Ein derartiges Verfahren ist durch die DE 198 57 591 AI be- kannt geworden.

Mehrlagige poröse Keramikverbunde können beispielsweise in der Filtertechnik und in der Elektronik zum Aufbau von Leiterbahn- strukturen zum Einsatz kommen. Keramische Mehrschichtfilter werden beispielsweise zur Trennung von Öl-Wasser-Emulsionen bei der spanabhebenden Fertigung, zur Klärung von Bier, zur Gasreinigung, zur Gastrennung oder zur Trennung von Flüssig- Feststoff-Gemischen eingesetzt. Keramische Filtermaterialien sind üblicherweise aus miteinander versinterten Partikeln auf- gebaut, deren Zwischenräume die Poren bilden. Für Filtrations- zwecke ist es erforderlich, einen möglichst hohen Anteil an Porenvolumen und eine möglichst gleichmäßig und eng verteilte Porengrößenverteilung zu erhalten. Daher werden zur Herstel- lung keramischer Filtermaterialien vorzugsweise keramische Pulver mit eng verteilter Korngrößenverteilung verwendet.

Üblicherweise bestehen keramische Membranen aus einem Mehr- schichtensystem aus poröser Keramik, dessen einzelne Schichten unterschiedliche Porenweiten aufweisen. Die eigentlich filt- rierende Schicht (Funktionsschicht) ist in der Regel die dünnste und feinporöseste des Systems. Diese befindet sich auf einem Substrat des Systems, das eine grobporösere Struktur aufweist. Das Substrat übernimmt gleichzeitig die mechanische Trägerfunktion des Gesamtsystems und bildet häufig auch Filt- ratsammelstrukturen aus. Eine Schicht, die Keramikteilchen enthält, aber noch nicht gesintert ist, nennt man grüne Schicht, einen Körper aus diesem Material entsprechend Grün- körper.

Beim Sintern eines Grünkörpers wird dieser verdichtet, wobei die Porenform und/oder Porengröße verändert wird. Idealisiert kann man den Ausgangskörper beim Sintern als eine dichte Pa- ckung kugelförmiger Teilchen sehen, die an Kontaktstellen ge- ringfügig verbunden-sind, d. h. sich unter Adhäsion in soge- nannten"Hälsen"berühren. Die Zwischenräume zwischen den Teilchen bilden die Poren des Ausgangskörpers. Die ursprüngli- chen Poren sind komplizierte Gebilde unterschiedlichster Geo- metrien. Der Sintervorgang läuft bei erhöhter Temperatur in zwei Stufen ab. In der ersten Stufe bleibt die Gesamtporosität im Wesentlichen erhalten. Die Mittelpunkte der Teilchen blei- ben etwa gleich weit voneinander entfernt. Trotzdem wird ein Gewinn an Oberflächenenergie erzielt, da die Form der Hohlräu- me, d. h. der Poren, von den komplizierten Gebilden des An- fangszustandes in die einfache Kugelform übergeht. Somit wird für eine gegebene Porosität die geringste Oberfläche erreicht.

Die Teilchen berühren sich in den"Hälsen", die im ersten Sta- dium des Sinterns aufgrund von Stofftransport dicker werden.

Dabei runden sich die Poren ab, wodurch die geringste Poren- oberfläche erzielt wird. Man nennt diesen Stofftransport auch Korngrenzendiffusion. In der zweiten Stufe werden die Poren dann allmählich geschlossen. Das Material verdichtet sich, in- dem Leerstellen zur inneren und äußeren Oberfläche abtranspor- tiert werden (Volumendiffusion). Aufgrund der Verdichtung des Sinterkörpers erfolgt eine Verringerung der Gesamtporosität.

Das Auffüllen der Poren geschieht über Korngrenzendiffusion und Volumendiffusion. In diesem Schritt rücken die Mittelpunk- te der ursprünglichen Pulverteilchen zusammen. Dies bewirkt eine Verdichtung oder Schrumpfung des Sinterkörpers.

