Stand der Technik Bei der Herstellung von keramischen Glühstiftkerzen aus Keramik-Verbundwerkstoffen werden durch die Pyrolyse von elementorganischen Precursoren amorphe SiOC-Keramiken gewonnen. Vorteile des Precursor-Thermolyse-Verfahrens gegenüber den konventionellen Herstellungsverfahren für Keramiken (Sintern) sind die wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen und die einfache Verarbeitbarkeit und Formbarkeit von Polysiloxanharzen.

Die Herstellung von Formkörpern ist aber nur bei Einsatz von zusätzlichen Füllstoffen möglich, da sonst Schwindungsrisse und Poren während der Pyrolyse auftreten. Mittels geeigneter Füllstoffe lassen sich auf diese Weise die Eigenschaften (Wärmeausdehnungs- koeffizient, Wärmeleitfähigkeit, spezifischer elektrischer Widerstand) des Komposits genau einstellen. Hierbei ist es möglich, wie in der EP-B-0 412 428 offenbart, reaktive Füller einzusetzen, um eine bessere Anbindung der Füllstoffe an die Matrix zu erreichen oder auch inerte Füllstoffe zu verwenden.

Durch die Wahl der Füllstoffe wird das elektrische und physikalische Eigenschaftsprofil des nach der Pyrolyse resultierenden Keramik-VerbundWerkstoffes der Glühstiftkerze exakt auf das Anforderungsprofil zugeschnitten. Die Verwendung eines sauerstoffhaltigen Polysiloxan- Precursors als Ausgangsmaterial ermöglicht die einfache Verarbeitbarkeit unter Luft und damit die Herstellung kostengünstiger Produkte. Das Pyrolyse-Produkt des gefüllten Polysiloxans besitzt dabei eine gute Festigkeit, hohe chemische Stabilität (Oxidation,

Korrosion) und ist gesundheitlich unbedenklich. Allgemein liegt einer der großen Vorteile des Precursor-Thermolyse-Verfahrens gegenüber den konventionellen Herstelllungsverfahren (Sintern) für Keramik-Verbund-Werkstoffe in der Möglichkeit, daß ein größeres Spektrum von Füllstoffen zur Verfügung steht. Zum einen, weil die Pyrolyse im allgemeinen bei wesentlich niedrigeren Temperaturen abläuft als der Sinterprozeß, wodurch bei Sintertemperaturen flüssige oder flüchtige Füllstoffe bei dem Precursor-Pyrolyse-Prozeß noch verwendet und zudem bei höheren Temperaturen auftretende Phasenreaktionen vermieden werden können ; zum anderen, weil die Polysiloxanharze als schmelzbare duroplastische und in organischen Lösungsmitteln lösliche Polymere ein einfaches und extrem homogenes Einarbeiten von Füllstoffen in den Precursor ermöglichen (Kneten, Lösen). Dies ist deshalb so interessant, weil mit einer großen Auswahl an Füllern die Eigenschaften des Precursor- Verbund-Werkstoffes über ein weites Spektrum eingestellt werden können.

Um jedoch die Einstellung der Eigenschaften über die Füllstoffe zu gewährleisten, muss der Einfluss der Matrix auf die jeweilige Eigenschaft möglichst gering sein. Da die Matrix in allen hergestellten Verbunden der keramischen Glühstiftkerze ein zusammenhängendes Netzwerk bildet, ergibt sich für die Herstellung der isolierenden Zwischenschicht des Glühstifts ein Problem, falls die Matrix nach dem Herstellungsprozess einen zu niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand besitzt. Ein weiteres Problem ergibt sich für den Fall, dass die Matrix beziehungsweise der Verbund aufgrund von Phasenumwandlungen, Kristallisation und Oxidation an Hochtemperaturfestigkeit und Thermoschockbeständigkeit verliert. Die Problematik des niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands sowie der unerwünschten Kristallisation des Matrixmaterials konnte durch den Einsatz von borhaltigen Füllstoffen wesentlich eingeschränkt werden. Das Vorliegen eines amorphen Glases kann jedoch bei hohen Temperaturen zu einer nur unzureichenden Kriechbeständigkeit des Matrixmaterials führen. Dies kann sich insbesondere in der lokalen Verformung des Materials in den heißen Bereichen des Glühstifts auswirken.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, die spezifischen elektrischen Widerstände des verwendeten Materials zu erhöhen und zu stabilisieren und eine Erhöhung der Hochtemperaturkriechbeständigkeit zu erzielen.

Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Precursor-Keramiken durch Pyrolyse von sauerstoffhaltigen elementorganischen Precursor-Polymeren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass das entstehende Material einen erhöhten spezifischen Widerstand aufweist.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass es eine wesentlich verbesserte Hochtemperatur- Kriechbeständigkeit zeigt.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass das enstehende Material keine Phasenumwandlungen im Material erfährt, die zu seiner mechanischen Zerstörung führen (Dauerhaltbarkeit).

Zudem liegt ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, dass keine Alterung des spezifischen elektrischen Widerstands und somit keine Alterung der Funktionseigenschaften des entstehenden Materials auftritt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

Ausführungsbeispiele Kern der Erfindung ist die Verwendung von Aluminium als Zusatz durch eine Modifizierung des Polymers und/oder durch Zusatz als Additiv in Form aluminiumhaltiger Füllstoffe. Bei der Modifizierung handelt es sich um eine Synthese (bspw. Sol-Gel-Synthese) eines aluminiumhaltigen Polymers. Bei der Verwendung als Additiv ist aufgrund des niedrigen Schmelzpunkts des Aluminiums die Verwendung als feinstes Nanopulver eine Grundvoraussetzung, die gewünschten Effekte zu erzielen. Als entscheidend kann hierbei die Reaktion des Aluminiums mit dem Sauerstoff aus der SiOC Matrix angesehen werden. Diese Reaktion führt zur Bildung eines Mullits, der wesentlich hochtemperaturbeständiger und speziell hochtemperaturkriech-beständiger ist als amorphes SiOC-Glas. Damit verbessert sich

die Dauerhaltbarkeit des entstehenden Materials und die Alterung des elektrischen Widerstandes wird verringert.

Es werden aluminiumhaltige SiO (Al) C Proben, die entweder durch Zusatz von Aluminiumnanopulver zum Polysiloxan oder durch Modifizierung der polymeren Vorstufen hergestellt wurden, in einer für den Anwendungsfall bestimmten Atmosphäre (d. h., unter Argon, H2, N2, CH4, etc. ) im Temperaturbereich zwischen 600°C-1400°C pyrolisiert. Dabei ist das Vorgehen wie folgt : In Isolationsmassen, d. h., Massen, die nach einer Wärmebehandlung elektrisch isolierend sind (keramische Materialien mit einem spezifischen elektrischen Widerstand R > 103 acm), beziehungsweise Leitmassen, d. h., Massen, die nach einer Wärmebehandlung elektrisch leitfähig sind (keramische Materialien mit einem spezifischen elektrischen Widerstand R < 10° Qcm), der Glühstiftkerze werden während der Aufbereitung aluminiumhaltige Zusätze eingearbeitet.

Die Menge an eingearbeitetem Aluminium liegt im Bereich von 0,1 bis 60 Masse-%, vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 Masse-%.

Die Pyrolysen der Isolationsmassen wurden alle unter Standardbedingungen (Aufheizen von 20°C auf 1300°C mit 30 K/h, Halten für 1 h bei 1300°C, und Abkühlen mit 300 K/h) durchgeführt, um den Vergleich mit dem Eigenschaftsprofil herkömmlicher Standardmassen zu gewährleisten.

Beispiel 1 : Herstellung von zwei Massen mit gleichem Volumenanteil an Füllstoffen : - Masse 1 : 65 Vol-% Polymer (MK-Polymer, Polysilsesquioxan) /30 Vol-% Si02/ 5 Vol% Aluminiumnanopulver - Masse 2 : 65 Vol-% Polymer (MK-Polymer, Polysilsesquioxan) /25 Vol-% Si02/ 10 Vol% Aluminiumnanopulver

Die Aufbereitung der Massen erfolgte über das Einmahlen der Pulver in der Planetenkugelmühle und anschließendem Sieben mit einer Maschenweite zwischen ungefähr 1001lm und ungefähr 500 um. Danach wurden die Proben mit Hilfe eines Warmpressvorgangs formgegeben und vernetzt. Die Pyrolyse der Proben erfolgte mit Aufheizraten im Bereich 25 K/h, um kompakte Proben zu gewährleisten.

