formgebungsmethoden erhalten werden, und mit vorgefertigten Glasteilen 6, die hergestellt sind wie die Keramikteile oder als massives Glasteil. Die zu fügenden Teile und die Teile, die beim Infiltrieren das Füge- oder Abdichtelement bilden, können z.B. wie dargestellt angeordnet werden.
7 zeigt das Prinzip einer Prüfanordnung zum Testen der Gasdichtigkeit. 8 zeigt das Prinzip der Prüfanordnung zum Testen der mechanischen Belastbarkeit.
Mit den Füge- oder Abdichtelementen können bei Temperaturen bis unterhalb der Transformationstemperatur des Infiltrationsglases (z.B. 600°C) deutliche Druckdifferenzen aufgebaut werden, wobei es zu keinem Gasdurchfluss kommt. Zum Beispiel konnte das Abdichtelement in einem Rohr mit einem Innendurchmesser von 16 mm mit einem Druck von 32 bar bei Raumtemperatur und bei 500°C belastet werden (s. Beispiele 1-3). Dies entspricht gemäß der Prüfanordnung in 7 einer durch das Gas auf das Abdichtelement wirkenden Kraft von 0,64 kN. Mit einem mechanischen Test gemäß 8 konnten solche Abdichtelemente über einen Stempel mit einem Durchmesser von 12 mm bis mindestens 5 kN belastet werden. Dies demonstriert die hervorragende Qualität der mechanischen Verbindung des Füge- oder Abdichtelements an das mindestens eine damit verbundene Bauteil.
Es folgen Beispiele zur Erläuterung der Erfindung.
Beispiele
a) Korundsuspension
Es wird eine wässrige Suspension grober Korundpartikel „AA-18" („Advanced Alumina" der Fa. Sumitomo Chemicals, Japan; mittlere Partikelgröße: 22,8 μm) mit einem Feststoffgehalt von 81 Gew.-% mit HNO₃ mit einem pH Wert von 3 bis 4 unter Rühren hergestellt. Oktanol (1 Tropfen je 100 g Pulver) wird als Entschäumer zugegeben. Die Suspension wird bis zum Vergießen gerührt.
b) Gläser (alle Zusammensetzungen in Gew.-%)
Infiltrationsglas INF-LA
Infiltrationsglas V5 (Schott Glas Nr. G018-222, Anteile gemäß Herstellerangabe):
Dieses Glas wurde wegen der Kristallisationsneigung in den Beispielen nur mit d₅₀ 3 μm eingesetzt.
Infiltrationsglas V7 (Schott Glas Nr. G018-221, Anteile gemäß Herstellerangabe):
Beispiel 1
Ein Korundrohr (∅_a = 20 mm, Wandstärke 2 bis 2,5 mm, Höhe 35 mm) wird mit seiner Stirnfläche auf eine Gipsplatte gestellt, die aus für den Schlickerguss üblichem Formengips besteht. Mit einer Pipette werden 2 ml obiger Suspension in das Korundrohr gefüllt. Nach einem Tag Trocknen wird das Rohr mit dem eingegossenen Korund von der Platte genommen und es werden 0,6 ml INF-LA Glaspulver (komplettes Glasvolumen, nicht Schüttvolumen) eingefüllt. Es folgt eine Wärmebehandlung: RT -10 K/min→ 1100°C / 6 h -5 K/min→ RT, wobei das Glas den Korundabschnitt infiltriert.
Das Rohr kann ca. 2 Millimeter über dem Fügeabschnitt abgesägt werden. Die Enden werden glatt und planparallel geschliffen, so dass eine Druckbeaufschlagung gemäß 7 realisiert werden kann. Die Probe hält der Belastung durch Stickstoff mit einem Druck von 32 bar bei RT und bis 500°C stand und ist dicht gegen Gasdurchfluss. Dies gilt auch nach mehrfachem vorherigem Auslagern der Probe bei 500°C. Die Probe hält mechanischen Belastungen von mindestens 5 kN gemäß 8 ohne Bruch stand.
