Verwendung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials mit lokal einstellbarem

Permeabilitätsgradienten, dessen Anwendung in einem

Beschichtungsverfahren sowie dessen Verwendung.

Bisher kam den ferro- oder ferrimagnetischen Materialien aufgrund ihrer hohen Permeabilität eine besondere Bedeutung zum Leiten von Magnetfeldern und als magnetischer Isolator zu. Fig. la zeigt die schematische Darstellung eines Leiters für DC- und AC-Magnetfelder in ferro- oder ferrimagnetischen Schichten 1 auf einem Substrat 2. Nachteilig ist jedoch die endliche Magnetisierungs-Hysterese ferro- oder

ferrimagnetischer Materialien, welche einen Teil der

Verluste von Magnetfeldleitern aus einem ferro- oder

ferrimagnetischen Material besonders bei Leiten von AC- Magnetfeldern bestimmt.

Soll ein Bereich wenige magnetische Feldlinien enthalten und Magnetfelder schlecht leiten, dann muss dieser Bereich eine kleinere Permeabilität als die angrenzenden Bereiche haben (mittlerer Bereich in Fig. 3b, Fig. 5b) . Soll ein Bereich hingegen viele magnetische Feldlinien enthalten und

Magnetfelder gut leiten, dann muss dieser Bereich eine größere Permeabilität als die angrenzenden Bereiche haben (mittlerer Bereich in Fig. 3a, Fig. 5a) .

In den ferro- oder ferrimagnetischen Materialien treten Ummagnetisierungsverluste auf, wobei sich diese aus

Wirbelstromverlusten und den Hystereseverlusten

zusammensetzen. Wirbelstrom nennt man einen Strom, der in einem ausgedehnten elektrischen Leiter in einem sich

zeitlich ändernden Magnetfeld oder in einem bewegten Leiter in einem zeitlich konstanten, dafür räumlich inhomogenen Magnetfeld induziert wird. Dadurch wird bei hohen Frequenzen und großen Querschnitten der Strom aus der Mitte des Leiters verdrängt (Skin-Effekt) . Der Skin-Effekt tritt vorwiegend bei hohen Signalfrequenzen in Erscheinung. Er bewirkt, dass nur noch das Äußere des Leiters zum Stromfluss beiträgt. Der Skin-Effekt beruht auf der Abschirmungswirkung elektrisch leitfähiger Materialien gegenüber elektromagnetischen

Feldern. Der Skin-Effekt kann durch die Verwendung von

Hochfrequenzlitzen weitgehend unterbunden werden. Bei einer HF-Litze wird ein Leiter durch die Parallelschaltung von gegeneinander elektrisch isolierten und miteinander

verwobenen Einzelleitern ersetzt.

Jeder Transformator brummt im Betrieb mehr oder weniger hörbar. Die Ursache dafür ist die Magnetostriktion . Bei der Magnetostriktion wird der Kern des Transformators in winzige Längenänderungen gezwungen. Die Magnetostriktion ist eine Materialeigenschaft und beträgt AV/Vo = -3,252 -10 ^~4 in keramischen Materialien mit geladenen Domänenwänden (T.

Chatterji et al . , J. Phys . : Condens . Matter 24 (2012)

336003), AV/V ₀ = -0,26 Ί0 ⁴ in amorph Fe Co ₅ SinBi (SA1) und AV/Vo = -1,20 -10 ⁴ in Fe-Si 0,3.

Hystereseverluste entstehen durch die Arbeit, die aufgebracht werden muss, um beispielsweise einen Spulenkern eines Transformators im Rhythmus der Frequenz

umzumagnetisieren. Die Verluste sind umso höher, je geringer der spezifische Widerstand des Transformatorkernes ist. Der spezifische Widerstand ist eine Materialeigenschaft und beträgt in keramischen Materialien mit geladenen

Domänenwänden p = 73 bis 141 Qm (spez. Widerstand einer RLC- Probe) , p = 10 bis 100 Qm in amorph SA1 und p = 10 bis 100 Qm in Fe-Si 0,3. Die Verlustleistungen eines unter Volllast betriebenen

Drehstromtransformators EI 800 /800 /400 für 500 kVA mit

unterschiedlichen Kernmaterialien als magnetische Leiter

(Betrieb unter Volllast) setzen sich aus den Kupferverlusten und aus den Eisenverlusten zusammen. Die Tabelle 1 zeigt die Verlustleistungen eines unter Volllast betriebenen

Drehstromtransformators für 500 kVA mit unterschiedlichen

Kernmaterialien .

Tab. 1:

Material Kupferverluste Eisenverluste Induktion Wirkungsgrad

/W /W /T /%

Fe-Si

1602 2696 1,5 99,06

0,35

Fe-Si

1599 2442 1,5 99, 12

0,30 amorph

2916 174 1,2 99,33

SA1

Der Eisenverlust beim Ummagnetisieren beträgt 1 7 = p/ ² m"/ (m' ² + _m " ² ) .

Der Verlustfaktor d (Tab. 2.9 in Magnetic Materials and their characterization, p. 25) beträgt d = tanö = m" / m' wobei d der Verlustwinkel ist. Magnetisches Eisen hat typische Verlustfaktoren im Bereich von d = 0,08 ... 0,60

(Tab. 3, page 8, Determination of electromagnetic properties of Steel for prediction of stray losses in power

transformers ) . Der Verlustfaktor d der keramischen

Materialien mit geladenen Domänenwänden, welche einen RLC- Parallel-Schwingkreis bilden, wird aus dem Gütefaktor Q eines RLC-Parallel-Schwingkreises

Q = Rf(C / ) wie folgt bestimmt: d = 1/Q und liegt im Bereich von d =

0,36 ... 1,38. Die Resonanzfrequenz fo beträgt fo = 64 MHz ... 107 MHz, wobei der Hochfrequenzbereich (HF) zwischen 30 kHz ... 300 MHz definiert ist.