Um die Phasenentwicklung bei steigender Pyrolyseendtemperatur zu beobachten, wurden die Pyrolysen bei 1100°C, 1200°C, 1300°C und 1400°C durchgeführt Die Röntgenbeugungs-Untersuchungen an den Materialien zeigen die Reaktion des Aluminiums mit dem Sauerstoff der SiOC Matrix zu Mullit sowie die gleichzeitige Bildung von SiC. Dies deutet darauf hin, dass es durch den Einsatz von Aluminiumnanopulver möglich ist, den überschüssigen Kohlenstoff aus der Matrix zu binden. Somit leistet offenbar der Kohlenstoff keinen Beitrag zur Leitfähigkeit.

Da die Separation des Kohlenstoffs als Hauptgrund für die Verringerung des spezifischen elektrischen Widerstandes angesehen werden kann, ließ sich durch die Messung des spezifischen elektrischen Widerstandes der Proben eine Korrelation zur Ausscheidung beziehungsweise Entwicklung des freien Kohlenstoffs in der SiOC-Keramik nachweisen. Es zeigt sich, dass sich der spezifische elektrische Widerstand der Proben auch bei Pyrolysetemperaturen oberhalb 1300°C nicht verringert. Weiterhin ist zu erkennen, dass das Niveau des spezifischen Widerstandes mit 106 cm um 3-4 Größenordnungen höher liegt als für aluminiumfreie SiOC/Si02-Komposite.

Beispiel 2 : Es wurden aluminiumhaltige Leitmassen und Isolationsmassen für eine keramische Glühstiftkerze mit einem Durchmesser von ungefähr 3 mm hergestellt. Die Herstellung erfolgte über das Einmahlen der Füllstoffe in der Planetenkugelmühle und anschließendem Sieben mit einer Maschenweite von 150im. Danach wurden die Proben mittels eines Warmpresvorgangs formgegeben und vernetzt.

Die Zusammensetzungen der keramischen Ausgangsmassen lagen im folgendem Bereich : 50-80 Vol-% Polysiloxan mit einem bereits im Polymer enthaltenen Anteil an Aluminiumnanopulver von 5 Vol-% sowie 1 Masse-% Zirkonacetylacetonat (bezogen auf den Polymeranteil) 0-10 Vol.-% SiC 0-20 Vol.-% A1203 0-30 Vol.-% MoSi2 0-5 Masse-% Bor Die Pyrolyse wurde mit einer Aufheizrate von 25K/h bis 1300°C, einer Stunde Haltezeit bei Endtemperatur und einem Argonfluß von 2 1/h durchgeführt. Der Füllgrad in einem Graphitofen der Firma FCT betrug 12%. Danach wurden die Proben in einem Nabertherm Ofen für 8h/1350°C an Luft ausgelagert.

Es konnte gezeigt werden, dass sich der spezifische elektrische Widerstand des Isolationsmaterials auch bei Zugabe von Aluminium auf einem Wert oberhalb 106 Ohm cm stabilisieren läßt. Auch nach Auslagerungstemperaturen von 1350°C ist keine Widerstandsalterung zu erkennen.

Die nur sehr geringe Nachschwindung des Materials bei Auslagerungen von 1350°C deutet auf eine signifikant höhere Kriechbeständigkeit des Matrixmaterials hin.

Die Alterung der elektrischen Eigenschaften des leitfähigen Materials ergibt sich zu einem großen Teil durch die Nachschwindung des Matrixmaterials und der damit einhergehenden Annäherung der MoSi2-Partikel (Verschiebung der Perkolationskurve). Daher folgt aus einer geringeren Nachschwindung gleichzeitig eine geringe Alterung des spezifischen elektrischen Widerstands der Leitmassen.

Dies ist der entscheidende Vorteil zur Verwendung von Aluminium als Additiv zur Erhöhung der Hochtemperaturstabilität.

Das Kristallisationsverhalten bezüglich der Bildung von Cristobalit wurde anhand von dilatometrischen Messungen untersucht. Damit konnte gezeigt werden, dass sich auch bei Temperaturen von 1350°C an Luft kein Cristobalit im Bulk der unterschiedlichen Materialen gebildet hat. Cristobalit besitzt nämlich einen wesentlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die anderen Materialien in den entsprechenden Massen.