Beispiele 2 und 3
Beispiel 1 wird wiederholt, jedoch mit folgenden Gläsern und Wärmebehandlungen:
V5: RT -10 K/min→ 1000°C / 6 h -5 K/min→ RT
V7: RT -10 K/min→ 980°C / 6 h -5 K/min→ RT
Es ergeben sich die gleichen Probeneigenschaften (Gasdichtigkeiten und mechanische Belastbarkeit) wie im Beispiel 1.
Beispiele 4 bis 6
Vor dem Verguss werden mehrere Korundstäbchen in das Rohr eingefügt. Bei geringem Stäbchendurchmesser von ca. 1 mm können zum Beispiel 50 Stück eingebunden werden. Sie können auf die Gipsplatte gestellt werden (wenn ein ausreichender Durchmesser einen festen Stand ermöglicht), schräg an der Rohrwand anlehnen oder mit geeigneten Hilfsmitteln parallel zur Rohrachse oder beliebig ausgerichtet und fixiert werden. Zwei Minuten nach dem Verguss der Suspension gemäß Beispiel 1 bis 3 werden eventuell verwendete Hilfsmittel zur Ausrichtung und Fixierung der Stäbchen entfernt, da dann der Korundgrünkörper diese Funktion übernimmt. Es folgen alle weiteren Schritte wie in den Beispielen 1 bis 3 und es ergeben sich die gleichen Probeneigenschaften.
Beispiel 7
Die Probenherstellung erfolgte wie im Beispiel 3, jedoch wurden Korundrohre mit ∅_a = 35 mm verwendet und 10 ml Korundsuspension und 3 ml V7-Glas als Pulver zugesetzt. Wärmebehandlung zur Infiltration: RT -10 K/min→ 990°C / 6 h -5 K/min→ RT. Danach ist die Probe gasdicht, getestet bei Raumtemperatur und mit 12 bar Gasdruck.
Beispiel 8
Die Probenherstellung erfolgte wie in Beispiel 1, jedoch wurde vor dem Verguss der Al₂O₃-Suspension ein Korund-U-Profil in das Rohr gestellt. Nach der Wärmebehandlung sind Komposit, Rohr und U-Profil nach visueller Bewertung gut miteinander verbunden.
Beispiel 9
Zwei Korundrohre (Außendurchmesser und Wandstärke des äußeren Rohres: 50 mm, 3 mm; Außendurchmesser und Wandstärke des inneren Rohres: 30 mm, 2 mm) werden ineinander auf eine Gipsplatte gestellt. Das innere Rohr braucht dabei nicht zentriert zu werden. Zwischen den Wänden der beiden Rohre sollte lediglich ein Mindestabstand von z.B. 1 mm eingehalten werden, damit die Suspension in den Raum zwischen den beiden Wänden dringen kann. Zwischen die beiden Rohre werden 8 ml Suspension eingefüllt. Durch den schnellen Wasserentzug durch die Gipsplatte läuft keine Suspension in das Innere des inneren Rohres. Nach dem Trocknen werden 2,4 ml INF-LA Glas auf den Grünkörper gefüllt. Es folgt das Infiltrieren gemäß Beispiel 1. Danach sind die Rohre und das Füge- oder Abdichtelement nach visueller Bewertung gut miteinander verbunden. Das innere Rohr ist offen und bildet somit eine Durchleitung.

Claims

Füge- oder Abdichtelement aus einem glasinfiltrierten Keramik- oder Metallkomposit.
Füge- oder Abdichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füge- oder Abdichtelement mit mindestens einem Bauelement verbunden ist.
Füge- oder Abdichtelement nach Anspruch 2; dadurch gekennzeichnet, dass das Füge- oder Abdichtelement in der Wärmedehnung an das mindestens eine, damit verbundene Bauelement angepasst ist.