Die Wirbelstromverluste (Skin-Effekt) in ferro- oder

ferrimagnetischen Materialien nehmen quadratisch mit der Frequenz und umgekehrt proportional zum spezifischen

Widerstand des ferro- oder ferrimagnetischen Materials zu und werden oberhalb von etwa 10 kHz bedeutend. Da der induktive Blindwiderstand oberhalb der Resonanzfrequenz fo größer als der kapazitive Blindwiderstand ist, ist es von Vorteil, magnetische Wechselfelder oberhalb der

Resonanzfrequenz fo in dem keramischen Material mit geladenen Domänen zu leiten.

In metallisch leitenden ferro- oder ferrimagnetischen

Materialien beträgt aufgrund des Skin-Effektes die

Eindringtiefe magnetischer Wechselfelder bei 100 MHz nur wenige Mikrometer (1 ... 10 Qm) und bei 50 Hz mehrere

Mikrometer (70 ... 707 Qm) . Aufgrund des Skin-Effektes können ferro- und ferrimagnetische Materialien nicht im HF-Bereich eingesetzt werden. Der Skin-Effekt bestimmt die Dicke der Lamellen, in welche Spulenträger von Transformatoren

typischerweise geformt werden.

Die Resonanzfrequenzen der keramischen Materialien mit geladenen Domänenwänden betragen fo = 64 MHz ... 107 MHz und liegen außerhalb des Hörbereiches (16 ... 20.000 Hz) . Selbst wenn das keramische Material mechanisch mitschwingt, wird sich das nicht durch lästige Geräuschentwicklung (Brummen) bemerkbar machen. Da die keramischen Materialien mit

geladenen Domänenwänden keine Magnetisierungs-Hysterese und einen spezifischen Widerstand vergleichbar zu amorph SA1 und Fe-Si 0,3 aufweisen, sind Hystereseverluste in diesem

Material vernachlässigbar.

Um die Auswirkungen des Skin-Effektes so klein wie möglich zu halten, werden in der Hochfrequenztechnik Leitungen mit möglichst großer Oberfläche eingesetzt, beispielsweise in Form dünnwandiger Schlauchrohre, Litzen oder Bänder. Die geringen Verluste von Hohlleitern beruhen teilweise darauf, dass ein großer Teil der Innenfläche am Stromfluss nicht maßgeblich beteiligt ist. Des Weiteren werden die

Oberflächen von Hochfrequenz- oder Höchstfrequenzleitungen oft mit Edelmetallen wie Silber oder Gold beschichtet, um so den spezifischen Widerstand der Außenfläche des Drahtes zu verringern, die den mit Abstand größten Teil des Stromes leitet. Dabei wird vor allem bei Gold der Umstand

ausgenutzt, dass dieses Metall an Luft nicht oxidiert, so dass die Oberfläche eine langzeitstabile Leitfähigkeit beibehält. Denn an sich besitzt Gold eine geringere

elektrische Leitfähigkeit als Kupfer, jedoch eine deutlich bessere als Kupferoxid. Auch wird darauf geachtet, dass die Leiteroberfläche sehr glatt ist, da raue Oberflächen für den Strom einen längeren Weg und damit größeren Widerstand darstellen. Besonders nachteilig sind auch ferromagnetische Leiterwerkstoffe, da sich bei diesen die Eindringtiefe stark verringert. Sie werden aus diesem Grund ebenfalls oft metallisch beschichtet.

Wirtschaftlich größte Bedeutung haben Eisenlegierungen und ferromagnetische Stähle. Für Transformatoren

(Betriebsfrequenz 50 Hz oder 60 Hz) verwendet man

überwiegend sogenanntes Dynamoblech nach DIN EN 10107, das aus Eisen-Silizium-Legierungen besteht. Bei

Signalübertragern werden auch Nickel-Eisen-Legierungen eingesetzt. Die maximale Flussdichte liegt bei Eisen je nach Spezifikation bei 1,5 bis 2 Tesla. Der Kern wird aus einem Stapel aus einzelnen Blechen aufgebaut, zwischen denen elektrisch isolierende Zwischenschichten liegen, wobei die Blechfläche parallel zur Richtung des magnetischen Flusses und damit senkrecht zum induzierten elektrischen Feld ist. Dadurch werden die Wirbelstromverluste reduziert. Je höher die Frequenz ist, desto dünner müssen die Bleche gewählt werden. Eine Beschädigung der Isolierung der einzelnen

Blechpakete kann bei großen Transformatoren zu einer

erheblichen lokalen Erwärmung des Paketes führen. Ab

Frequenzen im Kilohertzbereich würden die Wirbelstromverluste bei Eisenkernen auch bei sehr dünnen Blechen zu groß. Es werden Kerne aus amorphen oder

nanokristallinen Bändern oder Ferritkerne verwendet. Ferrite haben eine hohe Permeabilität, aber nur eine geringe

elektrische Leitfähigkeit. Zur Herstellung von Ferritkernen wird das meist pulverförmige Ausgangsmaterial in eine Form gegeben und unter Druck gesintert (gepresst) . Hierdurch ergeben sich mehr Gestaltungsmöglichkeiten als bei den

Blechpaketen, insbesondere hinsichtlich der Anpassung an den Spulenkörper. Bei Ferriten liegt die maximale Flussdichte bei etwa 400 mT . Die Grenze zur Verwendung von

Ferritmaterial liegt in der Herstellbarkeit im Press- und Sinterprozess. Kerne für größere Trafos werden teilweise aus Ferritblöcken zusammengesetzt. Die amorphen und

nanokristallinen Kerne erlauben durch ihre natürliche

Banddicke von typischerweise 0,02 mm die Verwendung bei höheren Frequenzen und haben sehr geringe Verluste. Typische Kernformen für diese Bänder sind Ringkerne oder seltener Schnittbandkerne .

