DE102005031955A1

DE102005031955A1 - Verfahren zur Herstellung zwei- und dreidimensionaler Formkörper

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Publication number: DE102005031955A1
Application number: DE200510031955
Authority: DE
Original assignee: Universitaet des Saarlandes
Current assignee: Universitaet des Saarlandes
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-07-09
Also published as: DE102005031955B4

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung oxidischer oder keramischer Grünkörper zur Manipulation der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im Bereich einer Wellenlänge von 1 Nanometer bis 1 Meter, aus welchen zweidimensionale Formkörper oder dreidimensionale Formkörper mittels Sinterung herstellbar sind, wobei der den Grünkörpern zu Grunde liegende Abscheidekörper durch elektrophoretische Abscheidung oxidischer oder keramischer Partikel aus einer Suspension gebildet wird, wobei eine der Elektroden in der Suspension angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel auf einer oder in der Suspension angeordneten zweidimensional oder dreidimensional strukturierten porösen Form abgeschieden werden, welche die Negativform des jeweiligen Abscheidekörpers hat und darüber hinaus einen mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit gefüllten Raum aufweist, in dem die andere Elektrode für die elektrophoretische Abscheidung angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zur Herstellung oxidischer oder keramischer Grünkörper zur Manipulation der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, aus welchen zweidimensionale Formkörper oder dreidimensionale Formkörpern mittels Sintern hergestellt, wobei die den Grünkörpern zu Grunde liegenden Abscheidekörper durch elektrophoretische Abscheidung von oxidischen oder keramischen Partikeln aus einer Suspension gebildet werden, wobei eine der Elektroden für die elektrophoretische Abscheidung in der Suspension angeordnet ist.

Vorrichtungen zur Manipulation der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen haben sich in jüngster Vergangenheit unter anderem als Alternative zu elektrischen Schaltkreisen etabliert, da sie Signale mit Lichtgeschwindigkeit übertragen. Der Vorteil ist eine wesentlich schnellere Übermittlung der Signale im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen. Der Vorteil von oxidischen und keramischen Partikeln liegt im notwendig hohen Brechungsindex, der für solche Vorrichtungen gefordert wird.

Insbesondere hat sich Titandioxid als Material zur Herstellung von Vorrichtungen zur Manipulation der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, insbesondere Photonischer Strukturen, sehr gut bewährt und hat den Vorteil, dass neben der sehr guten Festigkeit der Grünkörper und Formkörper auch eine sehr gute Transparenz für einen weiten Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums gegeben ist. Siliziumdioxid hat sich als Lichtleitfaser für die optische Datenübermittlung sehr gut bewährt und hat den Vorteil, dass eine sehr gute Verfügbarkeit gewährleistet ist. Nachteilig bei beiden Materialien wirken sich jedoch die hohe Schmelztemperatur und die hohe Oberflächenspannung der Schmelze aus. Es ist daher wünschenswert, oxidische oder keramische Vorrichtungen zur Manipulation der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen mittels eines elektrophoretischen Verfahrens nasschemisch endkonturnah herzustellen.

Unabhängig von der Verwendung der Vorrichtung muss jedes Herstellungsverfahren mehrere grundlegende Anforderungen erfüllen. Wichtig ist vor allem die hohe Genauigkeit der Struktur. Es müssen sehr enge Toleranzen eingehalten werden. Des Weiteren soll die Herstellung der Formkörper kostengünstig und die Herstellungsverfahren schnell und möglichst einfach durchzuführen sein. Des Weiteren ist eine gute Reproduzierbarkeit des Verfahrens wichtig, auch um eine geringe Ausfallquote zu gewährleisten.

Aus der EP 0 200 242 A2 und EP 0 196 717 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Glaskörpers bekannt, bei dem aus einer wässrigen Suspension mit hochdispersem Feststoffanteil ein poröser Grünkörper geformt und dieser anschließend gereinigt und gesintert wird, wobei der Grünkörper durch Trennung der Phasen der Suspension mittels Elektrophorese hergestellt wird.

Es lassen sich jedoch weder in EP 0200 242 A2 noch in EP 0 196 717 A1 Hinweise darauf entnehmen, dass mittels des dort beschriebenen Verfahrens auch Titandioxid oder Siliziumdioxid oder keramische oder oxidische Partikel allgemein abgeschieden werden kann. Darüber hinaus liegen auch keine Hinweise darüber vor, dass eine Vorrichtung zur Manipulation elektromagnetischer Wellen mit beschriebenem Verfahren hergestellt werden kann.

