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Title:
ELECTROPHORETIC METHOD FOR THE PRODUCTION OF CERAMIC STRUCTURES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/019505
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for producing ceramic structures and gradient structures whose particle size distribution has at least partly smaller values than the particle size distribution of the suspension from which the same are produced. According to the inventive method, a suspension containing ceramic particles is provided between a couple of electrodes, whereupon an electric field is applied to the couple of electrodes while the electrode surfaces of the couple of electrodes are placed perpendicular to a component of a gravitational field such that a fraction of the particles is deposited on the electrode of the couple of electrodes, which is located upstream of the component of the gravitational field, in the form of a ceramic structure.

Inventors:
Hausselt, Jürgen (Mozartstr. 20, Germersheim, 76726, DE)
Dauscher, Melanie (Mühlenstrasse 17, Gundelfingen, 94194, DE)
Von Both, Holger (Hebelhof 15a, Freiburg, 79104, DE)
Application Number:
PCT/EP2004/008768
Publication Date:
March 03, 2005
Filing Date:
August 05, 2004
Export Citation:
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Assignee:
FORSCHUNGSZENTRUM KARLSRUHE GMBH (Weberstrasse 5, Karlsruhe, 76133, DE)
Hausselt, Jürgen (Mozartstr. 20, Germersheim, 76726, DE)
Dauscher, Melanie (Mühlenstrasse 17, Gundelfingen, 94194, DE)
Von Both, Holger (Hebelhof 15a, Freiburg, 79104, DE)
International Classes:
C25D13/02; (IPC1-7): C25D13/02
Foreign References:
US4459327A
US4026780A
EP0381179A2
Attorney, Agent or Firm:
FORSCHUNGSZENTRUM KARLSRUHE GMBH (Stabsabteilung Marketing, Patente und Lizenzen Postfach 36 40, Karlsruhe, 76021, DE)
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Claims:
Patentansprüche :
1. Verfahren zur Herstellung keramischer Strukturen, bei dem zwischen jeweils einem Elektrodenpaar, das in eine sich in einem Gravitationsfeld befindliche Suspension, die keramische Partikel mit einer Partikelgrößenverteilung enthält, eintaucht, ein elektrisches Feld derart angelegt wird, dass sich auf einer der Elektroden des jeweiligen Elektrodenpaars nur die Größenfraktion der keramischen Partikel abscheidet, die kleiner ist als eine kritische Partikelgröße, die sich aus dem Gleichgewicht zwischen den aus dem elektrischen Feld und aus dem Gravitationsfeld resultierenden Kräften ergibt.
2. Verfahren zur Herstellung von keramischen Strukturen nach Anspru ch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden des jeweiligen Elektrodenpaars parallel zueinander und horizontal im Schwerefeld der Erde angeordnet sind, und sich die keramische Struktur auf der oberen Elektrode abscheidet.
3. Verfahren zur Herstellung von keramischen Strukturen nach Anspru ch l, dadurch gekennzeichnet, dass das Gravitationsfeld mittels einer rotierenden Zentrifuge erzeugt wird.
4. Verfahren zur Herstellung von keramischen Strukturen nach Anspru ch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden des jeweiligen Elektrodenpaars parallel zueinander und senkrecht zur Richtung des Gravitationsfeldes einer rotierenden Zentrifuge angeordnet sind, und sich die keramische Struktur auf der inneren Elektrode abscheidet.
5. Verfahren zur Herstellung von keramischen Strukturen nach einem der Ansprüche l bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beträge des elektrischen Feldes und des Gravitationsfeldes unabhängig voneinander zeitlich variiert werden.
6. Verfahren zur Herstellung von keramischen Strukturen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel größenverteilung der keramischen Struktur geringere Werte als die Partikelgrößenverteilung der Suspension aufweist.
7. Verfahren zur Herstellung von keramischen Strukturen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Partikel Strukturkeramiken wie A1203, ZrO2, Mullit, SiC, Si3N4 und/oder Funktionskeramiken wie BaTiO3 oder BleiZirkonatTitanat (PZT) und/oder Biokeramiken wie Hydroxylapatit (Ca (OH) (PO4) 3) und/oder mineralische Gläser umfassen.
8. Verfahren zur Herstellung von keramischen Strukturen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension mindestens zwei verschiedene Arten keramischer Partikel enthält.
9. Verfahren zur Herstellung von keramischen Strukturen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Größen der keramischen Partikel zwischen 5 nm und 500 um, bevorzugt zwischen 10 nm und 100 um, besonders bevorzugt zwischen 10 nm und 10 um betragen.
10. Keramische Struktur, hergestellt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Keramische Gradientenstruktur, hergestellt gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9.
Description:
ELEKTROPHORETISCHES VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON KERAMISCHEN STRUKTUREN Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Strukturen (wie zum Beispiel Schichten, Filter oder Mikrostrukturen) sowie mit diesem Verfahren hergestellte keramische Strukturen und Gradientenstrukturen.