Die bisher bekannten und verwendeten Materialien reichen nicht aus, um die zuvor beschriebenen Nachteile auszuräumen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Material zur Verfügung zu stellen, mit dem diese Nachteile deutlich verringert werden können und welches zum Leiten und Isolieren von Magnetfeldern geeignet ist sowie in

magnetischen Kopplungselementen verwendet werden kann.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials mit lokal einstellbarem

Permeabilitätsgradienten gelöst, wobei das Verfahren

folgende Schritte umfasst:

- Erzeugen eines keramischen Materials mittels Erhitzens einer Ausgangsmaterialkomposition bis zu einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der

Ausgangsmaterialkomposition,

- Abkühlen des erzeugten keramischen Materials auf

Raumtemperatur nach einer definierten Abkühlrate zur

Einstellung einer Vortex-Dichte in dem erzeugten

keramischen Material, und

- nachfolgende zweite lokale Temperaturbehandlung zum

Erhitzen des keramischen Materials über dessen

ferroelektrische Ordnungstemperatur und zum Einstellen des lokalen Permeabilitätsgradienten .

Der Vorteil von keramischen Materialien mit geladenen

Domänenwänden ist, dass diese in Abhängigkeit von der chemischen Komposition, beispielsweise Y _1.00 Mn _1.00 O ₃ ,

Y _0.95 Mn _1.05 O ₃ , Y _1.00 Mn _0.99 O ₃ + lat . %Ti und Y _0.94 Mn _1.05 O ₃ + lat.%Ti in

Tabelle zu Fig. 2b gleichzeitig sehr große Permeabilitäten und keine Magnetisierungs-Hysterese aufweisen. Deswegen können in keramischen Materialien mit geladenen

Domänenwänden Magnetfelder ohne die Verluste, welche in ferri- und ferromagnetischen Materialien durch die

Magnetisierungs-Hysterese verursacht werden, geleitet werden. Der Permeabilitätsgradient des keramischen Materials bestimmt dabei die ortsabhängige Dichte der magnetischen Feldlinien im keramischen Material mit geladenen

Domänenwänden .

Darüber hinaus wird der Skin-Effekt in keramischen

Materialien mit Domänenwänden reduziert und die

Eindringtiefe der magnetischen Wechselfelder nähert sich bei hohen Frequenzen asymptotisch dem Wert

2pjie/ m) mit s _r =11,8 ... 73,8 und m _G = 56000 ... 171000 und mit p = 75 ... 141 Qm mehrere hundert Mikrometer (380 ... 540 ym) . Die keramischen Materialien mit Domänenwänden können daher hervorragend im HF-Bereich eingesetzt werden. Keramische Materialien mit geladenen Domänenwänden können für die

Hochfrequenztechnik zur Herstellung von Leitungen mit kleineren Oberflächen eingesetzt werden, beispielsweise zur Beschichtung von Drähten verwendet werden. Läuft die

Magnetisierungsrichtung ringförmig um den Draht, wird ein solcher Draht mit einem in Längsrichtung verlaufenden

Magnetfeld belegt, ändert sich der magnetische Fluss in dem keramischen Material und führt bei hohen Frequenzen durch die Beeinflussung des Skin-Effektes zu einer Änderung der Induktivität des beschichteten Drahtes. Beschichtete Drähte in der Nähe stromdurchflossener Leiter können auch zur

Messung des Magnetfeldes stromdurchflossener Leiter

verwendet werden.

Die Ausgangsmaterialkomposition zur Herstellung des

keramischen Materials kann beispielsweise ein Oxidpulver sein, oder ein Metallpulver mit anschließender Oxidation.

Das abgewogene Oxid wird zunächst gemahlen und anschließend getrocknet. Ein Vorsinterprozess dient dazu, das Pulver in eine bestimmte Phase bzw. auf eine bestimmte Korngröße zu bringen. In einem weiteren Mahlprozess wird das teilweise geklumpte Oxidgemisch zu einem feinkörnigen Pulver trocken vermahlen. Anschließend wird das Pulver endgetrocknet und in einer Pressform zusammengepresst und anschließend gesintert. Damit ist das keramische Material fertig erzeugt.

Das Abkühlen der Ausgangsmaterialkomposition auf

Raumtemperatur nach einer definierten Abkühlrate dient zur Einstellung einer Vortex-Dichte in dem erzeugten keramischen Material. Das keramische Material besitzt die Eigenschaft beim Durchlaufen eines Heiz- und/oder Abkühlungsprozesses Vortex-Zustände auszubilden. Ein Vortex-Zustand kann als ein Schnittpunkt zwischen geladenen Domänenwänden innerhalb eines Materials verstanden werden. In den keramischen

Materialien mit geladenen Domänenwänden bilden sich Vortex- Zustände im Zentrum von sechs verschiedenen

ferroelektrischen Domänenwänden (DW) , zwei geladene DW

(head-to-head) , zwei geladene DW (tail-to-tail) und zwei neutrale DW (head-to-tail) aus. Ein Vortex-Zustand ist topologisch geschützt, d.h. er lässt sich nicht durch kontinuierliche Transformation in den Grundzustand

überführen. Die ferroelektrische Ordnungstemperatur T _c der hexagonalen Seltene-Erd-Manganate RMnO hängt von dem

Seltene-Erd-Element in RMnO ab. Oberhalb einer Temperatur von T _c bildet sich keine ferroelektrische Ordnung mit ferroelektrischen Domänenwänden und geladenen Vortex- Zuständen aus. Beispielsweise beträgt die ferroelektrische Ordnungstemperatur für HoMn0 ₃ T _c = 875 K, für LuMn0 ₃ T _c = 573 K und für YMn0 ₃ T _c = 930 K. Beim Erhitzen des keramischen Materials über die ferroelektrische Ordnungstemperatur hinaus ist die ferroelektrische Ordnung nicht ausgeprägt.

