DE102005028250A1

DE102005028250A1 - Leiterpaste zum Herstellen einer elektrischen Leiterbahn und Herstellungsverfahren der elektrischen Leiterbahn unter Verwendung der Leiterpaste

Info

Publication number: DE102005028250A1
Application number: DE200510028250
Authority: DE
Inventors: Niels van der Dr. Laag; Steffen Dr. Walter
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2006-12-28
Also published as: WO2006134086A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leiterpaste zum Herstellen einer elektrischen Leiterbahn (11), aufweisend eine Festkörperdispersion mit Pulverpartikeln mindestens eines elektrisch leitfähigen Feststoffs. Die Leiterpaste ist dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperdispersion mindestens ein vernetzbares Siloxan aufweist. Daneben wird ein Verfahren zum Herstellen einer Leiterbahn auf einem Trägerkörper (10) unter Verwendung der Leiterpaste mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Auftragen der Leiterpaste auf einer Oberfläche (101) des Trägerkörpers und b) Erzeugen der Leiterbahn, wobei ein Vernetzen des Siloxans durchgeführt wird. Das vernetzbare Siloxan ist insbesondere Methylpolysiloxan. Der elektrisch leitfähige Feststoff ist bevorzugt Aluminium. Die Leiterbahn wird durch Pyrolyse der Leiterpaste erhalten. Dabei bildet sich aus der Leiterpaste ein Leiterwerkstoff mit einem keramischen Grundgerüst aus Siliziumdioxid, in das Aluminiumpartikel eingebettet sind. Bevorzugt wird die Leiterpaste verwendet, um eine Leiterbahn einer Kontrollvorrichtung zur Detektion einer Degradation eines keramischen Bauteils und insbesondere eines keramischen Hitzeschildes einer Brennkammer einer Gasturbine herzustellen. Die spröde Leiterbahn und das Hitzeschild sind dabei derart aneinander angeordnet, dass eine Degradation (102) des Hitzeschildes zu einer Degradation (112) der Leiterbahn führt. Die Degradation der Leiterbahn führt zu einer Änderung einer elektrischen Eigenschaft der ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterpaste zum Herstellen einer elektrischen Leiterbahn, aufweisend eine Festkörperdispersion mit Pulverpartikeln mindestens eines elektrisch leitfähigen Feststoffs. Daneben wird ein Verfahren zum Herstellen der elektrischen Leiterbahn unter Verwendung der Leiterpaste angegeben.
Eine Paste ist eine Dispersion von flüssiger bis teigartiger Konsistenz. Die Dispersion besteht aus mindestens zwei Phasen (Komponenten). In einer kontinuierlichen Phase (Dispersionsmittel) ist mindestens eine weitere Phase (dispergierte Phase, Dispergens) fein verteilt. Im vorliegenden Fall ist die Dispersion eine Festkörperdispersion mit einem mehr oder weniger flüssigen Dispersionsmittel und einem Dispergens mit Pulverpartikeln eines Feststoffs. Um eine feine Verteilung des Dispergens im Dispersionsmittel zu erreichen, wird ein so genanntes Dispergiermittel (Dispergator) eingesetzt. Das Dispergiermittel erleichtert das Dispergieren der Pulverpartikel im Dispersionsmittel beispielsweise durch Erniedrigung der Grenzflächenspannung zwischen den beiden Komponenten der Festkörperdispersion. Dadurch wird de Benetzbarkeit der Pulverpartikel mit dem Dispersionsmittel erhöht. Der Dispergator fungiert als physikalisches Bindemittel zwischen den beiden Phasen der Festkörperdispersion. Der Dispergator kann auch als chemisches Bindemittel fungieren. Dabei wird das Dispergieren durch Bildung chemischer Bindungen zwischen Bestandteilen der beiden Phasen erreicht. Es ist auch möglich, dass die Dispersion mehrere Dispergatoren bzw. Bindemittel aufweist. Die Dispersion verfügt über ein Dispergator- und/oder Bindemittelsystem.