Keramische (Mikro-) Strukturen, keramische Beschichtungen und zweidimensionale Strukturen wie Platten, Substrate oder Filter gewinnen für viele Bereiche der Technik an Bedeutung. Dies gilt sowohl für so genannte Strukturkeramiken wie zum Beispiel A1203, Zur0" Mullit, SiC, Si3N4 als auch für Funktionskeramiken wie BaTiO3 oder PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) und für so genannte Biokeramiken wie z. B.

Hydroxylapatit Ca (OH) (PO4) 3, aber auch für mineralische Gläser. Je nach Form, Größe und Anwendungsgebiet der zu fertigenden Teile oder Schichten kommen als Herstellungsverfahren Trockenpressen, pulvertechnologisches Spritzgießen, Heißgießen, Schlickergießen, Foliengießen, elektrophoretische Abscheidung aus Pulversuspensionen und weitere Verfahren mit nachfolgendem Sintern zum Einsatz.

Allen bekannten Verfahren ist gemeinsam, dass zur Formgebung so genannte Feedstocks verwendet werden, die aus keramischen Pulvern und Bindern, Dispergatoren sowie Gleitmitteln zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit bestehen. Bei den Pressverfahren werden den Pulvern derartige Zusätze nur in Volumenanteilen von wenigen Prozent zugesetzt. Beim Spritzgießen, Heißgießen, Schlickergießen und Foliengießen werden hingegen weit höhere Volumenanteile von Bindern, Dispergatoren, Gleitmitteln, Polymeren, Wachsen und Suspensionsflüssigkeiten wie Wasser und Alkohol zugesetzt. Bei diesen Verfahren liegen die Pulveranteile bei 30 bis 70 Volumenprozent. Bei der elektrophoretischen Abscheidung aus wässrigen oder alkoholischen Suspensionen können die Volumenanteile des Keramikpulvers im Bereich von ca. 5 bis 50 % liegen.

Allen Verfahren ist weiterhin gemeinsam, dass die Pulver in etwa die gleiche Partikelgrößenverteilung, in der sie im Ausgangspulver, im Schlicker, im Feedstock oder in der Suspension vorhanden sind, auch im so genannten Grünteil aufweisen. Im Allgemeinen kommen Pulver zum Einsatz, die als so genannte monomodale Pulver in einer relativ breiten Verteilung vorliegen, die häufig Normalverteilungen, logarithmischen Normalverteilungen oder so genannte Rosin-Rammler- Verteilungen folgen. Teilweise werden auch Pulver verwendet, die in Form komplexer mehrmodaler Verteilungen vorliegen.

Sowohl die Rauheit der entstehenden Teile und Schichten als auch ihre Porengröße und teilweise ihr Gefüge nach dem Sintern werden von der Partikelgrößenverteilung beeinflusst. Zum Beispiel bestimmen die Grobanteile der verwendeten Pulver die Oberflächenrauheit. Auch die Porengrößenverteilung etwa von Filtermembranen korreliert mit der Partikelgröße : Je gröber die Pulverpartikel sind, desto größer sind auch die entstehenden Poren. Deshalb dürfen bei den herkömmlichen Fertigungsverfahren beispielsweise zur Erzielung besonders glatter Schichten oder Mikrostrukturen oder zur Erzielung einer sehr feinen Porengröße nur Partikel unterhalb einer bestimmten Größe wie z. B.

500 nm verwendet werden. Dazu müssen vor der Herstellung des Ausgangsfeedstocks die Pulver erst auf kompliziertem Wege fraktioniert und klassifiziert werden, etwa durch Sieben oder Windsichten, und nur die gewünschte Pulverfraktion dürfte in den Feedstock eingebracht werden.