Die Vortex-Dichte beim nachfolgenden Abkühlen des

keramischen Materials hängt von der Abkühlrate zum Zeitpunkt des Abkühlvorganges ab, bei dem die Abkühltemperatur gleich der ferroelektrischen Ordnungstemperatur ist. Unterhalb der ferroelektrischen Ordnungstemperatur hängt die Dichte der Vortices von der Abkühlrate ab. Die Vortex-Dichte hängt somit von der Abkühlrate beim Durchlaufen der

ferroelektrischen Ordnungstemperatur ab.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die zweite lokale Temperaturbehandlung mittels einer Kurzzeit-Wärmebehandlung - RTA - rapid

temperature annealing im ms-Bereich oder mittels eines

Kurzzeittemperns mit Blitzlampen - FLA - flash light

annealing im ys bis ms-Bereich oder mittels gepulster

Laserstrahlung - PLA - pulsed laser annealing im ns bis ys- Bereich (Subsecond Annealing of Advanced Materials Annealing by Lasers, Flash Lamps and Swift Heavy Ions, Springer Series in Material Science, 2014) . RTA ist für die thermische

Behandlung von Volumenmaterialien mit Ausdehnungen bis zu Dezimeter bis Zentimeter, Materialien mit rauen Oberflächen und planare Materialien geeignet; FLA ist für die thermische Behandlung von Materialien mit Ausdehnungen bis zu

Zentimeter bis Mikrometer mit rauen Oberflächen und von planaren Materialien geeignet; und PLA ist für die

thermische Behandlung von planaren Materialien mit

Ausdehnungen bis zu Mikrometer bis Nanometer geeignet. Diese nachfolgende Kurzzeit-Temperaturbehandlung mittels RTA, FLA und/oder PLA führt zum Einstellen des endgültigen

Permeabilitätsgradienten, welcher im jeweiligen Einsatz erforderlich ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des

erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass das keramische

Material als ein Volumenmaterial hergestellt werden kann. Dabei kann das Volumenmaterial in fester, flüssiger oder zähflüssiger Form vorliegen. Durch das Pressen der

pulverförmigen Ausgangsmaterialkomposition, das Einstellen einer Vortex-Dichte gemäß einer definierten Abkühlrate in dem erzeugten keramischen Material, und die zweite lokale Temperaturbehandlung des keramischen Materials über dessen ferroelektrische Ordnungstemperatur zum Einstellen des lokalen Permeabilitätsgradienten kann in sehr einfacher Weise ein festes Volumenmaterial mit einem lokal

einstellbaren Permeabilitätsgradienten hergestellt werden. Unter einem festen Volumenmaterial wird dabei das keramische Material in seiner räumlichen Ausdehnung in x-, y-, und z- Richtung verstanden. Unter einem flüssigen Volumenmaterial wird eine Tinte verstanden, die in einem Inkjetdruck- Sprühverfahren beispielsweise auf die Oberfläche eines

Substrates aufgebracht werden kann. Vorteilhaft werden mit dem flüssigen erfindungsgemäßen keramischen Material

Schichtdicken von 10 Nanometer bis mehrere hundert

Mikrometer realisiert. Unter einem zähflüssigen

Volumenmaterial wird eine Paste verstanden, die in einem Druckverfahren, z.B. mittels Rakeln, beispielsweise auf die Oberfläche eines Substrates aufgebracht werden kann.

Vorteilhaft werden mit dem zähflüssigen erfindungsgemäßen keramischen Material Schichtdicken von wenigen 10

Mikrometern bis mehrere 10 Millimeter realisiert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das keramische Material die oxydischen Komponenten der Seltene-Erd-Manganate REmn0 ₃ REOxid, MN-Oxid und/oder REMn0 ₃ -Oxid mit RE als ein Seltene-Erd-Element und / oder umfasst die Einzelkomponenten RE und Mn der Seltene- Erd-Manganate. Das keramische Material kann auch Zusätze von anderen Materialien zur Änderung der chemischen Komposition der Seltene-Erd-Manganate REMn0 ₃ , beispielsweise 3d

Übergangsmetalle (Sc, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) , mit bis zu 50 at . % enthalten. Bevorzugt ist das keramische Material YMnÜ ₃ .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls durch ein Verfahren zur globalen Beschichtung einer Oberfläche mit einem keramischen Material gelöst, wobei das keramische Material zunächst wie bereits beschrieben wurde erzeugt wird. Des Weiteren wird das keramische Material auf der zu beschichtenden Oberfläche abgeschieden. Unter dem Abscheiden werden Verfahren verstanden mittels denen das

erfindungsgemäße keramische Material auf Oberflächen von Substraten aufgebracht wird. Unter einer Oberfläche im Sinne der vorliegenden Erfindung wird jede Oberfläche verstanden, die für eine Beschichtung mit dem keramischen Material geeignet ist. Das kann beispielsweise die Oberfläche eines beliebig geformten Objektes oder Körpers sein oder eine planare Oberfläche oder eine Folie oder ein beliebiges Substrat. Diese Aufzählung ist in keiner Weise einschränkend zu verstehen. Die globale Beschichtung beschreibt demnach eine Beschichtung einer Oberfläche in ihrer Gesamtheit und ist nicht räumlich begrenzt zu verstehen. Gegenfalls ist vor der Beschichtung der Oberfläche die Oberfläche mit einem Haftvermittler zu versehen, damit sich das keramische

Material zuverlässig mit der Oberfläche verbindet. Die

Abscheidung kann sowohl unstrukturiert als auch strukturiert erfolgen. Dabei wird unter einer unstrukturierten

Abscheidung die ganzflächige, globale Abscheidung des erfindungsgemäßen keramischen Materials verstanden und unter einer strukturierten Abscheidung, das Erzeugen von regulären oder irregulären Mustern. Anschließend wird in einem ersten Temperaturbehandlungsschritt das keramische Material verdichtet und/oder eine Vortex-Dichte in dem keramischen Material mittels eines definierten Temperaturregimes eingestellt. Liegt das keramische Material in fester Form vor und wird es mittels Laserplasmaabscheidung oder Sputtern aufgebracht, wird das keramische Material nach der

Abscheidung auf Raumtemperatur nach einer definierten Abkühlrate zur Einstellung einer Vortex-Dichte in dem keramischen Material abgekühlt. Liegt das keramische

Material in flüssiger oder zähflüssiger Form vor und wird es mittels eines Druckverfahrens aufgebracht, erfolgt zunächst ein Verdampfen des Binders aus dem flüssigen bzw.

