DE102015212335A1

DE102015212335A1 - Metall-keramik-werkstoffverbund und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE102015212335A1
Application number: DE102015212335.9A
Authority: DE
Inventors: Tassilo Moritz; Annte Günther; Heike Herfert; Marcel Hofmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-07-01
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2017-01-05
Also published as: DE102015212335A8

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstoffwissenschaften, und betrifft einen Metall-Keramik-Werkstoffverbund, wie er beispielsweise im Kraftfahrzeugbau eingesetzt werden kann. Die Aufgabe besteht in der Angabe eines Metall-Keramik-Werkstoffverbundes, welcher eine hohe mechanische Festigkeit und hohe Schadenstoleranz aufweist und weiterhin in der Angabe eines Verfahrens zu dessen Herstellung. Die Aufgabe wird gelöst durch einen Metall-Keramik-Werkstoffverbund bestehend aus mindestens einem keramischen Material und mindestens einem metallischen Material, wobei das metallische Material in Form eines netzwerkartigen textilen Gebildes vorhanden ist, und das keramische Material innerhalb und um das netzwerkartige textile Gebilde angeordnet ist und das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes zu mindestens 10 % bis maximal 95 % ausfüllt, und das keramische und metallische Material im Bereich ihrer gemeinsamen Anordnung mindestens teilweise form- und kraftschlüssig miteinander verbunden sind, und wobei mindestens an einer Oberfläche des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes ausschließlich das metallische Material angeordnet ist

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Werkstoffwissenschaften, der Verfahrenstechnik und der Elektrotechnik, und betrifft einen Metall-Keramik-Werkstoffverbund, wie er beispielsweise im Kraftfahrzeugbau, Maschinenbau, Medizintechnik, Sicherheitstechnik oder Werkzeugbau eingesetzt werden kann, zum Beispiel als Katalysator oder Katalysatorträger oder Filterkörper oder als Material für Beschussplatten, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Der Verbund zwischen Keramik und Metall spielt für vielfältige Anwendungen wie beispielsweise im Kraftfahrzeugbau, im Maschinenbau, in der Medizintechnik, im Werkzeugbau oder in der Elektrotechnik eine zunehmende Rolle.
Eine Möglichkeit zur Herstellung eines Verbundes von Metall und Keramik ist die Herstellung von Metallmatrix-Kompositen (metal matrix composites, MMC), bei der eine metallische Matrix durch keramische Partikel verstärkt wird. Diese Verbundwerkstoffe können hergestellt werden, indem eine poröse keramische Struktur mit einer metallischen Schmelze infiltriert wird (Wolfgang Schärfl, et al., „Phase Composition of Mg-PSZ in Manganese Alloyed TRIP-Stelle MMC Processed via Steel Casting and Conductive Sintering", Adv. Eng. Mater. 13 (6), 2011, S. 480–486, DOI: 10.1002/adem.201000373).
Verbundwerkstoffe weisen mikroskopische Fügungen mit kleinen Verbindungsflächen, beispielsweise einzelner Partikel miteinander, auf.
Weiter sind gemäß der EP 1 593 757 A1 integrierte Keramik-Metall-Komponenten bekannt, die aus einem metallischen Nicht-Schaum-Bereich und aus einem keramischen Schaum-Bereich bestehen, wobei im Übergangsbereich das metallische Material in den keramischen Schaum integriert ist.
Ebenfalls bekannt ist, dass metallische und keramische Partikel miteinander vermischt und anschließend pulvertechnologisch gemeinsam verarbeitet und gesintert werden. Der MMC (Metallmatrix-Komposit) erlangt eine Verstärkung der Metallmatrix durch einen geringeren Anteil an Keramikpartikeln (Christos Aneziris et al.: „Energy-Absorbing TRIP-Stelle/Mg-PSZ Composite Honeycomb Structures Based on Ceramic Extrusion at Room Temperature", International Journal of Applied Ceramic Technology 6 (6), S. 727–735, DOI: 10.1111/j. 1744-7402.2008.02321.x). Beide Werkstoffkomponenten, Metall und Keramik, werden ohne eine dritte Komponente, wie beispielsweise Lot, miteinander gefügt. Die Verbunde können kraft-, form- und stoffschlüssig sein. Die Verbindungsstruktur der MMC ist ein Verbundwerkstoff mit mikroskopischen Fügungen mit kleinen Verbindungsflächen, beispielsweise einzelner Partikel miteinander.
Die Herstellung gradierter metall-keramischer Bauteile ist durch Foliengießen (Yeon-Gil Jung et al.: „Fabrication of functionally graded ZrO2/NiCrAlY composites by plasma activated sintering using tape casting and its thermal barrier property", Materials Science and Engineering: B 323, S. 110–118, 2002) oder auch Spritzgießen (M. Dourandish et al., "Study the sintering behavior of nanocrystalline 3Y-TZP/430L stainless-steel composite layers for co-powder injection molding" Journal of Materials Science 44 (5), S. 1264–1274, 2009, DOI: 10.1007/s10853-008-3241-6) bekannt. Die Verbindung der Materialien ist kraft-, form- und stoffschlüssig, allerdings ist die Verbindungszone eine Schwachstelle der Verbunde, da die sich bildenden Grenzflächenphasen sehr dünn ausgebildet sind und auch die Partikelverzahnung nur oberflächlich stattfindet. Damit ist die Verbundfestigkeit relativ niedrig.
Der Stoffschluss von metallischer und keramischer Komponente ist hauptsächlich von deren chemischer Zusammensetzung abhängig und zeichnet sich durch eine Mischphase chemischer Elemente beider Werkstoff aus (Mahdi Dourandish et al., „Pressureless Sintering of 3Y-TZP/Stainless-Steel Composite Layers", Journal oft he American Ceramic Society 91 (11), S. 3493–3503, 2008, DOI: 10.1111/j.1551-2916.2008.02658.x). Um diesen Stoffschluss zu erreichen, ist eine gemeinsame Sinterung notwendig, die wiederum ähnliche thermische Eigenschaften der Verbundpartner erfordert. Die Abstimmung von thermischem Ausdehnungskoeffizienten und den Sintertemperaturen und damit auch den Schmelztemperaturen ist wichtig und ist beispielsweise für einen Verbund von Zirkonoxid und einigen chromhaltigen Edelstählen gegeben (A. Bergner et al., „Steelceramic laminates made by tape casting – Processing and Interfaces, Ceramic Transactions", The American Ceramic Society, Wiley, 249 (2014) 55–62).