Für die meisten Anwendungen verbieten sich diese zusätzlichen, sehr aufwändigen Prozessschritte bereits aus Kostengründen. Mit herkömmlichen, kommerziell verfügbaren Pulvern, die im Allgemeinen Pulveranteile im Bereich oberhalb 1 um enthalten, sind deshalb besonders glatte Schichten mit Rautiefen unterhalb 1 um und Mikrostrukturen mit Oberflächendetails im um-Bereich nicht herstellbar.

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, Verfahren zur Herstellung von keramischen Strukturen anzugeben, die die genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Kombination von elektrophoretischer Abscheidung und Sedimentation aufgrund der Schwerkraft bzw. von Fliehkräften. Die elektrophoretische Abscheidung von Keramikpartikeln aus Partikelsuspensionen ist als Verfahren zur Herstellung keramischer Schichten bekannt (Heavens, S. N. : Electrophoretic Deposition as a Processing Route for Ceramics ; in Binner, J. (Ed.), Advanced Ceramic Processing and Technology, Vol. 1, Noyes Publ., Park Ridge, N. J., USA). In jüngerer Zeit wird versucht, mit dieser Technik auch keramische Mikrostrukturen zu realisieren (Both, H. von ; Haußelt, J. : Ist Intern. Conf. on Elektrophoretic Deposition, Banff, Kanada, 2002). Hierzu wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen zwei in die Pulversuspension eintau- chenden Elektroden ein Partikelstrom geladener Teilchen auf eine der beiden Elektroden zu bewegt und dort abgeschieden.

Die Prinzipien der Elektrophorese sind seit langem bekannt.

Entsprechende theoretische Beschreibungen besagen, dass im Größenbereich technischer Keramikpulver, d. h. zwischen 10 nm und 100 um, die elektrophoretische Beweglichkeit der Pulverpartikel weitgehend unabhängig von ihrer Größe ist (Nitzsche, R. ; Simon, F. : Technisches Messen, Band 64, S. 106-113,1997). Deshalb sollten alle in der Suspension vorkommenden Partikelgrößen mit weitgehend gleicher Geschwindigkeit auf dem elektrisch leitfähigen Substrat abgeschieden werden. Die abgeschiedenen Schichten sollten damit-wenn auch in wesentlich dichterer Packung-die gleiche Partikelgrößenverteilung aufweisen wie die Suspension.

Eigene Messungen bestätigen, dass die Wanderungsgeschwindigkeit vE im elektrischen Feld E nicht nur vom Suspensionsmedium (z. B. wässrig oder alkoholisch), von der chemischen Zusammensetzung des Pulvers (z.

B. A1203, ZrO2, SiO2) und von den Dispergator-und Binderzusätzen abhängt, sondern dass auch eine geringfügig Abhängigkeit von der Par- tikelgröße vorliegen kann. Je nach System können unterschiedliche, aber in allen Fällen betragsmäßig kleine Abhängigkeiten der Wanderungsgeschwindigkeit von der Partikelgröße beobachtet werden.

Untersuchungen an alkoholischen A1203-Suspensionen haben gezeigt, dass kleinere Partikel geringfügig schneller abgeschieden werden als gröbere, dass dieser Effekt aber für eine technische Nutzung wie z.

B. für die elektrophoretische In-Situ-Fraktionierung nicht ausreichend ist. In diesem Falle ergibt sich bei der elektrophoretischen Abscheidung eine Abhängigkeit der Beweglichkeit p und der Wanderungsgeschwindigkeit vs von der Partikelgröße (Radius r) im elektrischen Feld E, für die dvE/dr <0 (la) und wegen vg = µE dµ/ dr # 0 (1b) gilt.

In wässrigen Suspensionen mit sphärischen SiO2-Partikeln mit Durchmessern zwischen 200 nm und 1200 nm scheiden sich hingegen gröbere Partikel geringfügig schneller ab als feinere Partikel, so dass sich bei der elektrophoretischen Abscheidung eine Abhängigkeit der Beweglichkeit p und der Wanderungsgeschwindigkeit vE von der Par- 'tikelgröße (Radius r) im elektrischen Feld E ergibt, für die <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> dvE/ dr # 0 (1c)<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> und wegen vE = uE dµ/ dr # 0 (1d) gilt.