Aus der DE 102 23 985 A1 ist eine Anordnung aus einem Bauteil und mindestens einer Kontrollvorrichtung zum Erfassen einer Degradation des Bauteils bekannt. Das Bauteil ist beispielsweise ein Hitzeschild einer Brennkammer einer Gasturbine. In der Brennkammer der Gasturbine wird ein fossiler Brennstoff verbrannt. Bei der Verbrennung wird eine Temperatur von bis zu 1500° C erreicht. Dabei treten korrosive Gase auf, die die Brennkammer angreifen können. Zum Schutz vor den hohen Temperaturen und vor einem Angriff korrosiver Gase ist die Brennkammer mit einer Vielzahl von so genannten keramischen Hitzeschildern ausgekleidet.

Ein Hitzeschild ist ein Bauteil aus einem Bauteilmaterial, das eine sehr gute Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Das Bauteilmaterial ist beispielsweise ein keramisches Material in Form von Mullit. Aufgrund einer porösen Struktur mit einer Vielzahl von Mikrorissen zeigt das keramische Material ein sehr gutes Thermoschockverhalten. Eine sehr starke Temperaturschwankung, die beispielsweise beim Unterbrechen des Verbrennungsprozesses in der Brennkammer der Gasturbine auftritt, wird ausgeglichen, ohne dass das Hitzeschild zerstört wird. Allerdings kann es bei einer mechanischen Überlastung des Hitzeschildes zu einer Degradation des Hitzeschildes kommen. Es kann sich ein Riss (Makroriss) im Hitzeschild bilden. Ein derartiger Riss bildet sich dabei insbesondere am Rand des Hitzeschildes. Im Betrieb kann es zu einer Ausbreitung des Risses in Richtung Mitte des Hitzeschildes kommen. Der Riss wirkt sich dabei bis zu einer bestimmten Länge nicht nachteilig auf die Funktionsfähigkeit des Hitzeschildes aus und kann deshalb toleriert werden. Überschreitet der Riss aber eine bestimmte Länge, so ist die Funktionsfähigkeit des Hitzeschildes nicht mehr gewährleistet. Ein Austausch des Hitzeschildes ist erforderlich, um einen durch den Riss verursachten Bruch des Hitzeschildes während des Betriebs der Gasturbine zu vermeiden.

Hier setzt die DE 102 23 985 A1 an. Es wird aufgezeigt, wie die Bildung eines Risses erfasst und eine Länge eines vorhandenen Risses mit Hilfe einer geeigneten Kontrollvorrichtung bestimmt werden kann. Wesentlicher Bestandteil der Kontrollvorrichtung ist eine elektrische Leiterbahn. Die Leiterbahn ist auf der Rückseite des Hitzeschildes aufgetragen, die einem Innenraum der Brennkammer abgekehrt ist. Ein auf der Rückseite des Hitzeschildes auftretender Riss führt zu einem Riss der Leiterbahn. Die Leiterbahn wird durchtrennt. Dadurch ändert sich eine elektrische Eigenschaft der Leiterbahn. Beispielsweise erhöht sich der Gleichstromwiderstand und die Impedanz der Leiterbahn. Die Kontrollvorrichtung ist derart ausgelegt, dass die elektrische Eigenschaft der Leiterbahn abgefragt werden kann. Wird eine Änderung der elektrischen Eigenschaft der Leiterbahn festgestellt, wird auf die Bildung eines Risses bzw. auf das Wachsen eines vorhandenen Risses des Hitzeschildes geschlossen. Das Hitzeschild muss ausgetauscht werden.

Ausgehend von dem beschriebenen Szenario muss der für die Leiterbahn der Kontrollvorrichtung verwendete Leiterwerkstoff (Leiterbahnmaterial) bestimmte Eigenschaften aufweisen. Der Leiterwerkstoff muss elektrisch leitfähig sein. Gleichzeitig muss der Leiterwerkstoff spröde sein, damit eine Degradation des Hitzeschildes auch eine Degradation der Leiterbahn nach sich zieht. Darüber hinaus dürfen sich diese Eigenschaften unter thermischer Belastung nur unwesentlich ändern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Leiterpaste anzugeben, die für das Herstellen einer elektrischen Leiterbahn geeignet ist. Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der resultierenden Leiterbahn sollen dabei in weiten Bereichen einstellbar sein. Insbesondere soll mit Hilfe der Leiterpaste eine elektrische Leiterbahn hergestellt werden können, die in der beschriebenen Kontrollvorrichtung eingesetzt wird.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Leiterpaste zum Herstellen einer elektrischen Leiterbahn angegeben, aufweisend eine Festkörperdispersion mit Pulverpartikeln mindestens eines elektrisch leitfähigen Feststoffs. Die Leiterpaste ist dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperdispersion mindestens ein vernetzbares Siloxan aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen einer Leiterbahn auf einem Trägerkörper unter Verwendung der Leiterpaste mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Auftragen der Leiterpaste auf einer Oberfläche des Trägerkörpers und b) Erzeugen der Leiterbahn, wobei ein Vernetzen des Siloxans durchgeführt wird.