Bekannt ist das Aktivlöten mehrkomponentiger Bauteile aus Keramik und Metall (B. Wielage et al., „Aktivlöten von Ingenieurkeramik, Hart- und Hochtemperaturlöten. Vorträge des 9. Dortmunder Hochschulkolloquiums, 6./. Dez. 1990, Dortmund: Deutscher Verlag für Schweißtechnik, S. 15–20). Beim Aktivlöten wird durch die Benetzung der Keramikoberfläche durch die Lotbasismetalle eine chemische Wechselwirkung realisiert, so dass ein Lötverbund hergestellt wird. Die Eigenschaften der entstanden Reaktionsschicht mit dem Lot beeinflussen maßgeblich die Eigenschaften des Werkstoffverbundes in Bezug auf Dichte, Härte, thermisches Ausdehnungsverhalten und E-Modul. Zugleich stellt die Lotzone immer eine Schwachstelle des Verbundes dar. Bekannt sind Aktivlötverbunde von ZrO₂ mit sich selbst und mit Stahl (H. Krappitz, et al., „Konferenz-Einzelbericht: DVS-Berichte", Bd. 125, DVY-Verlag Düsseldorf, 1989, S. 80–85). Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass ein Hochvakuum erforderlich ist und die Lotmaterialien, zumeist Lote auf Kupfer- oder Kupfer/Silber-Basis, kostenintensiv sind. Weiter ist nachteilig, dass beim Aufbringen der Lote auf die Fügefläche mit einem Verschnitt zu rechnen ist und dass das Fixieren der beiden Fügepartner während des Lötprozesses problematisch ist.
Gemäß der EP 2 104 582 B1 wird ein haftfester Metall-Keramik-Verbund angegeben, bei dem Keramikpulver und Metallpulver zu einem Pressgranulat, einer thermoplastischen Masse oder einer Suspension oder einem Werkstoffverbund verarbeitet werden, die entstandenen Grünkörper entbindert und nachfolgend einer Temperaturbehandlung unterzogen werden. Die Verbundbildung erfolgt während der Temperaturbehandlung und während des Sinterprozesses des Grünkörpers oder während der Verdichtung und gleichzeigen Temperaturbehandlung von pulverförmigen Ausgangsstoffen. Dabei muss jedoch gewährleistet sein, dass mindestens eines der Pulver Silicium, Titan, Chrom, Nickel, Mangan, Hafnium, Zirkonium, Aluminium und/oder eine organische Siliciumverbindung im Bereich der Verbindungsflächen enthält.
Ebenfalls bekannt ist gemäß DE 196 52 223 A1 die Herstellung mehrkomponentiger Bauteile aus Keramik und/oder Pulvermetall über thermoplastische Formgebung. Dabei wird aus mindestens zwei keramischen und/oder pulvermetallurgischen Werkstoffen und aus mindestens einem thermoplastischen Binder ein Formkörper hergestellt, wobei innerhalb des Formkörpers Teilvolumina vorhanden sind, die unterschiedliche stoffliche Zusammensetzungen aufweisen und/oder einen unterschiedlichen Gehalt an Teilchen des/der Werkstoffe im thermoplastischen oder duroplastischen Binder aufweisen.
Auch bekannt ist das Aufbrennen von Keramik auf Metallgrundkörper in der Dentaltechnologie für verblendete Zahnimplantate (K. Eicher et al., „Zahnärztliche Werkstoffe und ihre Verarbeitung, Band 1 – Grundlagen und Verarbeitung, Benetzbarkeit und verbundbildende Eigenschaften, Georg Thieme Verlag, 2000, 356–357).
Formteile, die aus mehreren Komponenten hergestellt werden, sind gemäß US 2003/0062660 A1 mittels Mehrkomponenten-Pulverspritzgießen aus keramischen und/oder metallischen Pulverwerkstoffen bekannt. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass das Schwindungsverhalten der Materialien während der Co-Sinterung exakt aufeinander angepasst werden muss, insbesondere müssen die unterschiedlichen Schwindungsbeträge und -raten der zu kombinierenden Werkstoffe durch Angleichen der relativen Partikelpackungsdichte und durch Anpassen der Wärmebehandlung zur gemeinsamen Entbinderung und Sinterung aufeinander abgestimmt werden.
Weiterhin nachteilig an der Co-Sinterung ist, dass Materialien mit stark unterschiedlichem Schmelzpunkt nicht kombinierbar sind. Somit ist ein echter Stoffschluss der Materialien, insbesondere zwischen Metall und Keramik im Interfacebereich infolge einer chemischen Reaktion zwar möglich, aber durch die gemeinsame Verarbeitung beider Verbundpartner in einem Sinterschritt durch die notwendigerweise identischen Sinterbedingungen (Druck, Temperaturverlauf, Haltezeit und Gasatmosphäre) auf sehr wenige Metall-Keramik-Werkstoffpaarungen beschränkt.
Ein keramischer und/oder pulvermetallurgischer Verbundformkörper ist gemäß DE 10 2007 003 192 A1 bekannt, der aus einer Grünfolie oder einem Grünfolienverbund aus mindestens einem keramischen und/oder metallischen und/oder Bindemittelmaterial besteht, welche(r) die Oberfläche des Verbundformkörpers mit gleicher und/oder unterschiedlicher Zusammensetzung und/oder Schichtdicke ganz oder teilweise bedeckt oder in dem Verbundformkörper enthalten ist, und aus einem keramischen und/oder metallischen Spritzgusskörper der mindestens formschlüssig mit der Grünfolie oder dem Grünfolienverbund verbunden ist. Die Korngröße und die Kornverteilung und/oder die Packungsdichte der keramischen und/oder metallischen Pulverkörner in der Grünfolie oder dem Grünfolienverbund, sowie deren Schwindungsverhalten beim Sintern sind an das Schwindungsverhalten des keramischen und/oder metallischen Spritzgusskörpers bei der nachfolgenden Sinterung angepasst. Im Falle des Einsatzes eines thermoplastischen Bindemittels in der Grünfolie oder im Grünfolienverbund ist die Schmelz- und Verarbeitungstemperatur des Spritzgussmaterials kleiner als die Schmelztemperatur des thermoplastischen Binders.