Für eine Anzahl von Anwendungen ist es wünschenswert, wenn nur be- stimmte Fraktionen wie etwa der Feinanteil einer vorgegebenen Partikelgrößenverteilung abgeschieden werden können. Mit der dem Stand der Technik entsprechenden elektrophoretischen Abscheidung ist dies aus den oben beschriebenen Gründen nicht möglich. Auch Anwendungen, bei denen man in einem einzigen Abscheidevorgang ohne Wechsel der Pulversuspension zum Beispiel zunächst nur grobe und mit fortschreitender Zeit und Schichtdicke stufenweise oder kontinuierlich kleinere Pulverpartikel abscheidet, sind mit der bekannten Technik der elektrophoretischen Pulverabscheidung nicht möglich.

Erfindungsgemäß wird dem elektrischen Feld, das eine weitgehend partikelgrößenunabhängige Teilchengeschwindigkeit in Richtung des elektrischen Feldes bewirkt, ein Feld überlagert, das eine teilchengrößenabhängige Teilchengeschwindigkeit bewirkt. Hierfür eignet sich die partikelgrößenabhängige Sedimentation entweder in einem konstanten, ortsunabhängigen Gravitationsfeld (Schwerkraft- Sedimentation) oder in einem variablen und ortsabhängigen Gravitationsfeld (Zentrifugation).

Dies steht im Gegensatz zur üblichen Elektrophorese, bei der durch geeignete Mittel wie z. B. die spezielle Anordnung der Elektroden und insbesondere durch Rühren der Suspension die für bestimmte Anwendungen unerwünschte effektive Gravitationskraft, die sich aufgrund des Gravitationsfeldes der Erde ergibt, ausgeschaltet wird.

Für einzelne kugelförmige Partikel mit einem Radius r und einer Dichte p, die in einer Flüssigkeit der Dichte pF und der Viskosität dispergiert (suspendiert) sind, ergibt sich unter Wirkung einer Beschleunigung b eine Sinkgeschwindigkeitv, die der Beziehung nach Stokes folgt : 6Z5rv = (4ff 1 3) r3 (p-p/) b (2) Demzufolge ist die Sinkgeschwindigkeit v bei konstanter Viskosität proportional zu r2. Auch wenn auf Grund von Teilchenformen, die in der Regel von der Kugelform abweichen, und bei höher konzentrierten Suspensionen Abweichungen von Gleichung 2 auftreten, bleibt der qualitative Zusammenhang erhalten, der besagt, dass die Sedimentationsgeschwindigkeit mit zunehmender Partikelgröße und zunehmender Differenz der Dichtewerte zunimmt. In jedem Falle ist dv/dr > 0. (3) Falls die Richtung der Wanderungsgeschwindigkeit im elektrischen Feld der Sinkgeschwindigkeit im Gravitationsfeld entgegengerichtet ist, ergibt sich für jede elektrische Feldstärke E und für jede Beschleunigung b im Gravitationsfeld eine kritische Partikelgröße rc, bei der sich die Wirkungen beider Felder aufheben und das Partikel schwebt. Alle Partikel mit r > rc bewegen sich in Richtung des Gravitationsfeldes, alle Partikel mit r < r bewegen sich in Richtung des elektrischen Feldes. Damit lassen sich je nach Wahl der elektrischen Feldstärke E und der Beschleunigung b (z. B. durch Variation der Drehzahl in einer Zentrifuge) weitgehend frei wählbare Fraktionen der ursprünglich vorliegenden Partikelgrößenverteilung auf einem elektrisch leitfähigen Substrat abscheiden.

Im Allgemeinen wird der Winkel zwischen den Richtungen des elektrischen Feldes und des Gravitationsfeldes so gewählt, dass sich zur weitgehend teilchengrößenunabhängigen Geschwindigkeitsverteilung im elektrischen Feld eine von der Teilchengröße abhängige Ge- schwindigkeitskomponente addieren oder subtrahieren lässt. Bereits unter der Wirkung der konstanten und ortsunabhängigen Erdbe- schleunigung lässt sich durch Variation der elektrischen Feldstärke und des Winkels zwischen beiden Feldrichtungen dafür sorgen, dass bevorzugt der Feinanteil einer Partikelgrößenverteilung auf einer Elektrode abgeschieden wird. Bevorzugt sind das elektrische und das Gravitationsfeld parallel zueinander angeordnet, d. h. die Elektroden stehen im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Gravitationsfeldes (z. B. horizontal im Schwerefeld).