Die Pulverpartikel des elektrisch leitfähigen Feststoffs bilden das Dispergens der Festkörperdispension. Das Siloxan fungiert als Dispersionsmittel und/oder als Dispergator. Insbesondere fungiert das Siloxan als chemisches Bindemittel für die Pulverpartikel des elektrisch leitfähigen Feststoffs. Neben dem Siloxan und den Pulverpartikeln des elektrisch leitfähigen Feststoffs kann die Feststoffdispersion weitere Bestandteile aufweisen, beispielsweise weitere Dispersionsmittel, weitere Dispergatoren bzw. weitere (chemische oder physikalische) Bindemittel. Diese weiteren Bestandteile sind beispielsweise Terpinol oder Ethyl-Cellulose.

Das Siloxan ist eine siliziumorganische Verbindung. Das Siloxan kann als Monomer und/oder als Oligomer vorliegen. Insbesondere ist das Siloxan ein Polysiloxan (Polyorganosiloxan, Silikon). Das Siloxan liegt als Polymer vor. Denkbar ist auch, dass das Siloxan monomer, oligomer und polymer vorliegt.

Das Siloxan weist organische Seitenketten auf, beispielsweise Ethyl- oder Phenylgruppen. Es hat sich herausgestellt, dass ein Siloxan mit Methlygruppen und insbesondere ein Polysiloxan mit Methylgruppen als Seitenketten besonders gut geeignet ist. In einer besonderen Ausgestaltung ist daher das Polysiloxan Methylpolysiloxan. Die Seitenketten dieses Polysiloxan werden von Methylgruppen gebildet.

Das Silikon ist vernetzbar. Dies bedeutet, dass das Siloxan eine (Poly-)Kondensationsreaktion und/oder Polymerisationsreaktion eingehen kann. Dazu weist das Siloxan eine oder mehrere reaktive funktionelle Gruppen auf, die für eine Kondensationsreaktion und/oder Polymerisationsreaktion zur Verfügung stehen. Eine reaktive funktionelle Gruppe ist beispielsweise eine OH-Gruppe. Mit oder ohne einem Vernetzungsmittel, beispielsweise Methyltriethoxysilan (MTES), Phenyltriethoxysilan (PTES) oder Tetraethoxysilan (TEOS), kommt es zur Kondensationsreaktion. Es findet ein Vernetzen des Siloxans statt. Es bildet sich ein polymeres Netzwerk des Siloxans.

Das Vernetzen des Siloxans wird auf bekannte Weise initiiert. Beispielsweise wird ein Vernetzungsmittel zugegeben. Denkbar ist auch eine Temperaturerhöhung. Es wird während des Vernetzens eine Temperaturbehandlung durchgeführt. Beispielsweise wird die Leiterpaste nach dem Auftragen auf den Trägerkörper bei 200° C getrocknet. Durch das Trocknen bei dieser Temperatur findet ein Aushärten bzw. das Vernetzen des Siloxans statt. Im vernetzten Zustand liegen anorganische Bestandteile bestehend aus Silizium-Sauerstoff-Silizium-Ketten (Si-O-Si) und organische Seitenketten (z.B. Methyl-, Ethyl- oder Phenyl-Gruppen) vor.

Die Festkörperdispersion kann nur eine Art Siloxan aufweisen. Dabei bildet sich ein Kondensations- und/oder Polymerisationsprodukt, das lediglich aus dieser einen Art Siloxan aufgebaut ist. Insbesondere ist es auch möglich, dass verschiedene Arten von monomeren, oligomeren und/oder polymeren Siloxanen vorhanden sind. Auch können andere metallorganische oder nicht-metallorganische, kondensierbare und/oder polymerisierbare Bestandteile vorhanden sein. Durch das Vernetzen entstehen Co-Kondensations- und/oder Co-Polymerisationsprodukte.