Im Vergleich zu den Systemen ohne Aluminium lassen diese Ergebnisse auf eine wesentlich verbesserte Thermowechselbeständigkeit schließen.

Beispiel 3 : Es wurde ein aluminiummodifiziertes Harz über einen Sol-Gel-Prozeß hergestellt. Hierzu wurde MK-Polymer mit 1 Masse-% Zirkonacetylacetonat als Katalysator in Isopropanol gelöst und ein Anteil von 9,1 Masse-% Alumatran (AKA005 der Firma ABCR) (bezogen auf das Polymer) zugegeben. Nach der Gelierung wurde das Gel bei 120°C 5h lang getrocknet.

Danach wurde das getrocknete Gel gemahlen und anschließend bei 180°C warmgepresst. Die Pyrolysetemperatur betrug 1100°C in Argonatmosphäre.

Die Proben wurden nach der Pyrolyse für ungefähr 10 bis ungefähr 50 Stunden bei Temperaturen von 1200°C-1700°C in Argonatmosphäre nachbehandelt.

In den Röntgenbeugungsdiagrammen für unterschiedliche Auslagerungstemperaturen ist zu erkennen, dass sich ein Mullit/SiC-Gefüge in einer amorphen Matrix bildet. Gleichzeitg ist festzustellen, dass auch bei Temperaturen von 1700°C ein großer Anteil des Materials amorph vorliegt.

Die Proben lagen nach der thermischen Behandlung rissfrei vor. Sie zeigten keinerlei Anzeichen von carbothermischer Reduktion, was auf eine signifikante Verbesserung der Hochtemperaturbeständigkeit im Vergleich zu aluminiumfreien SiOC-Materialien hindeutet.

Mit aluminiummodifizierten Polymeren sowie bei der Verwendung von Alumiumnanopulver als Füllstoff lassen sich somit signifikant verbesserte Hochtemperatureigenschaften bei Temperaturen >1600°C erreichen.

Durch Verwendung von Aluminiumnanopulver ist eine signifikante Steigerung des spezifischen elektrischen Widerstandes der SiOC Matrix möglich. Die Reaktion des Aluminium mit dem Sauerstoff aus der SiOC Matrix führt dabei zur Bildung eines stabilen Mullit/SiC-Verbundes.

Die Glasübergangstemperatur von Alumosilikatgläsern liegt nach Literaturangaben bei T > 1500°C und damit mindestens 150°C höher als bei Si02 beziehungsweise Borosilikatgläsern. Gleichzeitig liegt das erreichbare Festigkeitsniveau von einem Mullit/SiC- Verbund wesentlich höher (ungefähr 400 MPa) als das von reinen SiOC-Keramiken (ungefähr 150 MPa).

Bei der Verwendung von Aluminiumadditiven im Verbundmaterial von zum Beispiel Glühstiftkerzen konnten auch nach längeren Auslagerungszeiten (1400°C/50h) keine anderen Oxidationsprodukte (z. B. MoO3, Mo5Si3, Si02) im Bulk des Materials nachgewiesen werden.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbaren Verbesserungen durch Einbau von Aluminium in die Polymermatrix sind : -Bildung von Aluminiumoxid mit dem Sauerstoff aus der SiOC-Matrix und dem elementaren Aluminium als Füllstoff. Aus den zusätzlichen freien Bindungen am Silizium die vorher durch Sauerstoff belegt waren, bildet sich mit dem überschüssigen Kohlenstoff aus der SiOC-Matrix Siliziumcarbid. Dies führt zu einer Erhöhung des spezifischen elektrischen Widerstands des Materials unabhängig von den noch zusätzlich verwendeten Füllstoffen Wesentlich verbesserte Hochtemperaturkriechbeständigkeit durch Bildung eines Mullit/SiC-Komposits mit signifikant erhöhter Glasübergangstemperatur [Werte ?] Keine Bildung von Cristobalit und damit eine verbesserte Dauerhaltbarkeit Insbesondere aufgrund der höheren Glasübergangstemperatur ergibt sich aufgrund der geringen Neigung zur Nachschwindung keine Alterung des spezifischen elektrischen Widerstands des Leitmaterials und damit keine Alterung der Funktionseigenschaften des entstehenden Materials bezüglich Aufheizzeit und Glühtemperatur