Füge- oder Abdichtelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Bauelemente mit unterschiedlicher Wärmedehnung gefügt oder abgedichtet werden, wobei das Füge- oder Abdichtelement so gewählt ist, das es eine Wärmedehnung aufweist, die zwischen den Wärmedehnungen der zu fügenden oder abzudichtenden Bauelemente mit unterschiedlicher Wärmedehnung liegt.
Füge- oder Abdichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Füge- oder Abdichtelement ein Keramik-Glas-Komposit ist, wobei die Keramik bevorzugt im Glas wenig oder nur langsam lösbar ist.
Füge- oder Abdichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Füge- oder Abdichtelement eine Fügeverbindung ist.
Füge- oder Abdichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramik- oder Metall-Glas-Komposit Teilchen aus Metall oder Keramik mit einem mittleren Teilchendurchmesser von größer als 0,4 μm, bevorzugt größer als 1 μm und besonders bevorzugt größer als 8 μm umfasst.
Füge- oder Abdichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Infiltrationstiefe des Glases mehr als 1 mm, bevorzugt mehr als 6 mm beträgt.
Füge- oder Abdichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramik- oder Metallanteil des Keramik- oder Metall-Glas-Komposits des Füge- oder Abdichtelements 40 bis 80 Vol.-%, vorzugsweise 60 bis 80 Vol.-%, ausmacht.
Füge- oder Abdichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Füge- oder Abdichtelements gasdicht ist.
Füge- oder Abdichtelement nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Bauelemente, die mit dem Füge- oder Abdichtelement verbunden sind, ein Rohr, eine Platte, einen Flansch, einen Quader, einen Stab, ein Profil und/oder ein komplex geformtes Bauelement umfassen, wobei bevorzugt mindestens ein Rohr vorhanden ist.
Füge- oder Abdichtelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauelement ein Rohr ist oder umfasst und ein oder mehrere zusätzliche Bauelemente, die mit dem Füge- oder Abdichtelement verbunden sind, Durchführelemente sind, die zumindest teilweise in dem Rohr angeordnet sind.
Füge- oder Abdichtelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchführelement mindestens ein Element ausgewählt aus einem Röhrchen, einem Rohr, einem Stäbchen, einem Stab, einem Profil, einem Plättchen oder einer Folie ist.
Füge- oder Abdichtelement nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchführelement ein Hohlelement ist und durch das Füge- oder Abdichtelement nicht verschlossen wird, so dass sich eine Durchleitung ergibt.
Füge- oder Abdichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Füge- oder Abdichtelement als Schicht oder dreidimensionaler Körper vorliegt.
Füge- oder Abdichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Füge- oder Abdichtelement Bestandteil eines Bauteils oder einer Vorrichtung ist, von dem bzw. von der es umfasst ist.
Füge- oder Abdichtelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil oder die Vorrichtung neben dem Füge- oder Abdichtelement ein oder mehrere weitere Bauelemente umfasst, von denen mindestens eines mit dem Füge- oder Abdichtelement verbunden ist.