Das Ausmaß einer stattfindenden Korngrenzendiffusion lässt sich über den in den Poren entstehenden Kapillardruck erfas- sen. Die Formänderung der Poren erfolgt über einen Stofftrans- port, der durch unterschiedliche Krümmungsradien initiiert wird. Insbesondere erfolgt ein Stofftransport von den"Bäu- chen"der Teilchen zu den"Hälsen"der Teilchen. An einer nach innen gewölbten Oberfläche (konkav) sind die Atome im Mittel fester eingebunden als an einer nach außen gewölbten Oberflä- che (konvex). An den"Bäuchen"des Ausgangskörpers herrscht ein positiver, an den"Hälsen"ein negativer Kapillardruck.

Diese Druckdifferenz ist die Triebkraft des Stofftransports.

Der Kapillardruck, der das Sintern des keramischen Grünkörpers einleitet, ist neben der Temperatur und der Teilchenart auch von der Größe der verwendeten Teilchen abhängig, da der konve- xe Krümmungsradius mit abnehmender Teilchengröße zunimmt. So- mit sinkt die Temperatur, bei der das Sintern eines kerami- schen Grünkörpers beginnt (eine gleiche Packungsdichte im Grünkörper vorausgesetzt) mit abnehmender Teilchengröße der Ausgangsteilchen.

Werden mehrere grüne Schichten mit unterschiedlichen Keramik- teilchen gemeinsam gesintert, so kommt es aufgrund der unter- schiedlichen Materialbeschaffenheit in den grünen Schichten zu unterschiedlichem Schwindungsverhalten, d. h. die Schichten werden unterschiedlich stark verdichtet. Dies führt zu Span- nungen zwischen den Schichten. Dabei kommt es zu unerwünschter Defektbildung und zu Rissen in der Funktionsschicht.

Aus der DE 198 57 591 AI ist es bekannt, einen keramischen Mehrschichtfilter mit einer Trägerschicht und einer Funktions- schicht in einem Sintervorgang bei Temperaturen zwischen 700°C und 1200°C herzustellen. Um die unterschiedliche Schwindung der unterschiedlichen Schichten zu kompensieren, schlägt der zi- tierte Stand der Technik vor, die keramischen Teilchen mit ei- nem Material zu benetzen, so dass die Teilchen während der Sinterung durch eine zusätzliche Flüssigphase umhüllt sind.

Die dadurch erreichbaren Funktionsschichten sind jedoch rela- tiv dick, so dass sie zahlreiche Defektstellen aufweisen, wo- durch die Filtrationseigenschaften beeinträchtigt werden.

Aufgabe der Erfindung Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfah- ren zur Herstellung eines Keramikverbunds mit einer defekt- freien Funktionsschicht bereitzustellen, bei dem eine Träger- schicht und die Funktionsschicht gemeinsam gesintert werden.

Gegenstand der Erfindung Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Keramikteilchen der zweiten Schicht ausschließlich nanoskalige Teilchen mit einer Teilchengröße von x < 100nm sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine dünne defekt- freie zweite Schicht, die eine Funktionsschicht darstellt, durch gleichzeitiges Sintern mit einer Trägerschicht, die ein Substrat darstellt, erzeugt werden. Während bei normalen Sin- terprozessen die Verdichtung des Grünkörpers über Korngrenzen- diffusion und/oder Volumendiffusion erfolgt, kann durch die erfindungsgemäße Wahl einer Teilchengröße von x < 100 nm der Verdichtungsprozess derart beeinflusst werden, dass ein Korn- grenzengleiten, welches bisher bei keramischen Körpern nicht beobachtet wurde, ausgelöst wird. Durch das Korngrenzengleiten können Spannungen zwischen der Trägerschicht und der Funkti- onsschicht vermieden werden, die insbesondere auftreten, wenn in dem Substrat und der Funktionsschicht Keramikteilchen un- terschiedlicher stofflicher Beschaffenheit oder Größe verwen- det werden. Dadurch erfolgt bis zu einer gewissen Dicke der Funktionsschicht eine Verdichtung ohne Defektausbildung. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, eine defekt- freie Funktionsschicht herzustellen, die aus stofflich glei- chen oder unterschiedlichen Keramikteilchen aufgebaut ist wie das Substrat, und die sich während oder nach dem Sintern nicht vom Substrat ablöst. Eine derartige Funktionsschicht eignet sich zur Erzielung besonders guter Filtrationsergebnisse. Im Vergleich zur Herstellung von Keramikverbunden, bei denen eine grüne Schicht auf einen bereits gesinterten Körper aufgebracht wird, können bei gleichen Materialien um bis zu 150°C geringe- re Sintertemperaturen zur Erzeugung dickerer defektfreier Schichten verwendet werden. Vorteilhafterweise werden beim er- findungsgemäßen Verfahren keine Sinterinhibitoren benötigt.