Durch das Vernetzen des Siloxans kann die elektrische Leiterbahn direkt hergestellt werden. Es bildet sich eine elektrische Leiterbahn mit einem Verbundwerkstoff aus vernetztem Siloxan und den Pulverpartikeln aus dem elektrisch leitfähigen Feststoff. Dazu ist ein Feststoffanteil des elektrisch leitfähigen Feststoffs an der Festkörperdispersion entsprechend gewählt.

Vorzugsweise wird während und/oder nach dem Vernetzen des Siloxans eine Temperaturbehandlung durchgeführt. Durch die Temperaturbehandlung kann, wie oben beschrieben, das Vernetzen des Siloxans beeinflusst werden. Dies betrifft beispielsweise eine Vernetzungsgeschwindigkeit und ein Vernetzungsgrad. Die Temperaturbehandlung kann aber auch zu einer chemischen Reaktion des Siloxans und/oder des vernetzten Siloxans führen. In einer besonderen Ausgestaltung findet während der Temperaturbehandlung ein Keramisieren bzw. Sintern des vernetzten bzw. sich vernetzenden Siloxans statt. Beispielsweise wird in einem ersten Temperaturbehandlungsschritt bei einer niedrigeren Temperatur (z.B. bis 200° C) die Vernetzung des Siloxans durchgeführt. Es entsteht ein fester Vorläufer (Precursor) der Leiterbahn. Bei einem zweiten Temperaturbehandlungsschritt (über 500° C) kommt es zur Keramisierung. Das vernetzte Siloxan wird in einen keramischen Werkstoff überführt. Es findet eine Art Sinterung statt. Aus der Leiterpaste mit der Festkörperdispersion bildet sich mittelbar über den Precursor ein Verbundwerkstoff mit einem keramischen Werkstoff mit Siliziumdioxid und den Pulverpartikeln des elektrisch leitfähigen Feststoffs. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dafür zu sorgen, dass es bei der Überführung des Siloxans in den keramischen Werkstoff zu nahezu keiner chemischen Reaktion kommt, an der die Pulverpartikel des elektrisch leitfähigen Feststoffs beteiligt sind. Eine derartige chemische Reaktion ist beispielsweise eine Reaktion des Feststoffs des Pulverpartikel mit Bestandteilen des vernetzten Siloxans, einer Zwischenstufe des keramische Werkstoffs, des resultierenden keramischen Werkstoffs oder einer Atmosphäre, in deren Gegenwart die Umsetzung durchgeführt wird. Der elektrisch leitfähige Feststoff in Form der Pulverpartikel ist im Wesentlichen chemisch inert. Die elektrische Leitfähigkeit des Feststoffs bleibt während der Überführung des Siloxans in den keramischen Werkstoff erhalten.

Die Überführung in den keramischen Werkstoff kann bei einer Temperatur über 600° C, beispielsweise bei einer Temperatur aus dem Bereich von 600° C bis 1500° C erfolgen. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Temperaturbehandlung bei einer Temperatur von unter 600° C und insbesondere bei einer Temperatur aus dem Bereich von 500° C–600° C durchgeführt. Während der Temperaturbehandlung wird das polymere Netzwerk des Siloxans zersetzt und über thermische Zwischenstufen von amorphen bis hin zu kristallinen Phasen neu strukturiert. Je nach Pyrolyseatmosphäre werden dabei unterschiedliche Zwischenstufen durchlaufen. Beispielsweise wird die Pyrolyse in Gegenwart von Argon (Argonatmosphäre) durchgeführt. Dabei bilden sich Silizium-Sauerstoff-Silizium-Ketten, die über Kohlenstoffatome miteinander verbunden sind (Si-O-Si-C-Si-O-Si-Ketten). In Gegenwart von Luftsauerstoff bilden sich dagegen nur Silizium-Sauerstoff-Silizium(Si-O-Si)-Ketten. Die organischen Bestandteile werden in Gegenwart von Sauerstoff ausgetrieben.