Bekannt ist gemäß der EP 0 417 018 B1 ein bioreaktives Material der Glasart und ein Verfahren zu seiner Herstellung, wobei ein mit einem Grundmaterial mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten verbundener Verbundwerkstoff implantiert wird. Das bioreaktive Glas ist besonders gut für die Herstellung von Komposit-Knochenprothesen oder –Zahnimplantaten einsetzbar, da es zur Verstärkung dient. Das Grundmaterial darf während der Herstellung des Verbundwerkstoffs nicht schmelzen und muss chemisch inert bleiben. Der Verbundwerkstoff kann armiert oder plattiert sein. Bei armierten Verbundwerkstoffen sind die beiden Materialien, das bioreaktive Glas und das Grundmaterial, eng miteinander verbunden. Das Grundmaterial kann als Ausgangsmaterial in Form von Pulvern oder dispergierten Fasern in loser Form, die den Pulvern beigemischt werden und das bioreaktive Glas bilden, oder aber in Form eines porösen Gerüsts, das in gesinterter oder ungesinterter Vorformkörper aus Fasern in verwirrter Form oder ein poröser Vorformkörper aus gesintertem Material sein kann, vorhanden sein. In dieses Grundmaterial wird das bioreaktive Material integriert. Das Gerüst hat im Allgemeinen ein Porenvolumen von 15–90 Vol-%, bevorzugt 30–70 Vol-%, bezogen auf das Gesamtvolumen, bevor das bioreaktive Material integriert wird. So entsteht entweder ein zusammengesinterter Verbundwerkstoff, der die im bioreaktiven Glas dispergierten Körner oder Fasern von Grundmaterialien enthält, oder ein plattierter Verbundwerkstoff, dessen Kern aus Grundmaterial in Form eines porösen Gerüsts ausgebildet ist, dass einen fast vollständig gefüllten Teil, dessen Porenräume vollständig mit dem bioreaktiven Material gefüllt sein können, aufweist.
Gemäß der US 4,478,904 A ist ein metallverstärkter Glaskomposit bekannt, bei dem die Poren und Öffnungen in einem Metallfasergebilde mit Glas vollständig gefüllt sind.
Gemäß der EP 1 736 181 sind biomedizinische Implantate bekannt mit einer strukturierten Oberfläche, die Zacken, Vertiefungen, Verzahnungen, Einschnitte, Einbuchtungen, Kerben oder Beulen aufweisen. Auf dieser strukturierten Oberfläche mit Durchmessern in einem Bereich von 200 nm bis 15 µm können eine Schicht oder Zellen befestigt werden. Auch können auf der strukturierten Oberfläche metallische Elemente vorliegen, die mit einer keramischen Schicht bedeckt sind. Die strukturierte Oberfläche wird beispielsweise durch einen Ätzprozess erzeugt. Durch diese Strukturierungen wird eine verbesserte Adhäsion von nichtmetallischen Beschichtungen oder Gewebezellen erreicht, welche das Einwachsverhalten von Knochenzellen fördert.
Auch ist gemäß der DE 196 42 983 ein Schichtkörper bekannt, der ein Substrat enthält, das wenigstens eine Faserschicht aufweist und eine an die Faserschicht anschließende Deckschicht, die zumindest der wenigstens einen Faserschicht benachbart metallische Fasern und/oder Fäden enthält. Die wenigstens eine Faserschicht des Substrats und die metallischen Fasern und/oder Fäden der Deckschicht sind mit Bindemittel getränkt, so dass dadurch das Substrat und die Deckschicht gebildet und verbunden sind. In der Deckschicht mit den metallischen Fasern und/oder Fäden sind stoffschlüssig verbundene, metallische Partikel eingelagert.
Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist, dass bei der Herstellung Bindemittel notwendig sind und/oder Probleme durch das unterschiedliche Schwindungsverhalten der jeweiligen Komponenten auftreten, so dass nachfolgend die Haftung beider Materialien miteinander negativ beeinflusst wird. Durch den negativen Einfluss auf die Haftung in der Reaktionszone steigt die Wahrscheinlichkeit für mechanisches Versagen oder Korrosion.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Metall-Keramik-Werkstoffverbundes, welcher eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Schadenstoleranz aufweist und bei dem eine gute Haftung zwischen metallischem und keramischem Material vorliegt und weiterhin in der Angabe eines Verfahrens zu dessen Herstellung, mit dem der Metall-Keramik-Werkstoffverbund einfach und kostengünstig hergestellt wird.
Die Aufgaben werden durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Metall-Keramik-Werkstoffverbund besteht aus mindestens einem keramischen Material und mindestens einem metallischen Material, wobei das metallische Material in Form eines netzwerkartigen textilen Gebildes vorhanden ist, und das keramische Material innerhalb und um das netzwerkartige textile Gebilde aus dem metallischen Material angeordnet ist und das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material zu mindestens 10 % bis maximal 95 % ausfüllt, und das keramische und metallische Material im Bereich ihrer gemeinsamen Anordnung mindestens teilweise form- und kraftschlüssig miteinander verbunden sind, und wobei mindestens an einer Oberfläche des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes ausschließlich das metallische Material angeordnet ist Vorteilhafterweise ist das netzwerkartige textile Gebilde in Form eines textilen Flächengebildes vorhanden, noch vorteilhafter ist das netzwerkartige textile Gebilde ein geordnetes oder ungeordnetes Flächengebilde in Form eines Gewebes, Gewirkes, Geleges, Geflechtes, Vlieses oder Filzes vorhanden. Und auch vorteilhafterweise liegt das netzwerkartige textile Gebilde in Form eines Vliesstoffes oder Filzes vor.
Weiterhin vorteilhafterweise besteht das netzwerkartige textile Gebilde aus ungeordnet und/oder geordnet positionierten Fasern oder Drähten aus einem metallischen Material mit Durchmessern zwischen 5 µm und 1 mm, noch vorteilhafterweise zwischen 15 µm und 200 µm, und Längen zwischen 0,1 bis 250 mm.