Im Gegensatz zur herkömmlichen Elektrophorese wird erfindungsgemäß eine Fraktion der suspendierten Partikel im Schwerefeld auf der oberen Elektrode abgeschieden. Die in Form einer keramischen Struktur abgeschiedene Fraktion zeichnet sich in der Regel dadurch aus, dass sich ihre Partikelgrößenverteilung von der Partikelgrößenverteilung der Suspension unterscheidet, was in der üblichen Elektrophorese nicht der Fall ist. Da bevorzugt die feineren Partikel abgeschieden werden, weist die Partikelgrößenverteilung der keramischen Struktur geringere Werte auf als die Partikelgrößenverteilung der Suspension.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann eine Beeinflussung der abzuscheidenden Partikelgrößenverteilung dadurch erreicht werden, dass nicht nur der Absolutbetrag, sondern auch der Zeitpunkt, zu dem das elektrische Feld von der Schwerkraftsedimentation überlagert wird, frei gewählt wird. Durch Variation der elektrischen Feldstärke lässt sich damit die jeweils gewünschte Grenze der abgeschiedenen Größenfraktion einstellen.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus der Überlagerung eines in seinem Absolutbetrag variablen elektrischen Feldes mit einem in seinem Absolutbetrag variablen Gravitationsfeld, wie es insbesondere die Zentrifugation, bei der Fliehkräfte (Zentrifugalkräfte) auftreten, darstellt. Im Betrieb ist das hierdurch erzeugte Gravitationsfeld nach außen in Bezug auf die Rotationsachse der Zentrifuge gerichtet. Dadurch wird in dieser Anordnung der Feinanteil der Suspension in Form einer keramischen Schicht erfindungsgemäß auf der inneren Elektrode abgeschieden.

Eine weitere Beeinflussung der abzuscheidenden Partikelarößenvertei- lung lässt sich dadurch erreichen, dass nicht nur die Absolutbeträge des elektrischen Feldes und des Gravitationsfeldes der Zentrifugalbeschleunigung in weiten Bereichen gewählt werden, sondern dass auch die Zeitpunkte, zu denen beide Felder eingeschaltet und/oder ausgeschaltet werden, frei gewählt werden.

Die vorliegende Erfindung ist auch auf Suspensionen (Dispersionen) anwendbar, die aus Partikeln unterschiedlicher Zusammensetzung bestehen. Unterscheiden sich solche Partikelmischungen in ihrer spezifischen elektrischen Ladung, so sind ihre elektrophoretische Beweglichkeiten und ihre elektrophoretische Abscheidegeschwin- digkeiten unterschiedlich. Unterscheiden sich solche Partikel- mischungen in ihrer Dichte, so sind ihre Sedimentationsge- schwindigkeiten im Schwerkraft-bzw. im Fliehkraftfeld unter- schiedlich, weil in beiden Fällen die Sedimentationsgeschwindigkeit gemäß Gleichung 2 proportional zur Differenz zwischen der Dichte der Partikel und der Dichte der Flüssigkeit der Suspension ist.

Die Überlagerung eines elektrischen Feldes mit einem Gravitationsfeld erlaubt demzufolge bei Partikelmischungen, die sich nicht nur in ihrer Größe, sondern auch in ihrer Oberflächenladung und/oder in ihrer Dichte unterscheiden, eine weitgehende Beeinflussung der Abscheidebedingungen. Weiterhin lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch solche Partikelmischungen trennen, die sich zwar nicht in ihrer Teilchengröße, wohl aber in ihrer Oberflächenladung und/oder ihrer Dichte unterscheiden.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich damit einsetzen, um mit Hilfe von mehrfacher bzw. kontinuierlicher Variation des elektrischen Feldes und/oder (bei Zentrifugation) des Gravitationsfeldes in einem Abscheidevorgang ohne Wechsel der Pulversuspension keramische Strukturen herzustellen, die einen Gradienten in Bezug auf ihre Zusammensetzung und/oder Porentiefe aufweisen. Derartige keramische Gradientenstrukturen sind beispielsweise als Filtermembranen geeignet.