Außerdem werden den nanoskaligen Teilchen keine größeren Kera- mikteilchen beigemischt.

Die nanoskaligen Teilchen können verschiedene Gestalten auf- weisen, zum Beispiel können sie sphärisch, plättchenförmig o- der faserförmig ausgebildet sein. Die Teilchengröße bezieht sich jeweils auf die längste Abmessung dieser Teilchen, die zum Beispiel im Falle von kugelförmigen Teilchen dem Durchmes- ser entspricht.

Die eingesetzten keramischen Werkstoffe sind vorzugsweise von Metall (misch) oxiden und Carbiden, Nitriden, Boriden, Siliciden und Carbonitriden von Metallen und Nichtmetallen abgeleitet.

Beispiele hierfür sind Al203 ! teil-und vollstabilisiertes ZrO Mullit, Cordierit, Perowskite, Spinelle, zum Beispiel BaTiO3, PZT, PLZT, sowie SiC, Si3N4, B4C, BN, MoSi2, Tir,., TiN, TiC und Ti (C, N). Es versteht sich, dass diese Aufzählung nicht voll- ständig ist. Selbstverständlich können auch Mischungen von O- xiden bzw. Nichtoxiden und Mischungen aus Oxiden und Nichtoxi- den eingesetzt werden.

Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Keramikverbund aus drei Schichten aufgebaut, wobei mindestens eine der Schichten nanoskalige Teilchen enthält. Durch mehrere Schich- ten unterschiedlicher Porosität kann die Filtereigenschaft des porösen Keramikverbundes gezielt beeinflusst werden. Besonders gute Filtrationsergebnisse lassen sich erreichen, wenn eine der Schichten defektfrei ausgebildet ist.

Wenn der Keramikverbund aus mehr als drei Schichten aufgebaut wird, wobei mindestens zwei Schichten nanoskalige Teilchen aufweisen, kann ein mehrlagiger poröser Keramikverbund aufge- baut werden, der gute Filtrationseigenschaften aufweist.

Wenn die nanoskaligen Teilchen eine Teilchengröße von x < 50 nm, vorzugsweise von x < 20 nm, besonders bevorzugt von x S 10 nm, aufweisen, kann ein Korngrenzengleiten bei einer niedrigen Aktivierungsenergie ausgelöst werden. Dies ermög- licht den Einsatz niedriger Sintertemperaturen bei Sinterspan- nungen von etwa 200MPa.

Eine vorteilhafte Verfahrensvariante besteht darin, dass die nanoskaligen Teilchen durch Sprühen, Tauchen, Fluten oder Fo- liengießen auf das Substrat aufgebracht werden. Sind die na- noskaligen Teilchen in einer Suspension enthalten, so können sie durch die genannten Verfahrensschritte besonders einfach auf das Substrat aufgebracht werden. Insbesondere kann durch diese Maßnahmen die Schichtdicke der grünen Schicht, die auf das Substrat aufgebracht wird, und damit der gesinterten Funk- tionsschicht besonders gut kontrolliert und eingestellt wer- den.