Ebenfalls vorteilhafterweise sind bei dem erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Werkstoffverbund das keramische und das metallische Material im netzwerkartigen textilen Gebilde auch ganz oder teilweise stoffschlüssig miteinander verbunden.
Vorteilhaft ist auch, wenn als keramisches Material Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Mischoxide und Dispersionskeramiken, Hydroxylapatit, Tricalciumphosphat, Biokeramiken, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Porzellan, Mullit, Steatit, Cordierit oder andere silikatische Materialien vorhanden ist. Und auch vorteilhafterweise ist als metallisches Material nichtrostender Stahl, noch vorteilhafterweise 17-4PH, Crofer, 430, 420, 316L, oder ein hochtemperaturbeständiges Metall, noch vorteilhafterweise Platin, Molybdän oder Wolfram in Form des netzwerkartigen textilen Gebildes vorhanden.
Vorteilhafterweise ist bei dem erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Werkstoffverbund das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material zu 30 % bis 60 % mit dem keramischen Material gefüllt und umschlossen.
Weiterhin vorteilhafterweise ist das keramische Material in den offenen Zellen des netzwerkartigen textilen Gebildes und um die faser-, steg- oder drahtartigen Bestandteile des metallischen Materials form- und kraftschlüssig angeordnet.
Ebenfalls vorteilhafterweise besteht der Werkstoffverbund aus mindestens einem keramischen Material, mindestens einem metallischen Material und einem weiteren Material, wobei das weitere Material das freie Volumen des metallischen, netzwerkartigen textilen Gebildes mindestens teilweise ausfüllt und mindestens form- und kraftschlüssig mit dem metallischen Material verbunden ist. Noch vorteilhafterweise liegt als weiteres Material Aluminium, Kupfer, Hartmetalle, Kobalt, Nickel, Titanium, Magnesium, nichtrostende Stähle, Gold, Silber, Platin, Palladium, Chromium, Zinn, Zink, Kunststoff, Harz, Biopolymer, biologisch abbaubares Glas, Kieselglas, Alkali-Silikat-Glas, Erdalkali-Silikat-Glas, Boratglas, Oxidkeramik, Nichtoxidkeramik und/oder Silikatkeramik vor.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Werkstoffverbundes wird ein keramisches Material mittels keramischer Technologien an, in und um ein metallisches Material in Form eines netzwerkartigen textilen Gebildes angeordnet, wobei das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material zu mindestens 10 % bis maximal 95 % mit dem keramischen Material ausfüllt und umhüllt wird, und mindestens an einer Oberfläche des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes ausschließlich das metallische Material angeordnet wird, und nachfolgend der Verbund-Grünkörper entbindert und/oder getrocknet und gesintert wird, wobei alle Verfahrensschritte bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des metallischen Materials durchgeführt werden, und nachfolgend der Metall-Keramik-Werkstoffverbund weiterverarbeitet werden kann.
Vorteilhafterweise wird das keramische Material mittels Pulverspritzgießen und/oder Spritzgießen und/oder Pressen und/oder Gießen und/oder Schlickergießen und/oder Foliengießen und/oder Gelcasting und/oder Gefriergießen und/oder Additive Fertigungsverfahren und/oder Inmold-Labeling und/oder elektrophoretische Abscheidung und/oder Tauchen an, in und um das metallische Material angeordnet.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material zu 30 % bis 60 % mit dem keramischen Material ausgefüllt.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn die Sinterung des Verbund-Grünkörpers bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des metallischen Materials durchgeführt wird. Noch vorteilhafter ist es, wenn die Sinterung des Verbund-Grünkörpers bei Temperaturen durchgeführt wird, die zwischen 5 % und 20 % unterhalb der Schmelztemperatur des metallischen Materials liegen.
Auch wird vorteilhafterweise der gesinterte Metall-Keramik-Werkstoffverbund mit weiteren Materialien über den Bereich des netzwerkartigen textilen Gebildes, welches ausschließlich aus metallischem Material besteht, verbunden. Noch vorteilhafterweise werden als weitere Materialien Aluminium, Kupfer, Hartmetalle, Kobalt, Nickel, Titanium, Magnesium, nichtrostende Stähle, Gold, Silber, Platin, Palladium, Chromium, Zinn, Zink, Kunststoffe, Harze, Biopolymere, biologisch abbaubare Gläser, Kieselglas, Alkali-Silikat-Gläser, Erdalkali-Silikat-Gläser, Boratgläser, Oxidkeramiken, Nichtoxidkeramiken, Silikatkeramiken eingesetzt.
Mit dem erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Werkstoffverbund wird es erstmals möglich, einen solchen Werkstoffverbund anzugeben, welcher eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Schadenstoleranz aufweist und bei dem eine gute Haftung zwischen metallischem und keramischem Material vorliegt. Ebenfalls wird es erstmals möglich, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Metall-Keramik-Verbundes anzugeben, mit dem der Metall-Keramik-Werkstoffverbund einfach und kostengünstig hergestellt wird.
Unter Schadenstoleranz ist die Tolerierung und Inkaufnahme von Schäden eines Systems bis zu einer definierten Schadensgröße und -anzahl zu verstehen. Erfindungsgemäß soll eine möglichst geringe Schadensgröße und -anzahl toleriert und in Kauf genommen werden.
Der erfindungsgemäße Metall-Keramik-Werkstoffverbund besteht dabei aus mindestens einem keramischen Material und mindestens einem metallischen Material, wobei das metallische Material in Form eines metallischen, netzwerkartigen textilen Gebildes, vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl, wie 17-4PH, Crofer, 430, 420, 316L, oder aus einem hochtemperaturbeständigen Metall, wie Platin, Molybdän oder Wolfram vorliegt.
Das mindestens metallische Material im netzwerkartigen textilen Gebilde kann auch teilweise aus anderen Materialien, wie beispielsweise Polymeren oder Naturmaterialien, bestehen, wobei metallisches Material aber mindestens vorhanden sein muss.