Darüber hinaus eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Herstellung von Schichten, bei denen die Partikelgrößenverteilung oder bei Vorliegen mehrerer unterschiedlicher Pulver die Zusammensetzung in weiten Grenzen variierbar ist, sondern auch zur Trennung von Suspensionen mit einer gegenüber reinen Sedimentations- oder Zentrifugationsverfahren erweiterten Variationsbreite.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von fünf Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Ausführungsbeispiel 1 : Mittels Überlagerung von Elektrophorese-Abscheidung und Schwerkraft- Sedimentation wurde eine A1203-Schicht hergestellt. Gegenelektrode und Substrat waren horizontal angeordnet, d. h. beide Flächen des Elektrodenpaars waren senkrecht zur Richtung des Gravitationsfeldes ausgerichtet. Um zu zeigen, dass mit überlagerter Sedimentation zunehmend feinere Partikel abgeschieden werden, wurde die Rautiefe mit Hilfe eines Oberflächenmessgerätes (FRT Microglider) optisch untersucht. Zum Vergleich wurde zudem eine zusätzliche Schicht her- gestellt, bei deren Abscheidung die Sedimentation dem Stand der Technik entsprechend durch Rühren der Suspension unterdrückt wurde und die Elektroden vertikal angeordnet waren.

Es wurde eine ethanolische A1203-Suspension (duo-1300 nm) mit 30 Volumenprozent Feststoffgehalt und einem Dispergatorgehalt von 2 Massenprozent bezogen auf die Masse des Pulvers angesetzt. Die Schichten wurden aus dieser Suspension unter folgenden Bedingungen (im Falle der horizontalen Anordnung auf der oberen Elektrode) abgeschieden : Ohne Rühren Mit Rühren (200 U/min) Elektrodenanordnung horizontal vertikal Strom 1000 uA 100 uA Abscheidedauer 7 Std. 51 Min. 30 Minuten mittlere Rautiefe 80 nm 341 nm Der Elektrodenabstand betrug 13 mm. Es wurden jeweils vier Profile in einer keramischen Schicht untersucht. Angegeben ist der Mittelwert.

Es ergab sich eine deutliche Verringerung der Rautiefe bei überlagerter Sedimentation, die jeweils gemäß DIN 4678 bzw. ISO 4287 ermittelt wurde.

Ausführungsbeispiel 2 : Mittels Überlagerung von Elektrophorese-Abscheidung und Schwerkraft- Sedimentation wurden A1203-Schichten bei Verwendung unterschiedlicher Feldstärken hergestellt. Gegenelektrode und Substrat waren horizontal zueinander angeordnet. Um zu zeigen, dass eine Separierung der Partikel nach ihrem Durchmesser über die Variation der Feldstärke bei der elektrophoretischen Abscheidung erfolgt, wurde die Rautiefe mit Hilfe eines Oberflächenmessgerätes (FRT Microglider) optisch untersucht.

Hierzu wurde eine ethanolische A1203-Suspension (dso = 1300 nm) mit 5 Volumenprozent Feststoffgehalt und einem Dispergatorgehalt von 2 Massenprozent bezogen auf die Masse des Pulvers angesetzt. Die Schichten wurden aus dieser Suspension mit folgenden Bedingungen abgeschieden : Feldstärke 2500 V/m 250 V/m Abscheidedauer 2 Minuten 30 Minuten mittlere Rautiefe 106 nm 74 nm Es wurden jeweils vier Profile in einer Schicht untersucht. Angegeben ist der Mittelwert. Es ergab sich eine nach DIN 4678 bzw. ISO 4287 höhere Rautiefe der bei größeren Feldstärken abgeschiedenen Schichten. Dieses Ergebnis bestätigt die Separierung der Partikel nach ihrem Durchmesser.

Ausführungsbeispiel 3 :.

Mittels Überlagerung von Elektrophorese-Abscheidung und Schwerkraft- Sedimentation wurde eine SiO2-Schicht hergestellt. Gegenelektrode und Substrat waren horizontal angeordnet. Um zu zeigen, dass mit Sedimentation zunehmend feinere Partikel abgeschieden werden, wurde die Rautiefe mit Hilfe eines Oberflächenmessgerätes (FRT Microglider) optisch untersucht Zum Vergleich wurde zudem eine zusätzliche Schicht hergestellt, bei deren Abscheidung die Sedimentation dem Stand der Technik entsprechend durch Rühren der Suspension unterdrückt wurde und die Elektroden vertikal angeordnet waren.