Zähflüssigen keramischen Material, wodurch das Material verdichtet wird. Der Binder kann ebenfalls hoch permeabel sein. Anschließend erfolgt in beiden Fällen eine zweite lokale Temperaturbehandlung zum Erhitzen des keramischen Materials über dessen ferroelektrische Ordnungstemperatur, so dass sich ein endgültiger lokaler Permeabilitätsgradient in der Beschichtung auf der Oberfläche einstellt. Die

Beschichtung sollte für eine verlustfreie Magnetfeldleitung eine Dicke größer als die Skin-Dicke aufweisen. Und die Beschichtung sollte für eine verlustbehaftete

Magnetfeldleitung eine Dicke kleiner als die Skin-Dicke aufweisen .

D.h. in einer bevorzugten Ausgestaltung des

erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird das

keramische Material mittels gepulster Laserplasmaabscheidung oder mittels Magnetronsputtern aus einem festen keramischen Target, welches das keramische Material aus den oxydischen Komponenten der Seltene-Erd-Manganate REMn0 ₃ RE-Oxid, Mn-Oxid und/oder REMn0 ₃ -0xid mit RE als ein Seltene-Erd-Element und/oder aus dessen Einzelkomponenten RE und Mn aufweist, auf der Oberfläche abgeschieden. Beispielsweise kann das keramische Material mit geladenen Domänenwänden aus einem keramischen Target mittels gepulster Laserplasmaabscheidung auf einem planaren Trägermaterial in Dünnschichtform

deponiert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens ist das keramische Material flüssig oder zähflüssig und wird mittels eines Druckverfahrens auf die Oberfläche aufgebracht. Unter einem Druckverfahren wird die Abscheidung mittels Inkj etauftrag oder Sprühen oder Rakeln verstanden. Der Inkj et-Auftrag ist vorzugsweise für Schichtdicken von 10 Nanometern bis mehre hundert Mikrometer geeignet, Sprühverfahren für

Schichtdicken von 10 Nanometern bis mehrere hundert

Mikrometer sowie Rakel-Verfahren für Schichtdicken von wenigen zehn Mikrometern bis mehreren 10 Millimeter.

Besonders vorteilhaft ist, wenn das Verfahren zur

Herstellung des keramischen Materials mit lokal

einstellbarem Permeabilitätsgradienten zum Herstellen eines Transformatorkerns in einem Transformator verwendet wird. Dabei wird das erfindungsgemäße keramische Material entweder für die Beschichtung eines konventionellen Ferritkerns eingesetzt oder der Transformatorkern besteht als solcher aus dem erfindungsgemäßen keramischen Material.

Auch vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials mit lokal einstellbarem

Permeabilitätsgradienten mit dem erfindungsgemäßen

Beschichtungsverfahren zum Beschichten mit einem

Beschichtungsmaterial für elektrische Leiter und / oder Drähte verwendet wird.

Ebenso vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren zur

Herstellung des keramischen Materials mit lokal

einstellbarem Permeabilitätsgradienten zur Herstellung von elektrischen Leitern verwendet wird.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren zur Herstellung des keramischen Materials mit lokal einstellbarem Permeabilitätsgradienten zum Herstellen eines Rotors in einem Elektromotor verwendet wird.

Ebenso vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren zur

Herstellung des keramischen Materials mit lokal

einstellbarem Permeabilitätsgradienten zum Herstellen eines Rotors in einem Generator verwendet wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren zur

Herstellung des keramischen Materials mit lokal

einstellbarem Permeabilitätsgradienten zum Herstellen zweidimensional gedruckter Elektronikkomponenten verwendet wird. Unter Elektronikkomponenten werden erfindungsgemäße Leiterbahnen, Widerstände, Induktivitäten und Kapazitäten verstanden. Die zweidimensionale Strukturierung kann beispielsweise über Schattenmasken, lithographisch

strukturierte Masken, Siebdruck oder einem definierten Inkj et-Auftrag erfolgen. Diese Aufzählung ist nicht

abschließend. Es ist als besonders vorteilhaft

hervorzuheben, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren jegliche Formgebung für eine Beschichtung mit dem

erfindungsgemäßen keramischen Materials mit lokal

einstellbarem Permeabilitätsgradienten realisierbar ist.

Denn damit lassen sich Strukturierungen realisieren, wodurch ein Magnetfeld beliebig geleitet werden kann.

Es ist vorteilhaft, das erfindungsgemäße keramische

Material, welches nach Anspruch 1 hergestellt wird, beim Pulsschweißen oder Widerstandsschweißen, beispielsweise von hochzugsfesten Stählen, zu verwenden. Das

Widerstandsschweißen ist ein Schweißverfahren für elektrisch leitfähige Werkstoffe auf Basis der Jouleschen Stromwärme eines durch die Verbindungsstelle fließenden elektrischen Stromes. Das keramische Material wird erfindungsgemäß lokal an den zu verschweißenden Bereichen aufgebracht. Wird nun ein Wechselmagnetfeld aufgebracht, breitet sich dieses in dem keramischen Material aus und induziert nur dort einen Strom und erhöht nur lokal die Joulesche Stromwärme.

Die Verbindungspartner werden bis zum Erreichen der

Schweißtemperatur erhitzt und an der Berührungsstelle unter der Wirkung einer Kraft durch Erstarren von Schmelze, durch Diffusion oder auch in fester Phase verschweißt.