Vorteilhafterweise können Biko-Fasern eingesetzt werden, bei denen die Fasern teilweise aus Polymeren bestehen und/oder das netzwerkartige, textile Gebilde aus Polymerfasern, wie Polyamidfasern, besteht. Die Metallfasern können dabei in das netzwerkartige, textile Gebilde eingefügt sein und/oder die einzelnen Polymerfasern teilweise umgeben. Der Volumenanteil der Polymere kann bei derartigen Biko-Fasern bis zu 95 % betragen.
Das netzwerkartige textile Gebilde besteht dabei aus ungeordnet und/oder geordnet positionierten Fasern oder Drähten aus dem metallischen Material, vorteilhafterweise mit Durchmessern zwischen 5 µm und 1 mm, noch vorteilhafterweise mit Durchmessern zwischen 15 µm und 200 µm, und Längen zwischen 0,1 bis 250 mm. Das netzwerkartige textile Gebilde ist vorteilhafterweise ein geordnetes oder ungeordnetes Flächengebilde in Form eines Gewebes, Gewirkes, Geleges, Geflechtes, Vlieses, insbesondere eines Vliesstoffes, oder Filzes.
Das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material ist dabei zu mindestens 10 % und bis maximal 95 %, vorteilhafterweise zu 30 % bis 60 %, mit einem keramischen Material gefüllt. Dabei ist von besonderer Bedeutung, dass einerseits die keramischen und metallischen Materialien mindestens teilweise form- und kraftschlüssig miteinander verbunden sind, und andererseits, dass mindestens an einer Oberfläche des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes ausschließlich das metallische Material angeordnet ist. Dies bedeutet, dass einerseits im keramischen Material die Fasern und Drähte des metallischen Materials mindestens teilweise form- und kraftschlüssig eingebettet und umhüllt vorliegen, dass aber andererseits an mindestens einer Oberfläche des Werkstoffverbundes ein Bereich vorhanden ist, der nur aus dem metallischen, netzwerkartigen textilen Material gebildet ist. In diesem Bereich sind die Fasern und Drähte des metallischen Materials weder von keramischem Material umhüllt, noch sind die offenen Zellen und Poren des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material mit keramischem Material gefüllt.
Das keramische Material kann dabei Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Mischoxide und Dispersionskeramiken, Hydroxylapatit, Tricalciumphosphat, Biokeramiken, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Porzellan, Mullit, Steatit, Cordierit oder andere silikatische Materialien sein und einen dichten oder porösen keramischen Körper bilden.
Vorteilhafterweise sind die metallischen Materialien mit den keramischen Materialien vollständig form- und kraftschlüssig verbunden. Sie können daneben auch ganz oder teilweise stoffschlüssig miteinander verbunden sein.
Vorteilhafterweise kann der erfindungsgemäße Metall-Keramik-Werkstoffverbund ein weiteres Material aufweisen, das das freie Volumen des metallischen, netzwerkartigen textilen Gebildes mindestens teilweise ausfüllt und mit diesem eine mindestens form- und kraftschlüssige Verbindung eingeht. Das freie metallische Material ohne keramisches Material kann im Werkstoffverbund auch als elektrische Kontaktierung des Werkstoffverbundes dienen.
Das weitere Material füllt die Hohlräume des freien, nicht mit Keramik gefüllten oder ummantelten Volumens des metallischen, netzwerkartigen textilen Materials zu mindestens 10 % bis vollständig aus, wobei die Fasern und Drähte des metallischen Materials teilweise form- und kraftschlüssig eingebettet und umhüllt vorliegen. Das weitere Material kann dabei ein Metall, eine Keramik, ein Polymer oder ein glasartiges Material sein und kann in Pulverform oder als Granulat oder als Feedstock auf pulvertechnologischem Weg mit anschließender Sinterung oder als Schmelze über Infiltration oder über die Gasphase über CVD- oder PVD-Prozesse oder in Form eines Salzes und dessen nachfolgender Reduktion oder in Form eines prekeramischen Polymers mit dem metallischen, netzwerkartigen textilen Gebilde in Kontakt gebracht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Werkstoffverbundes wird aus mindestens einem keramischen und einem metallischen, netzwerkartigen textilen Gebilde ein Werkstoffverbund mittels keramischer Technologien hergestellt. Vorteilhafterweise kann ein weiteres Material an, in und um dieses metallische, netzwerkartige, textile Gebilde mittels keramischer Technologien angeordnet werden. Als keramische Technologien können Pulverspritzgießen und/oder Pressen und/oder Gießen und/oder Schlickergießen und/oder Foliengießen und/oder Gefriergießen und/oder Additive Fertigungsverfahren und/oder Inmold-Labeling und/oder elektrophoretische Abscheidung und/oder Tauchen eingesetzt werden. Durch diese Verfahren wird das keramische Material mindestens teilweise form- und kraftschlüssig an, in und um das metallische Material angeordnet und kann eine dichte oder poröse Keramik mit darin eingebettetem metallischem Material bilden. Das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material wird erfindungsgemäß zu 10 % bis maximal 95 % mit dem keramischen Material gefüllt. An mindestens einer Oberfläche des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes ist ausschließlich metallisches, netzwerkartiges textiles Material angeordnet.
Nach dem Herstellen des Verbund-Grünkörpers wird dieser entbindert und/oder getrocknet und nachfolgend gesintert, wobei von besonderer Bedeutung ist, dass alle Verfahrensschritte bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des metallischen, netzwerkartigen textilen Materials realisiert werden, und wobei die Ausdehnungskoeffizienten der Materialien und die Schwindung des keramischen Materials bei der Herstellung des Grünkörpers zu berücksichtigen sind. Während der Sinterung kommt es zum form- und kraft-, und vorteilhafterweise auch zum stoffschlüssigen Verbund zwischen der keramischen Komponente und dem metallischen, netzwerkartigen textilen Material.
Im Falle des Einsatzes von Biko-Fasern unter Verwendung von Fasern mit geringerer Schmelztemperatur als das metallische Material werden diese bei Sinterung des keramischen Materials ausgebrannt und bilden einen Hohlraum um und/oder neben dem metallischen Material, welcher während der Sinterung zum Schwindungsausgleich beitragen kann und vorteilhafterweise das keramische Material auf das vorhandene metallische Material aufschrumpft.