Verfahren zum Fügen oder Abdichten von mindestens einem Bauelement mit einem Füge- oder Abdichtelement aus einem glasinfiltrierten Keramik- oder Metallkomposit, umfassend a) Anordnen oder Bilden einer porösen Masse, die Teilchen aus Keramik oder Metall enthält, in der Nähe von oder in Kontakt mit einem oder mehreren Bauelementen, die mit dem Keramik- oder Metallkomposit zu verbinden sind, b) Aufbringen von Glasmaterial auf die poröse Masse, c) Erwärmen des Glasmaterials auf eine Infiltrationstemperatur, damit das Glas in das Keramik- oder Metallmaterial infiltriert wird, und d) Abkühlen unter Bildung des glasinfiltrierten Keramik- oder Metallkomposits, das mit mindestens einem Bauelement verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen von Glasmaterial gemäß Schritt b) und vor dem Erwärmen des Glasmaterials gemäß Schritt c) ein oder mehrere weitere Bauelemente auf dem Glasmaterial angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Masse ein poröser Grünkörper oder eine poröse Schicht ist.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Grünkörper durch a1) Gießen einer Suspension, die Teilchen aus Keramik oder Metall enthält, in einen Zwischenraum, so dass ein oder mehrere Bauelemente, die mit dem Keramik- oder Metallkomposit zu verbinden sind, mit der Suspension in Kontakt gebracht werden, und a2) teilweises oder vollständiges Entfernen des Dispersionsmittels aus der Suspension, um einen porösen Grünkörper zu erhalten, gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Formkörper aus der Suspension durch Zentrifugalguss oder Schlickerguss gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorgeformter poröser Grünkörper oder eine vorgeformte poröse Schicht angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünkörper über einen Trockenpressprozess hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Masse durch Einbringen von einem Pulver, das Metall- oder Keramikteilchen umfasst, in einen Zwischenraum, so dass ein oder mehrere Bauelemente, die mit dem Keramik- oder Metallkomposit zu verbinden sind, mit dem Pulver in Kontakt gebracht werden, gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver durch Einrieseln, Einstampfen oder Einrütteln eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Schicht aus Metall- oder Keramikteilchen durch ein Beschichtungsverfahren oder ein Foliengießverfahren auf einem Bauelement als Substrat gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Schicht aus Metall- oder Keramikteilchen durch Auflegen einer porösen Folie aus diesen Materialien auf ein Bauelement angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial als Glaspulver, als Suspension, von der gegebenenfalls anschließend das Dispersionsmittel ganz oder teilweise entfernt wird, oder als vorgeformtes Glasteil aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass für Herstellung der porösen Masse Pulver oder Suspensionen verwendet werden, die Teilchen aus Keramik oder Metall umfassen, die bevorzugt einen mittleren Teilchendurchmesser von größer als 0,4 μm, bevorzugter größer als 1 μm und besonders bevorzugt größer als 8 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass eine Infiltrationstemperatur von nicht mehr als 1200°C, bevorzugt nicht mehr als 1150°C, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall- oder Keramikteilchen bei der Infiltrationstemperatur keiner Sinterschrumpfung unterworfen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität des Glases bei der Infiltrationstemperatur 10² bis 10⁴ dPa·s beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass während des Infiltrationsprozesses im Wesentlichen keine Kristallisation des Glases erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas eine Komponente enthält, die der Keramik entspricht, und die Konzentration dieser Komponente im Glas mindestens 80% der Sättigungskonzentration im Glas entspricht.
Verwendung eines Füge- oder Abdichtelements nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Fügen oder Abdichten von Bauelementen in einem Bauteil oder einer Vorrichtung, insbesondere in einer Filtrationsvorrichtung oder einem Reaktor für flüssige oder gasförmige Medien, ausgenommen in einem Hohlfasermembranmodul zum Filtrieren von Flüssigkeiten in der Pharmaindustrie, Textilindustrie, Lebensmittel- und Getränkeindustrie, Metallverarbeitung/-bearbeitung, Druckindustrie, für Trinkwasser/Abwasser, Prozesswasser, in der Reaktortechnik, Papierindustrie und chemischen Industrie und ausgenommen in einem Hohlfasermembranmodul zum Separieren und Umsetzen von Gasgemischen in der chemischen Industrie, Energietechnik, Katalysatortechnik und Petrochemie.
Verwendung eines Füge- oder Abdichtelements nach Anspruch 36 in einem Wärmetauscher.
Verwendung eines Füge- oder Abdichtelements nach Anspruch 36 in einer Filtrationsvorrichtung in der Biotechnologie, Medizintechnik oder Mikrosystem-/Messtechnik.
Verwendung eines Füge- oder Abdichtelements nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Fügen oder Abdichten von Bauelementen in einem Bauteil oder einer Vorrichtung, wobei mindestens ein Bauelement ein elektrischer Leiter ist.