Durch die Pyrolyse bzw. durch das Keramisieren entsteht ein Leiterwerkstoff in Form eines keramischen Verbundwerkstoffs. Der Verbundwerkstoff weist den durch die Pyrolyse des Siloxans erhaltenen keramischen Werkstoff und die Pulverpartikel des elektrisch leitfähigen Feststoffs auf. Durch die Wahl des Siloxans, der Bedingungen, unter denen die Vernetzung und die Keramisierung durchgeführt werden, die Art des elektrisch leitfähigen Feststoffs und Anteile der beteiligten Stoffe an der Leiterpaste können die Eigenschaften des Leiterwerkstoffs der resultierenden Verbindungsleitung in einem weiten Bereich eingestellt werden.

Beispielsweise ist der elektrisch leitfähige Feststoff ein keramischer Werkstoff. Dadurch wird ein spröder Leiterwerkstoff erhalten. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Feststoff mindestens ein Metall auf. Bei der Pyrolyse entsteht ein so genanntes Cermet (Metallkeramik). Der resultierende Teilchenverbund besteht aus mindestens zwei Phasen. Eine der Phasen ist metallisch, die andere ist keramisch.

Eine Leiterpaste mit einem Metall als elektrisch leitfähigem Feststoff ist der bevorzugte Ausgangspunkt, um die Eigenschaften des Leiterwerkstoffs an entsprechende Anforderungen an die elektrische Leiterbahn anzupassen. So kann beispielsweise durch Erhöhung eines Anteils an Siloxan und des daraus resultierenden höheren Anteils an Siliziumdioxid eine Sprödigkeit des Leiterwerkstoffs erhöht werden. Durch Erhöhung des Anteils des Metallpulvers kann dagegen die elektrische Leitfähigkeit des Leiterwerkstoffs erhöht werden. Gleichzeitig wird mit dem erhöhten Anteil an Metallpulver die Sprödigkeit des Leiterwerkstoffs erniedrigt.

Als elektrisch leitfähiger Feststoff ist ein beliebiges Metall denkbar, beispielsweise Chrom, Eisen, Kupfer, Nickel oder Silber. Legierungen sind genauso möglich wie Mischungen von Pulverpartikeln unterschiedlicher Metalle. Die Auswahl des Metalls richtet sich nach verschiedenen Gesichtspunkten. Neben der elektrischen Leitfähigkeit spielt die chemische Reaktivität des Metalls eine Rolle. So wird beispielsweise Kupfer dann verwendet, wenn unter Argonatmosphäre pyrolisiert wird, also in Abwesenheit von Sauerstoff. In Gegenwart von Sauerstoff käme es zur Oxidation des Kupfers. Ebenso wird auf den Schmelzpunkt des Metalls geachtet. Es wird ein Metall gewählt, dessen Schmelzpunkt über der Pyrolysetemperatur der Leiterpaste liegt. Das Metall bleibt in der keramisierenden Masse homogen verteilt. Es fließt während des Pyrolyseprozesses nicht aus der keramisierenden Masse. Ebenso kommt es nicht aufgrund des Fließens zu Inhomogenitäten (örtlich unterschiedliche Anteile an Metall und keramischem Werkstoff) in der resultierenden Leiterbahn.

In einer besonderen Ausgestaltung wird als Metall Silber verwendet. Es zeichnet sich durch eine relativ hohe Oxidationsbeständigkeit aus. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist das Metall Aluminium. Die Pulverpartikel bestehen aus reinem Aluminium oder aus einer Aluminium-Legierung. Reines Aluminium zeichnet sich durch eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit aus. Durch Ausbilden einer Passivierungsschicht ist reines Aluminium auch in Gegenwart von Sauerstoff relativ reaktionsträge. Insbesondere die Kombination von Pulverpartikeln aus Aluminium und von vernetzbarem Methylpolysiloxan hat sich als vorteilhaft erwiesen. Methylpolysiloxan wirkt als effizientes Bindemittel für Pulverpartikel aus Aluminium. Zudem kann die Pyrolyse des Methylpolysiloxans unter 600° C durchgeführt werden. Im Vergleich dazu liegt der Schmelzpunkt des Aluminiums bei etwa 660° C.