Es wurde eine ethanolische SiO2-Suspension (dso = 15 um) mit 5 Volumenprozent Feststoffgehalt und einem Dispergatorgehalt von 2 Massenprozent bezogen auf die Masse des Pulvers angesetzt. Die Schichten wurden aus dieser Suspension unter folgenden Bedingungen abgeschieden : Ohne Rühren Ohne Rühren Mit Rühren (200 U/min) Elektroden-horizontal horizontal vertikal anordnung Spannung 50 V 10 V 50 V mittlere 1, 20, um 0, 12 um 1, 77 um Rautiefe Der Elektrodenabstand betrug 13 mm. Es wurden jeweils vier Profile in einer Schicht untersucht. Angegeben ist der Mittelwert. Es ergab sich eine deutliche Verringerung der Rautiefe bei überlagerter Sedimentation, die gemäß DIN 4678 bzw. ISO 4287 ermittelt wurde.

Ausführungsbeispiel 4 : Mittels Elektrophorese und überlagerter Schwerkraft-Sedimentation wurde erfindungsgemäß eine A1203-Schicht hergestellt. Die Elektroden waren horizontal angeordnet. Die elektrophoretische Abscheidung erfolgte auf der oberen Elektrode. Um zu zeigen, dass mit über- lagerter Sedimentation zunehmend feinere Partikel abgeschieden werden als bei Vermeidung der Sedimentation durch Rühren, wurde die Parti- kelgrößenverteilung in der Suspension und in der Schicht mit einem Lasergranulometer optisch bestimmt.

Hierzu wurde eine ethanolische A1203-Suspension mit 30 Volumenprozent Feststoffgehalt und einem Dispergatorgehalt von 2 Massenprozent bezogen auf die Masse des Pulvers angesetzt. Die Schichten wurden aus dieser Suspension unter folgenden Bedingungen abgeschieden : Mit Rühren Ohne Rühren Strom 1000 uA 1000 uA Gesamte Abscheidedauer 11 Stunden 45 Min. 11 Stunden 45 Min. dso in der Suspension vor 1, 45 um 1, 45 um der Abscheidung d_go in der Suspension 1,50 um 1, 25 um nach 7 h d50 in der Suspension 1, 61 um 0, 51 um nach llh 45 min d50 in der redisper-1,40 um 0,8 um gierten Schicht nach llh 45 min Es wurde jeweils die Partikelgrößenverteilung in der Suspension vor der Abscheidung, während und nach der Abscheidung sowie in der abgeschiedenen Schicht nach Redispergierung in reinem Ethanol untersucht. Die differentiellen und kumulierten Partikelgrößenverteilungen sowie die dso-Werte aller Messungen zeigen, dass ausgehend von einer nahezu symmetrischen Parti- kelgrößenverteilung mit d50 = 1,45 um und im klaren Gegensatz zur herkömmlichen Elektrophorese die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeschiedene Schicht einen deutlich verringerten Mittelwert der Teilchengrößenverteilung und einen ebenso deutlich erkennbaren Pulveranteil mit Partikelgrößen unterhalb von 500 nm aufweist.

Ausführungsbeispiel 5 : Mittels Überlagerung von Elektrophorese-Abscheidung und Schwerkraft- Sedimentation wurde erfindungsgemäß eine PZT-Schicht (Blei-Zirkonat- Titanat-Schicht) hergestellt. Gegenelektrode und Substrat waren horizontal angeordnet. Um zu zeigen, dass mit Sedimentation zunehmend feinere Partikel abgeschieden werden, wurde die Rautiefe mit Hilfe eines Oberflächenmessgerätes (FRT Microglider) gemäß DIN 4678 bzw.

ISO 4287 optisch untersucht. Zum Vergleich wurde zudem eine zusätzliche Schicht hergestellt, bei deren Abscheidung die Sedimentation dem Stand der Technik entsprechend durch Rühren der Suspension unterdrückt wurde und die Elektroden vertikal angeordnet waren.

Es wurde eine ethanolische PZT-Suspension (d50 = 2, 5 um) mit 5 Volumenprozent Feststoffgehalt und einem Dispergatorgehalt von 2 Massenprozent bezogen auf die Masse des Pulvers angesetzt. Die Schichten wurden aus dieser Suspension unter folgenden Bedingungen abgeschieden : Ohne Rühren Mit Rühren (200 U/min) Elektrodenanordnung horizontal vertikal Spannung 5 V 50 V mittlere Rautiefe 79 nm 142 nm Der Elektrodenabstand betrug 13 mm. Es wurden jeweils vier Profile in einer Schicht untersucht. Angegeben ist der Mittelwert. Es ergab sich eine deutliche Verringerung der Rautiefe bei überlagerter Sedimentation.