Mit dem erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Werkstoffverbund wird es somit erstmals möglich, einen Metall-Keramik-Werkstoffverbund anzugeben, bei dem ein Teil des metallischen Materials nach Abschluss des Herstellungsverfahrens an mindestens einer Oberfläche offen vorliegt. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass das metallische Material einen höheren Schmelzpunkt aufweist als die Sintertemperatur des keramischen Materials. Ebenfalls können sich bei dem erfindungsgemäßen Werkstoffverbund auch die Ausdehnungskoeffizienten von Metall und Keramik deutlich voneinander unterscheiden. Auch unter diesen Voraussetzungen weist der erfindungsgemäße Werkstoffverbund eine gute Haftung mindestens zwischen dem metallischen, netzwerkartigen textilen Gebilde und dem keramischen Material auf, sowie zeigt eine sehr gute Schadenstoleranz.
Erfindungsgemäß kann der Metall-Keramik-Werkstoffverbund nachfolgend mit weiteren, metallischen, keramischen oder anderen Materialien, über das an mindestens einer Oberfläche des Werkstoffverbundes ausschließlich vorhandene metallische Material verbunden werden. Vorteilhafterweise kann als weiteres Material Pulvermetall auf pulvertechnologischem Weg mit dem metallischen Material des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes kontaktiert oder infiltriert werden. Auch dieser Metall-Keramik-Werkstoffverbund mit einem weiteren metallischem Material kann anschließend noch vorteilhafterweise getrocknet und/oder entbindert und einer erneuten Sinterung unterzogen werden, wobei auch hier die Sintertemperaturen die Schmelztemperaturen der metallischen Materialien nicht überschreiten dürfen.
Die Verbindung des metallischen Materials des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes mit einem weiteren Material kann auch mittels Kontaktieren oder Infiltrieren durch ein schmelzflüssiges Material erfolgen. Dabei darf die Temperatur des infiltrierenden schmelzflüssigen Materials die Schmelztemperatur des netzwerkartigen textilen Metalls nicht überschreiten. Für den Fall, dass das weitere Material ein Metall ist, kann es zwischen den beiden Metallen zur Legierungsbildung kommen. Vorteilhafterweise kann das weitere Material ein Metall sein, das einen deutlich niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das metallische, netzwerkartige textile Gebilde. Erfindungsgemäß lässt sich dadurch aus dem netzwerkartigen textilen Gebilde mit dem keramischen Material ein Werkstoffverbund herstellen, bei dem ein keramisches Material dann mit einem niedrigschmelzenden Metall, wie Kupfer oder Aluminium, über das netzwerkartige textile Gebilde verbunden ist.
Desweiteren kann die Verbindung des freien Volumens des metallischen, netzwerkartigen textilen Gebildes mit dem weiteren Material über die Gasphase über CVD- oder PVD-Prozesse oder in Form eines Salzes und dessen nachfolgender Reduktion oder in Form eines prekeramischen Polymers hergestellt werden.
Durch das Vorliegen des metallischen Materials des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes an mindestens einer Oberfläche des Werkstoffverbundes kann vorteilhafterweise eine Funktionalisierung realisiert werden.
Das metallische Material des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes weist als netzwerkartige textile Struktur eine hohe Verformbarkeit und geringe Steifigkeit auf und kann vorteilhafterweise gestaucht, gedehnt oder gestreckt werden. Aufgrund der hohen Verformbarkeit des metallischen Materials kann das metallische Material von keramischen oder pulvermetallurgischen Pulvern, Suspensionen oder Feedstocks oder metallischen Schmelzen infiltriert werden und führt infolge dieser Verformbarkeit während einer Sinterung nicht zu einer Schädigung infolge starker thermischer Ausdehnung. Aufgrund der vorteilhaften Verankerung des metallischen, netzwerkartigen textilen Materials mit und in dem keramischen Material erhöht sich die Schadenstoleranz des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes. Durch diese Eigenschaften vermindert sich bei dem erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Werkstoffverbund die Rissausbreitung innerhalb der Verbundzone. Eine partielle oder punktuelle Zerstörung der Keramik führt somit nicht zwangsläufig zur Zerstörung des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes oder des daraus hergestellten Verbundbauteils.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Ein metallisches Material in Form eines runden Vlieses mit den Abmessungen d = 35 mm, h = 2–5 mm, bestehend aus Biko-Fasern, bei denen die Polyesterfasern mit Edelstahlkurzfasern 1.5113 umwunden sind. Das Vlies, wird in einer 2K-Mikrospritzgussmaschine (Boy 35 E W, Dr. Boy GmbH) in ein zylindrisches Werkzeug (d = 30 mm) eingelegt und mit einem Zirkonoxid-Feedstock (Catamold TZP-A) angespritzt. Dabei wird etwa 50 % des offenen Volumens des Metallvlieses von der Spritzgussmasse auf der einen Seite ausgefüllt. Auf der anderen Seite bleiben 50 % des offenen Volumens des Metallvlieses von Zirkonoxidmasse unbedeckt. Der entstandene Verbund-Grünkörper wird mit einer Aufheizrate von 1 K/min bis auf 600 °C erwärmt und danach bis auf 1350 °C mit einer Aufheizrate von 3 K/min aufgeheizt, und nach einer zweistündigen Haltezeit bei 1350 °C anschließend abgekühlt.
Der dabei hergestellte Metall-Keramik-Werkstoffverbund weist eine Oberfläche mit dem Metallvlies auf, die andere Oberfläche weist eine dichte Zirkonoxid-Keramik mit Metallfäden/-drähten im Inneren des Keramikkörpers auf, wobei beide Materialien an ihren Verbundflächen (Oberflächen der Metalldrähte oder Metallfäden) miteinander form- und kraftschlüssig verbunden sind. Dieser Metall-Keramik-Werkstoffverbund weist eine sehr gute Schadenstoleranz und eine hohe mechanische Festigkeit auf.