Die Pulverpartikel der Leiterpaste weisen gemäß einer besonderen Ausgestaltung einen aus dem Bereich von einschließlich 1,0 μm bis einschließlich 50,0 μm und insbesondere einen aus dem Bereich von einschließlich 10,0 μm bis einschließlich 30 μm ausgewählten mittleren Partikeldurchmesser d₅₀ auf. Derartige Partikeldurchmesser führen zu einer homogenen und gut verarbeitbaren Leiterpaste. Gleichzeitig ist mit diesen Partikeldurchmessern die elektrische Leitfähigkeit des resultierenden Leiterwerkstoffs sehr gut einstellbar. Größere oder kleinere Partikeldurchmesser sind aber auch denkbar.

Die Leiterpaste kann zum Herstellen einer beliebigen elektrischen Leiterbahn auf einem beliebigen Trägerkörper (Bauteil) verwendet werden. Insbesondere wird mit Hilfe der Leiterpaste eine Leiterbahn einer Kontrollvorrichtung zum Erfassen einer Degradation des Trägerkörpers hergestellt. In einer besonderen Ausgestaltung wird als Trägerkörper bzw. Bauteil das Hitzeschild einer Brennkammer einer Gasturbine verwendet. Durch Variation der Bestandteile der Paste und der Umsetzungs- bzw. Pyrolysebedingungen können die Eigenschaften des Leiterwerkstoffs an die Eigenschaften des Bauteilwerkstoffs angepasst werden. Diese Eigenschaften sind beispielsweise ein Temperaturausdehnungskoeffizient oder eine Sprödigkeit bzw. Bruchzähigkeit. Gleichzeitig wird mit den Pulverpartikeln aus dem elektrisch leitfähigem Feststoff die notwendige elektrische Leitfähigkeit des Leiterwerkstoffs erzielt.

Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:

– Mit der Leiterpaste kann eine elektrische Leiterbahn aus einem Leiterwerkstoff mit unterschiedlichsten Eigenschaften hergestellt werden.
– Die Zusammensetzung der Leiterpaste kann auf den Trägerkörper hin abgestimmt werden. Dies betrifft neben physikalischen Eigenschaften auch eine chemische Verträglichkeit (Nichtreaktivität) zwischen der Leiterpaste und dem Trägermaterial des Trägerkörpers.
– Insbesondere bei einer Temperaturbehandlung (Sintertemperatur) von unter 600° C erfährt der Trägerkörper, auf dem die Leiterpaste aufgebracht ist, eine relativ geringe thermische Belastung während der Überführung der Leiterpaste in die Leiterbahn.
– Darüber hinaus kann eine Viskosität der Paste für die gewünschte Verarbeitung angepasst werden.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figur wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figur ist schematisch und stellt keine maßstabsgetreue Abbildung dar.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird eine Leiterpaste zum Herstellen einer elektrischen Leiterbahn 11 aus einem spröden Leiterwerkstoff bereitgestellt. Die Leiterpaste weist eine Festkörperdispersion auf. Die Festkörperdispersion enthält als wesentliche Komponenten ein vernetzbares Methylpolysiloxan und Pulverpartikel aus Aluminium. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser d₅₀ der Pulverpartikel aus Aluminium beträgt etwa 30 μm. Neben diesen beiden Komponenten sind weitere Bestandteile vorhanden, die als Dispergatoren und/oder Bindemittel fungieren. Diese Bestandteile sind Terpinol und Ethyl-Cellulose.
10 g der Leiterpaste werden wie folgt hergestellt: In einem (trockenen) Becherglas werden 6,77 g Aluminiumpulver, 3,33 g Methylpolysiloxan (Silikon-Festharz) gemischt. Zu der entstandenen Mischung wird unter Rühren Terpinol tropfenweise zugegeben. Terpinol fungiert als Dispergator. Es wird eine homogene Mischung erhalten. Danach wird eine Mischung aus Terpinol und Ethylcellulose beigemengt. Mit Hilfe der dieser Mischung wird eine für die spätere Verarbeitung der Leiterpaste gewünschte Viskosität eingestellt.
Die Leiterpaste wird dazu verwendet, eine elektrische Leiterbahn 11 auf einem Trägerkörper 10 herzustellen. Der Trägerkörper 10 ist ein Bauteil in Form eines keramischen Hitzeschildes einer Brennkammer einer Gasturbine.
Zum Herstellen der Leiterbahn 11 wird auf einer Oberfläche 111 der Rückseite des Hitzeschildes die Leiterpaste strukturiert in Form der herzustellenden Leiterbahn 11 aufgetragen. Das strukturierte Auftragen erfolgt in einem Spritzgussverfahren. Alternativ erfolgt das strukturierte Auftragen unter Zuhilfenahme einer Maske.
Nach dem Auftragen wird ein erster Temperaturbehandlungsschritt bei etwa 200° C durchgeführt. Dabei kommt es zur Vernetzung bzw. Kondensation des Methylpolysiloxans. Der erste Temperaturbehandlungsschritt dauert etwa 90 min.
Nach der Vernetzung des Methylpolysiloxans wird ein zweiter Temperaturbehandlungsschritt bei 600° C durchgeführt. Der zweite Temperaturbehandlungsschritt wird in Gegenwart von Sauerstoff durchgeführt und dauert etwa 30 min. Dabei kommt es zur Pyrolyse der Leiterpaste. Es findet eine Art Sinterung statt. Dabei bildet sich die Leiterbahn mit dem spröden Leiterwerkstoff. Der Leiterwerkstoff ist ein Teilchenverbund, bei dem pulverförmiges Aluminium in ein keramisches Netzwerk aus Siliziumdioxid eingebettet ist. Bei diesem zweiten Temperaturbehandlungsschritt entsteht durch das Sintern ein fester und inniger Kontakt zwischen der Leiterbahn 11 und dem Hitzeschild 10.
Die auf der Rückseite des Hitzeschildes 10 hergestellte, spröde Leiterbahn 11 wird als Bestandteil einer Kontrollvorrichtung zum Erfassen eines Risses 102 des Hitzeschildes 10 verwendet. Ein sich im Hitzeschild 10 ausbreitender Riss 102 führt aufgrund der Sprödigkeit der Leiterbahn 11 und aufgrund des festen Kontakts zwischen dem Bauteil 10 und der Leiterbahn 11 zu einem Riss 112 in der Leiterbahn 11. Aufgrund des Risses 112 in der Leiterbahn 11 ändert sich eine elektrische Eigenschaft der Leiterbahn 11. Die Änderung der elektrischen Eigenschaft der Leiterbahn wird mit Hilfe der Kontrollvorrichtung erfasst.
In Varianten des Ausführungsbeispiels wird anstelle des Aluminiums Silber und eine Silber-Palladiumlegierung verwendet.