Die Erfindung soll nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Die Zeichnungen zeigen

Fig. 1 Schematische Darstellung a) einer ferro- oder

ferrimagnetischen Schicht der Dicke d und b) eines keramischen Materials mit geladenen Domänenwänden der Dicke d auf einem Substrat;

Fig. 2 Erfindungsgemäßes keramisches Material mit

geladenen Domänenwänden a) mit einer geringen Dichte der geladenen Domänenwände; b) mit einer hohen Dichte der geladenen Domänenwände;

Fig. 3 Erfindungsgemäßes keramisches Material mit

geladenen Domänenwänden a) mit einer hohen Dichte der geladenen Domänenwände im Zentrum auf dem

Substrat und b) mit einer hohen Dichte der geladenen Domänenwände in den Randbereichen auf dem Substrat ;

Fig. 4 Erfindungsgemäßes keramisches Material mit geladenen Domänenwänden a) mit einer geringen

Dichte der geladenen Domänenwände und der Dicke d auf einem keramischen Material mit einer hohen Dichte der geladenen Domänenwände sowie b) mit einer hohen Dichte der geladenen Domänenwände und der Dicke d auf einem keramischen Material mit einer geringen Dichte der geladenen Domänenwände;

Fig. 5 Erfindungsgemäßes keramisches Material der Dicke d a) mit geladenen Domänenwänden mit einer hohen Dichte der geladenen Domänenwände und mit geladenen Domänenwänden mit einer besonders hohen Dichte der geladenen Domänenwände in der Mitte auf einem keramischen Material mit einer geringen Dichte der geladenen Domänenwände sowie b) mit geladenen

Domänenwänden mit einer hohen Dichte der geladenen Domänenwände und mit geladenen Domänenwänden mit einer besonders hohen Dichte der geladenen Domänenwände am Rand auf einem keramischen Material mit einer geringen Dichte der geladenen

Domänenwände ;

Fig. 6 Verwendung zur Beschichtung von Kabeln als a) ein

Schichtsystem aus keramischen Materialien i der Dicke di und der Permeabilität m± sowie b) als ein Schichtsystem aus keramischen Materialien i der Dicke di und der Permeabilität mi und aus dielektrischen Materialien j der Dicke d _j und der Permittivität em·

Fig. 7 a) Verwendung zur Herstellung eines

Transformatorkerns aus einer b) spiralförmigen Aufwicklung eines Bandes bestehend aus keramischen Materialien i der Dicke di und der Permeabilität mi, welche c) unterschiedliche Werte auf dem Band annimmt, und d) welche auf einer Isolatorschicht (7) aufgebracht sind; sowie e) Verwendung zur Herstellung eines Transformatorkerns aus einer radialsymmetrische Beschichtung mit keramischen Materialien i der Dicke di und der Permeabilität m± und mit dielektrischen Materialien j der Dicke d _j und der Permittivität em

Fig. 8 Strukturierte Abscheidung des erfindungsgemäßen keramischen Materials: a) als konventionelle

Leiterbahn mit Ecken und b) als Leiterbahn ohne Ecken .

Das keramische Material mit geladenen Domänenwänden kann beispielsweise aus einem keramischen Target mittels

gepulster Laserplasmaabscheidung auf einem planaren

Trägermaterial in Dünnschichtform deponiert werden. Der Herstellungsprozess von z.B. keramischen Manganat-DünnfUrnen mit geladenen Domänenwänden umfasst folgende

Prozessschritte: Zunächst wird ein keramisches Target z.B. aus Yttrium-Oxid, Mangan-Oxid und Titan-Oxid mit

unterschiedlichen Gewichtsanteilen (UiMhi0 ₃ , Y _0.95 Mn _1.05 O ₃ , Y ₁ Mno. ₉₉ Tio. ₀₁ O ₃ , Y _0.94 Mn _1.05 Ti _0.01 O ₃ ) erzeugt. Dafür werden die

Oxide abgewogen. Anschließend erfolgt das Mahlen der

abgewogenen Oxide, z.B. in einem Mahlbecher mittels

Achatkugeln mit Durchmessern von 10 mm und 5 mm in einer Mühle bei 450 Umdrehungen/min, 8h im trockenen Zustand 16h im nassen Zustand, wobei die Ausgangsmaterialkomposition mit Ethanol versetzt wird. Nach dem Mahlen kommt die

Oxidmischung in ein Becherglas, wo die dickflüssige

Oxidmischung mittels Spatel ständig verrührt und auf einer Heizplatte bei ca. 60°C getrocknet wird bis das Ethanol verdampft ist und die Oxidmischung wieder pulverförmig ist. Anschließend erfolgt ein Vorsintern des Pulvers bei 1000°C 5h in Luft und ein Abkühlen auf Raumtemperatur: Das

getrocknete Pulver wird in ein Aluminiumkeramikschiffchen eingefüllt und im Rohrofen in Luft bei oben angegebenen Bedingungen vorgesintert. Das dient zum Erreichen einer bestimmten Phase bzw. Korngröße des Materials. Durch ein erneutes Mahlen des teilweise geklumpten Oxidgemisches werden die Cluster und größeren Agglomerate nach dem

Sinterprozess in einem Mahlbecher mit 450 Umdrehungen/min etwa noch einmal 3 h zu feinkörnigem Pulver verarbeitet. Danach erfolgt ein Trockenvorgang des Oxidgemisches bei 120°C für 1 Tag: Zum Trocknen wird das Pulver in ein

Becherglas gefüllt und im Trockenofen bei oben genannten Bedingungen endgetrocknet. Dabei muss die ganze Flüssigkeit entwichen sein, damit dann das Target beim Sintern nicht reißt. Das Pulver des Oxidgemisches wird in einer Pressform mit dem Durchmesser von 32 mm in einer Presse mit einem Druck von 2 ton = 39 bar in einer Zeit von ca. 20 min gepresst. Nach der Entnahme des Presslings und Sinterung bei 1350°C 10h in Luft, mit einer langsamen Abkühlung von ungefähr 3°C/min bis Raumtemperatur erhält man zunächst ein keramisches Material mit geladenen Domänenwänden. Erfolgt das Abkühlen der Ausgangsmaterialkomposition auf

Raumtemperatur nach einer definierten Abkühlrate kann eine definierte Vortex-Dichte in dem erzeugten keramischen

Material eingestellt werden. Die Abkühlrate kann

beispielsweise 1 K/min bis 20 K/min betragen. Es ist auch möglich die Abkühlrate zum einen durch eine geringe

Gegenheizung von lK/min bis 10 K/min zu reduzieren und zum anderen mit einem hohen Sauerstoffpartialdruck von 0.1 bis 0.3 mbar zu arbeiten, um die Abkühlrate zu erhöhen.