Beispiel 2:
Herstellung des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes gemäß Beispiel 1, wobei nach der Herstellung das freie Volumen des Metallvlieses an der einen Oberfläche mit schmelzflüssigem Kupfer (T > 1065 °C) befüllt und anschließend abgekühlt wird. Das Kupfer verbindet sich mindestens teilweise an der Oberfläche der Kurzfasern mit dem Edelstahl zu einer Edelstahl-Kupfer-Legierung und durch die Füllung des freien Volumens erfolgt auch der Form- und Kraftschluss zwischen dem Kupfer und dem Metallvlies.
Beispiel 3:
Eine Schlickergusssuspension wird mit einem Zirkonoxidpulver (Tosoh, TZ 3Y-E, d₅₀ = 0,2 µm) aufbereitet. Dazu werden 35,1 Vol.-% ZrO₂-Pulver mit 52,6 Vol.-% Wasser, 4,9 Vol.-% Binderlösung, 1,5 Vol.-% Verflüssiger, 4,3 Vol.-% Glycerin und 1,6 Vol.-% Entschäumer mittels Planetenmischer (ARV-310CE, Thinky Corp.) für 120 Sekunden bei 2000 U/min dispergiert. Ein Metall-Polymer-Gewirk bestehend aus 1.4404 Stahldrähten (d = 0,125 mm) und PES 550dtex mit den Abmessungen 70 × 40 mm² wird in eine Gipsform eingespannt. Diese Gipsform hat ein mit Schlicker befüllbares Volumen von 70 × 40 × 10 mm³ und seitlich angebrachte Vertiefungen, die beim Schließen der beiden Gipsformteile separat von dem füllbaren Bereich vorliegen. In die Vertiefungen werden Metallstifte eingebracht, auf die das Gewirk gespannt wird und beim Schließen der beiden Gipsformteile an einer Position fixiert ist. Die hergestellte Schlickergusssuspension wird in die Gipsform eingegossen. Das Gewirk innerhalb der Gipsform ist einseitig von der Suspension bedeckt und wird mit einer Folie bedeckt. Nach einer Stunde wird der Verbund-Grünkörper aus der Gipsform entnommen.
Der entstandene Verbund-Grünkörper wird mit einer Aufheizrate von 1 K/min bis auf 600 °C erwärmt und danach bis auf 1350 °C mit einer Aufheizrate von 3 K/min aufgeheizt, und nach einer zweistündigen Haltezeit bei 1350 °C anschließend abgekühlt.
Der dabei hergestellte Metall-Keramik-Werkstoffverbund weist an der Oberfläche das Metallgewirk auf, welches zu 30 % freies Volumen aufweist und zu 70 % in der Keramik verankert ist, und die Gegenseite besteht aus der Zirkoniumoxidkeramik, wobei beide Materialien vollständig miteinander stoff-, form- und kraftschlüssig verbunden sind. Dieser hergestellte Metall-Keramik-Werkstoffverbund weist eine sehr gute Schadenstoleranz und eine hohe mechanische Festigkeit auf.
Beispiel 4:
Es wird ein Metall-Keramik-Werkstoffverbund gemäß Beispiel 3 hergestellt, wobei anschließend ein Glasgranulat direkt auf das freie Volumen des metallischen Materials aufgebracht wird und das Glasgranulat in einem weiteren glasspezifischen Sinterregime bei 800 °C für 2 Stunden eingebrannt wird. Dabei kommt es zur stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem metallischen Material und dem Glas als weiteres Material zur Keramik. Das Glas ist form- und kraftschlüssig an das Metallgewirk und somit an die Oxidkeramik gebunden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1593757 A1 [0005]
EP 2104582 B1 [0010]
DE 19652223 A1 [0011]
US 2003/0062660 A1 [0013]
DE 102007003192 A1 [0015]
EP 0417018 B1 [0016]
US 4478904 A [0017]
EP 1736181 [0018]
DE 19642983 [0019]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Wolfgang Schärfl, et al., „Phase Composition of Mg-PSZ in Manganese Alloyed TRIP-Stelle MMC Processed via Steel Casting and Conductive Sintering“, Adv. Eng. Mater. 13 (6), 2011, S. 480–486, DOI: 10.1002/adem.201000373 [0003]
Christos Aneziris et al.: „Energy-Absorbing TRIP-Stelle/Mg-PSZ Composite Honeycomb Structures Based on Ceramic Extrusion at Room Temperature“, International Journal of Applied Ceramic Technology 6 (6), S. 727–735, DOI: 10.1111/j. 1744-7402.2008.02321.x [0006]
Yeon-Gil Jung et al.: „Fabrication of functionally graded ZrO2/NiCrAlY composites by plasma activated sintering using tape casting and its thermal barrier property“, Materials Science and Engineering: B 323, S. 110–118, 2002 [0007]
M. Dourandish et al., “Study the sintering behavior of nanocrystalline 3Y-TZP/430L stainless-steel composite layers for co-powder injection molding” Journal of Materials Science 44 (5), S. 1264–1274, 2009, DOI: 10.1007/s10853-008-3241-6 [0007]
Mahdi Dourandish et al., „Pressureless Sintering of 3Y-TZP/Stainless-Steel Composite Layers“, Journal oft he American Ceramic Society 91 (11), S. 3493–3503, 2008, DOI: 10.1111/j.1551-2916.2008.02658.x [0008]
A. Bergner et al., „Steelceramic laminates made by tape casting – Processing and Interfaces, Ceramic Transactions“, The American Ceramic Society, Wiley, 249 (2014) 55–62 [0008]
B. Wielage et al., „Aktivlöten von Ingenieurkeramik, Hart- und Hochtemperaturlöten. Vorträge des 9. Dortmunder Hochschulkolloquiums, 6./. Dez. 1990, Dortmund: Deutscher Verlag für Schweißtechnik, S. 15–20 [0009]
H. Krappitz, et al., „Konferenz-Einzelbericht: DVS-Berichte“, Bd. 125, DVY-Verlag Düsseldorf, 1989, S. 80–85 [0009]
K. Eicher et al., „Zahnärztliche Werkstoffe und ihre Verarbeitung, Band 1 – Grundlagen und Verarbeitung, Benetzbarkeit und verbundbildende Eigenschaften, Georg Thieme Verlag, 2000, 356–357 [0012]

Claims

Metall-Keramik-Werkstoffverbund, bestehend aus mindestens einem keramischen Material und mindestens einem metallischen Material, wobei das metallische Material in Form eines netzwerkartigen textilen Gebildes vorhanden ist, und das keramische Material innerhalb und um das netzwerkartige textile Gebilde aus dem metallischen Material angeordnet ist und das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material zu mindestens 10 % bis maximal 95 % ausfüllt, und das keramische und metallische Material im Bereich ihrer gemeinsamen Anordnung mindestens teilweise form- und kraftschlüssig miteinander verbunden sind, und wobei mindestens an einer Oberfläche des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes ausschließlich das metallische Material angeordnet ist
Metall-Keramik-Werkstoffverbund nach Anspruch 1, bei dem das netzwerkartige textile Gebilde in Form eines textilen Flächengebildes vorhanden ist.