Claims

Leiterpaste zum Herstellen einer elektrischen Leiterbahn (11), aufweisend eine Festkörperdispersion mit Pulverpartikeln mindestens eines elektrisch leitfähigen Feststoffs, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperdispersion mindestens ein vernetzbares Siloxan aufweist.
Leiterpaste nach Anspruch 1, wobei das vernetzbare Siloxan ein Polysiloxan ist.
Leiterpaste nach Anspruch 2, wobei das Polysiloxan Methylpolysiloxan ist.
Leiterpaste nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der elektrisch leitende Feststoff mindestens ein Metall aufweist.
Leiterpaste nach Anspruch 4, wobei das Metall Aluminium oder Silber ist.
Leiterpaste nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Pulverpartikel einen aus dem Bereich von einschließlich 1,0 μm bis einschließlich 50,0 μm ausgewählten mittleren Partikeldurchmesser d₅₀ aufweisen.
Leiterpaste nach Anspruch 6, wobei der mittlere Partikeldurchmesser aus dem Bereich von einschließlich 10 μm bis einschließlich 30 μm ausgewählt ist.
Verfahren zum Herstellen einer Leiterbahn auf einem Trägerkörper unter Verwendung der Leiterpaste nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Auftragen der Leiterpaste auf einer Oberfläche (101) des Trägerkörpers (10) und b) Erzeugen der Leiterbahn (11), wobei ein Vernetzen des Siloxans durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei während und/oder nach dem Vernetzen eine Temperaturbehandlung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei während der Temperaturbehandlung ein Keramisieren des vernetzen Siloxans stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Temperaturbehandlung bei einer Temperatur von unter 600° C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei eine Leiterbahn (11) einer Kontrollvorrichtung zum Erfassen einer Degradation (102) des Trägerkörpers (10) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei als Trägerkörper ein Hitzeschild einer Brennkammer einer Gasturbine verwendet wird.