In einem nachfolgenden lokalen Temperaturbehandlungsschritt wird das keramische Material über dessen ferroelektrische Ordnungstemperatur erhitzt, wobei dieser Schritt zum

Einstellen des lokalen Permeabilitätsgradienten notwendig ist. Dieser Schritt erfolgt außerhalb der Kammer zur

gepulsten Laserplasmaabscheidung . Ob die Kurzzeit- Temperaturbehandlung mittels Rapid Thermal Annealing (RTA) , Flash Lamp Annealing (FLA) oder Pulsed Laser Annealing (PLA) erfolgt, hängt von der Dicke i des keramischen Materials i ab, in der die Temperatur während der thermischen Behandlung größer als die ferroelektrische Ordnungstemperatur T _c sein soll und davon, wie lange die Temperatur während der

thermischen Behandlung größer als die ferroelektrische

Ordnungstemperatur sein soll.

Figur 2 zeigt die Ergebnisse der Modellierung der mittels Temperaturbehandlung an verschiedenen keramischen

Materialien eingestellten Impedanz und die Ermittlung der Permittivität _r für keramische Materialien mit leitenden Domänenwänden kleiner Dichte (Fig. 2a) und der Permittivität s _r und der Permeabilität m _G für keramische Materialien mit leitenden Domänenwänden hoher Dichte (Fig. 2b) . Figur 2b zeigt eine RCL-Probe mit einer guten Leitung des

Magnetfeldes, wohingegen Figur 2a eine RC-Probe mit guter Abschirmung des Magnetfeldes zeigt. Fig. 2a zeigt das erfindungsgemäße keramische Material mit geladenen

Domänenwänden mit einer solch geringen Dichte 3D, dass in der RC-Modellierung der an dem keramischen Material mit Vorderseiten-Elektrode 15 und mit Rückseiten-Elektrode 14 gemessenen Impedanz der kapazitive Anteil C und der Widerstandsanteil R dominiert. Die Werte des Widerstandes R, der Kapazität C und der Permittivität s _r wurden aus den Impedanzdaten des keramischen Materials der Dicke d in einem RC-Parallelschwingkreis modelliert. Fig. 2b zeigt das erfindungsgemäße keramische Material mit geladenen

Domänenwänden solch hoher Dichte 3E, dass in der RLC- Modellierung der an dem keramischen Material mit

Vorderseiten-Elektrode 15 und mit Rückseiten-Elektrode 14 gemessenen Impedanz der kapazitive Anteil C, der

Widerstandsanteil R und der induktive Anteil L dominiert.

Die Werte des Widerstandes R, der Kapazität C, der

Permittivität s _r und der Permeabilität m _G wurden aus den Impedanzdaten des keramischen Materials der Dicke d in einem RLC-Parallelschwingkreis modelliert .

In Fig. 3a ist der Permeabilitätsgradient y _r in einem keramischen Material auf einem Substrat 2 mit geladenen Domänenwänden 4 geringer Dichte 3A am Rand und mit geladenen Domänenwänden hoher Dichte 3B im Zentrum schematisch

gezeigt. In Fig. 3b ist der Permeabilitätsgradient y _r in einem keramischen Material auf einem Substrat 2 mit

geladenen Domänenwänden hoher Dichte 3B am Rand und mit geladenen Domänenwänden geringer Dichte 3A im Zentrum schematisch gezeigt.

In Fig. 4a ist ein keramisches Material mit geladenen

Domänenwänden geringer Dichte 3A auf einem keramischen

Material mit geladenen Domänenwänden hoher Dichte 3B

schematisch gezeigt. In Fig. 4b ist ein keramisches Material mit geladenen Domänenwänden hoher Dichte 3B auf einem keramischen Material mit geladenen Domänenwänden geringer Dichte 3A schematisch gezeigt. In Fig. 5a ist der Permeabilitätsgradient y _r in einem keramischen Material mit geladenen Domänenwänden hoher

Dichte 3B am Rand und mit geladenen Domänenwänden besonders hoher Dichte 3C im Zentrum auf einem keramischen Material mit geladenen Domänenwänden geringer Dichte 3A schematisch gezeigt. In Fig. 5b ist der Permeabilitätsgradient y _r in einem keramischen Material mit geladenen Domänenwänden besonders hoher Dichte 3C am Rand und mit geladenen

Domänenwänden hoher Dichte 3B im Zentrum auf einem

keramischen Material mit geladenen Domänenwänden geringer Dichte 3A schematisch gezeigt.

Die Figur 6 zeigt wie die keramischen Materialien zur

Magnetfeldabschirmung verwendet werden. Materialien zur Magnetfeldabschirmung besitzen eine große Permeabilität y _r und sind robust gegen mechanischen Stress während der

Verarbeitung und haben eine verschwindende Magnetostriktion . Eine Standardlösung für die Magnetfeld-Abschirmung sind MUMETALL-Tapes mit einer Dicke von 0,05 mm oder 0,10 mm und einer Breite von 155 mm mit typischen Permeabilitäten von y _r = 8000. Andere Standardlösungen sind Abschirmfolien von VITROVAC 6025x, welche eine Dicke von 30 ym und eine Breite von 50 mm haben. Beide Tapes werden auch mit einer

selbstklebenden Folie aus der Vakuumschmelze geliefert.