Metall-Keramik-Werkstoffverbund nach Anspruch 2, bei dem das netzwerkartige textile Gebilde ein geordnetes oder ungeordnetes Flächengebilde in Form eines Gewebes, Gewirkes, Geleges, Geflechtes, Vlieses oder Filzes vorhanden ist.
Metall-Keramik-Werkstoffverbund nach Anspruch 3, bei dem das netzwerkartige textile Gebilde in Form eines Vliesstoffes oder Filzes vorliegt.
Metall-Keramik-Werkstoffverbund nach Anspruch 1, bei dem das netzwerkartige textile Gebilde aus ungeordnet und/oder geordnet positionierten Fasern oder Drähten aus einem metallischen Material mit Durchmessern zwischen 5 µm und 1 mm, vorteilhafterweise zwischen 15 µm und 200 µm, und Längen zwischen 0,1 bis 250 mm besteht.
Metall-Keramik-Werkstoffverbund nach Anspruch 1, bei dem das keramische und das metallische Material im netzwerkartigen textilen Gebilde auch ganz oder teilweise stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Metall-Keramik-Werkstoffverbund nach Anspruch 1, bei dem als keramisches Material Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Mischoxide und Dispersionskeramiken, Hydroxylapatit, Tricalciumphosphat, Biokeramiken, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Porzellan, Mullit, Steatit, Cordierit oder andere silikatische Materialien vorhanden ist.
Metall-Keramik-Werkstoffverbund nach Anspruch 1, bei dem als metallisches Material nichtrostender Stahl, vorteilhafterweise 17-4PH, Crofer, 430, 420, 316L, oder ein hochtemperaturbeständiges Metall, vorteilhafterweise Platin, Molybdän oder Wolfram in Form des netzwerkartigen textilen Gebildes vorhanden ist.
Metall-Keramik-Werkstoffverbund nach Anspruch 1, bei dem das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material zu 30 % bis 60 % mit dem keramischen Material gefüllt und umschlossen ist.
Metall-Keramik-Werkstoffverbund nach Anspruch 1, bei dem das keramische Material in den offenen Zellen des netzwerkartigen textilen Gebildes und um die faser-, steg- oder drahtartigen Bestandteile des metallischen Materials form- und kraftschlüssig angeordnet ist.
Metall-Keramik-Werkstoffverbund nach Anspruch 1, bei dem der Werkstoffverbund aus mindestens einem keramischen Material, mindestens einem metallischen Material und einem weiteren Material besteht, wobei das weitere Material das freie Volumen des metallischen, netzwerkartigen textilen Gebildes mindestens teilweise ausfüllt und mindestens form- und kraftschlüssig mit dem metallischen Material verbunden ist.
Metall-Keramik-Werkstoffverbund nach Anspruch 11, bei dem als weiteres Material Aluminium, Kupfer, Hartmetalle, Kobalt, Nickel, Titanium, Magnesium, nichtrostende Stähle, Gold, Silber, Platin, Palladium, Chromium, Zinn, Zink, Kunststoff, Harz, Biopolymer, biologisch abbaubares Glas, Kieselglas, Alkali-Silikat-Glas, Erdalkali-Silikat-Glas, Boratglas, Oxidkeramik, Nichtoxidkeramik und/oder Silikatkeramik vorliegt.
Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Werkstoffverbundes, bei dem ein keramisches Material mittels keramischer Technologien an, in und um ein metallisches Material in Form eines netzwerkartigen textilen Gebildes angeordnet wird, wobei das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material zu mindestens 10 % bis maximal 95 % mit dem keramischen Material ausfüllt und umhüllt wird, und mindestens an einer Oberfläche des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes ausschließlich das metallische Material angeordnet wird, und nachfolgend der Verbund-Grünkörper entbindert und/oder getrocknet und gesintert wird, wobei alle Verfahrensschritte bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des metallischen Materials durchgeführt werden, und nachfolgend der Metall-Keramik-Werkstoffverbund weiterverarbeitet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das keramische Material mittels Pulverspritzgießen und/oder Spritzgießen und/oder Pressen und/oder Gießen und/oder Schlickergießen und/oder Foliengießen und/oder Gelcasting und/oder Gefriergießen und/oder Additive Fertigungsverfahren und/oder Inmold-Labeling und/oder elektrophoretische Abscheidung und/oder Tauchen an, in und um das metallische Material angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material zu 30 % bis 60 % mit dem keramischen Material ausgefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Sinterung des Verbund-Grünkörpers bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des metallischen Materials durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Sinterung des Verbund-Grünkörpers bei Temperaturen durchgeführt wird, die zwischen 5 % und 20 % unterhalb der Schmelztemperatur des metallischen Materials liegen.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der gesinterte Metall-Keramik-Werkstoffverbund mit weiteren Materialien über den Bereich des netzwerkartigen textilen Gebildes, welches ausschließlich aus metallischem Material besteht, verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem als weitere Materialien Aluminium, Kupfer, Hartmetalle, Kobalt, Nickel, Titanium, Magnesium, nichtrostende Stähle, Gold, Silber, Platin, Palladium, Chromium, Zinn, Zink, Kunststoffe, Harze, Biopolymere, biologisch abbaubare Gläser, Kieselglas, Alkali-Silikat-Gläser, Erdalkali-Silikat-Gläser, Boratgläser, Oxidkeramiken, Nichtoxidkeramiken, Silikatkeramiken eingesetzt werden.