Vorteilhafterweise kann eine Zwischenschicht, insbesondere ei- ne organische Zwischenschicht auf die Trägerschicht aufge- bracht werden, bevor die nanoskaligen Teilchen aufgebracht werden. Durch einen organischen Binder können Unebenheiten der Oberfläche der Trägerschicht ausgeglichen und Poren in der Trägerschicht verschlossen werden, um Infiltrationen zu ver- meiden. Insbesondere kann durch einen organischen Binder das Substrat zu einer geeigneten Trägerstruktur aufbereitet wer- den. Die organische Zwischenschicht verflüchtigt sich während des Sintervorgangs, so dass die Filterwirkung des fertig ge- . ten Keramikverbunds durch den organischen Binder nicht beein- flusst wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn vor dem Sintern die Träger- schicht strukturiert wird. Durch die Strukturen können, insbe- sondere durch Laminieren mit anderen gleichartigen Keramikver- bunden, Kavitäten und Kanäle zum Abführen von Filtrat ausge- bildet werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Strukturen einenends in der Trägerschicht enden. Dadurch kann durch das Zusammenfügen von gleichartigen Keramikverbunden ein an einer Seite geschlossener Kanal gebildet werden. Die Trägerschichten können sich gegenseitig abstützen. Wenn die Strukturen rinnen- artig ausgebildet sind, insbesondere wenn sie im Querschnitt halbkreisförmig sind, können im Querschnitt im Wesentlichen kreisrunde Kanäle gebildet werden, wenn zwei Keramikverbunde mit korrespondierenden Rinnen laminiert werden.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt die Strukturierung durch Prägen, Stanzen oder Fräsen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die grüne Trägerschicht gefräst wird. Im Gegensatz zum Prägen, wo Material verdrängt wird, wird beim Fräsen Mate- rial entfernt. Bereiche der grünen Schicht werden nicht schon vor dem Sintern verdichtet, so dass eine homogene grüne Schicht erhalten bleibt, die sich beim Sintern gleichmäßig verdichten kann. Dadurch können Inhomogenitäten, die beim Fil- tern stören, vermieden werden.

Eine Filtereinrichtung kann einfach dadurch hergestellt wer- den, dass mehrere Keramikverbundstapel vor dem Sintern unter Ausbildung von Hohlräumen, insbesondere Kanälen, zu einem Ke- ramikverbund zusammengefügt, insbesondere laminiert werden.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein mehrlagiger poröser Ke- ramikverbund, der ein Substrat und eine aus ausschließlich na- noskaligen Teilchen gesinterte defektfreie Funktionsschicht - aufweist. Ein derartiger poröser Keramikverbund umfasst eine besonders hochwertige Filterschicht, da sie defektfrei ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Keramikverbund drei Schichten auf, wobei eine Schicht die nanoskaligen Teil- chen enthält. Die Materialeigenschaften der Schichten können so aufeinander abgestimmt werden, dass zumindest eine Filter- schicht defektfrei ausgebildet ist und ein hochwertiger Filter entsteht.

Bei einer alternativen Ausführungsform weist der Keramikver- bund mehr als drei Schichten auf, wobei mindestens zwei Schichten nanoskalige Teilchen aufweisen. Durch diese Maßnahme kann innerhalb des Keramikverbundes schrittweise die Filter- wirkung erhöht werden, wobei mindestens zwei Schichten vorge- sehen sind, die besonders feinporig und defektfrei ausgebildet sind. Außerdem können mehrlagige Leiterbahnstrukturen aufge- baut werden, bei denen die defektfreien, aus nanoskaligen Teilchen aufgebauten Schichten einen Isolator darstellen. Da- durch können Leiterbahnen in geringem Abstand zueinander e- lektrisch isoliert angeordnet werden.

Wenn der Keramikverbund Hohlräume, insbesondere Kanäle, in der Trägerschicht aufweist, kann Filtrat besonders gut abgeleitet werden.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Keramikverbunds wird auf eine grüne Trägerschicht eine grüne zweite Schicht aufge- bracht, deren Keramikteilchen eine Größe von x < 100 nm haben.

Beim gemeinsamen Sintern der grünen Schichten verdichtet sich die zweite Schicht zu einer defektfreien feinporigen Funkti- onsschicht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für , sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Va- riante der Erfindung verwirklicht sein.