Erfindungsgemäß werden, um hohe Abschirmfaktoren zu

erreichen, mehrere (N) Dünnschichten i, welche durch ihre Permeabilität m±, ihre Dicke d± und ihre Leitfähigkeit o± charakterisiert sind, verwendet. Der Abschirmfaktor der insgesamt N Dünnschichtlagen skaliert nichtlinear mit den Permeabilitäten mi der N Dünnschichtlagen i. Aufgrund der teilweise disjunkten Materialeigenschaften bzgl. der

Permeabilität m± und der Leitfähigkeit o± (m <c _u) = 1 - 6,4 ·10 ⁶ , s ₍ c _u) = 58Ί0 ⁶ S/m und m _(Aΐ) = 1 + 2,2·10 ⁵ , s _(Aΐ) = 37-10 ⁶ S/m) werden in Standardanwendungen Dünnschichten mit hoher Leitfähigkeit und Dünnschichten mit hoher

Permeabilität kombiniert. Dafür sind Al und Cu nicht

geeignet. Zur Lösung des Problems und zur weiteren

Verbesserung der Abschirmung von Magnetfeldern, bspw. an Kabeln 6, d.h. Leitern, wird die Verwendung einer aus mehreren (N) Dünnschichtlagen i bestehenden Beschichtung vorgeschlagen, wobei die Permeabilität der Dünnschicht i=l, welche im direkten Kontakt bzw. nur durch eine

Isolatorschicht vom Kabel 6 getrennt ist, die kleineste Permeabilität m± aufweist und die kleinste Leitfähigkeit o± . Die Dünnschicht i mit der größten Leitfähigkeit bestimmt, in welchem Abstand zur Oberfläche des Kabels 6 das externe Magnetfeld H _ext effektiv abgeleitet wird. Es sind graduelle Änderungen der Flussdichte der Magnetfeldlinien innerhalb der N Dünnschichtlagen möglich, so dass die zeitliche

Änderung der Flussdichte Bi in der Dünnschicht i reduziert ist. Unter Verwendung einer elektrischen Isolierung zwischen benachbarten Dünnschichtlagen i und i+1 kann die Spannung Uii-ii _+i abgeleitet werden. Ohne diese elektrische Isolierung würden sogenannte Eddy-Ströme das externe Magnetfeld

verändern. Ein Ausführungsbeispiel zum Abführen eines externen Magnetfeldes H _ext ist in Fig. 6a gezeigt. Die Skin- Dicke der Dünnschichtlage i hängt von der Änderungsfrequenz f des externen Magnetfeldes ab, 5 _Skin = (1/s ·p ·m ₀ ·m -f) ^1/2 .

Figur 6b zeigt wie zur Verhinderung der Eddy-Ströme

Isolatorschichten j zwischen die Dünnschichtlagen eingefügt werden. Bei hohen Frequenzen kann sich eine Zwischenschicht- Spannung Uii-ii _+i = 2n -w -d · f -dB/dt ausbilden. Die induzierten Eddy-Ströme führen zur Erwärmung des Materials. Deswegen werden die Isolatorschichten eingefügt. Um die Ausbildung Uii-ii _+i möglichst gering zu halten, wird erfindungsgemäß das Produkt m± -di konstant gehalten.

Figur 7 zeigt die Verwendung keramischer Materialien zur Herstellung von Transformatorkernen zur besseren Leitung des magnetischen Flusses F. In einem idealen Induktor gibt es keinen Leckstrom. Eine mögliche Ursache von Leckströmen sind sogenannte magnetische Leckflusslinien. Erfindungsgemäß wird durch die vorgeschlagene Herstellung des Transformatorkernes die Ausbildung von Leckflusslinien verhindert. In einem realen Transformator gibt es Leistungsverluste P _Fe im

Kernmaterial und Kupferverluste P _Cu in den Windungen der Primär- und Sekundärstromkreise. Diese Verluste verringern die Effizienz des Transformators und verursachen eine

Temperaturerhöhung des Transformators im Vergleich zur

Umgebung .

Figur 8 zeigt die Realisierung das erfindungsgemäße

keramische Material nach einer strukturierten Abscheidung als konventionelle Leiterbahn mit Ecken (Figur 8a) und als Leiterbahn ohne Ecken (Figur 8b) . Diese Leiterbahnen können zum passiven Abschirmen eines von der Leiterbahn

eingeschlossenen Objektes, beispielsweise von

Elektronikkomponenten in einer Arbeitsumgebung mit

elektromagnetischen Wechselfeldern, vor elektromagnetischen Feldern verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1 ferro- oder ferrimagnetische Schicht

2 Substrat

3 keramische Schicht mit geladenen Domänenwänden

3A keramisches Material mit geladenen Domänenwänden geringer Dichte

3B keramisches Material mit geladenen Domänenwänden hoher Dichte

3C keramisches Material mit geladenen Domänenwänden

besonders hoher Dichte

3D keramisches Material mit geladenen Domänenwänden solch geringer Dichte, dass in der RC-Modellierung der an dem keramischen Material mit Vorderseiten-Elektrode und mit Rückseiten-Elektrode gemessenen Impedanz der kapazitive Anteil C und der Widerstandsanteil R dominiert

3E keramisches Material mit geladenen Domänenwänden solch hoher Dichte, dass in der RLC-Modellierung der an dem keramischen Material mit Vorderseiten-Elektrode und mit Rückseiten-Elektrode gemessenen Impedanz der kapazitive Anteil C, der Widerstandsanteil R und der induktive

Anteil L dominiert

4 geladene Domänenwände

6 Kabel 7 keramische Dünnschicht i der Dicke d± und der magnetischen Permeabilität m± mit geladenen Domänenwänden

8 Isolatorschicht j der Dicke d _j und der elektrischen

Permittivität e±

9 Transformatorkern

9A Transformatorkern bestehend aus einer spiralförmig

aufgewickelten keramischen Dünnschicht

9B Transformatorkern bestehend aus ringförmig abwechselnd angeordneten keramischen Dünnschichten i auf

Isolatorschichten j

10 Primärkreis des Transformators mit NI Windungen und

Primärstrom II

11 Sekundärkreis des Transformators mit N2 Windungen und

Sekundärstrom 12

12 Lastwiderstand R2 im Sekundärkreis des Transformators

13 Transformator

14 Rückseiten-Elektrode

15 Vorderseiten-Elektrode

16 Abzuschirmendes Objekt