Aus DE 103 19 300 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus Kieselglas bekannt. Es lassen sich jedoch in DE 103 19 300 A1 keine Hinweise darauf finden, dass die Membran, an der die Abscheidung stattfindet, zweidimensionale Strukturen oder dreidimensionale Strukturen aufweist. Darüber hinaus lassen sich keine Hinweise darauf finden, dass mit diesem Verfahren Titandioxid abgeschieden werden kann.

Aus DE 102 04 318 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Photonischen Kristalls bekannt. Dabei wird die Herstellung des selbigen aus Titandioxid beschrieben. Es lassen sich jedoch keine Hinweise darauf finden, dass es sich dabei um ein Verfahren basierend auf elektrophoretischer Abscheidung handelt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist die lange Herstellungsdauer des Templates, welche mit 2 Wochen angegeben wird. Darüber hinaus sind nach dem Erhalt des Templates 4 weitere Arbeitsschritte notwendig bis der gesamte Herstellungsprozess abgeschlossen ist.

Aus „Electrophoretic Deposition of Latex-Based 3D Colloidal Photonic Crystals: A Technique for Rapid Production of High-Quality Opals" (Chemistry of Materials 12, 2000, p. 2721–2726, Autoren: A.L. Rogach, N.A. Kotov et al.) ist ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Photonischen Kristalls aus Polystyrol beziehungsweise Cadmiumtellurit (CdTe) mittels elektrophoretischer Abscheidung bekannt. Es lassen sich jedoch keine Hinweise finden, dass dieses Verfahren mit Titandioxid oder Siliziumdioxid oder keramischen oder oxidischen Partikeln allgemein durchgeführt werden kann. Darüber hinaus lassen sich keine Hinweise darauf finden, dass die Partikel an einer porösen Form abgeschieden werden. Des Weiteren lassen sich keine Hinweise darauf finden, dass das Verfahren mit Wasser als Dispergiermedium durchgeführt werden kann.

Aufgabenstellung;

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein eingangs genanntes Verfahren derart auszubilden, dass es zur Herstellung aus oxidischen oder keramischen Partikeln bestehenden Grünkörpern geeignet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung oxidischen oder keramischer Grünkörper zur Manipulation elektromagnetischer Wellen, aus welchen Formkörper mittels Sinterung herstellbar sind, wobei der den Grünkörpern zu Grunde liegende Abscheidekörper durch elektrophoretische Abscheidung von oxidischen oder keramischen Partikeln aus einer Suspension gebildet werden, wobei eine der Elektroden in der Suspension angeordnet ist, so dass die Partikel auf einer in der Suspension angeordneten zweidimensional strukturierten oder in einer in der Suspension angeordneten dreidimensional strukturierten porösen Form abgeschieden werden, welche die Negativform des jeweiligen Abscheidekörpers hat und darüber hinaus einen mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit gefüllten Raum aufweist, in dem die andere Elektrode für die elektrophoretische Abscheidung angeordnet ist.

Dadurch, dass die oxidischen oder keramischen Partikel auf einer in der Suspension angeordneten zweidimensional strukturierten porösen Form oder in einer in der Suspension angeordneten dreidimensional strukturierten porösen Form abgeschieden werden, welche die Negativform des Abscheidekörpers hat, wird auf einfache Weise durch elektrophoretische Abscheidung ein Abscheidekörper gebildet, dessen Geometrie der inversen Geometrie des Formkörpers entspricht, gegebenenfalls bis auf nicht nennenswerte Abweichungen. Dies ist äußerst vorteilhaft, da, wie eingangs berichtet wurde, eine sehr hohe Genauigkeit notwendig ist.

Durch die Anordnung der anderen Elektrode für die elektrophoretische Abscheidung in dem mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit gefülltem Raum, wird eine sehr gute Abscheidung von oxidischen oder keramischen Partikeln auf der zweidimensional strukturierten oder in der dreidimensional strukturierten porösen Form erreicht. Dadurch, dass die Form ionendurchlässig ist, können bei der elektrolytischen Zersetzung des Dispergiermediums Wasser entstehende Ionen sowie alle weiteren im System vorhandenen freien Ionen die Form durchdringen, wodurch sie zur anderen Elektrode gelangen. Die durch die Rekombination entstehenden Gase befinden sich damit an der anderen Elektrode und nicht an der Form. Hierdurch kann eine wässrige Suspension verwendet werden, denn die Gasblasen werden nicht in den Abscheidekörper eingebaut, so dass keine Fehlstellen in dem Abscheidebeziehungsweise Grünkörper entstehen. Dies ist insbesondere bei der Herstellung von Vorrichtungen zur Manipulation elektromagnetischer Wellen, insbesondere bei der Herstellung Photonischer Kristalle, von sehr großem Vorteil. Die Verwendung von Wasser als Dispergiermedium ist deshalb besonders vorteilhaft, da auf Grund dessen hoher Dielektrizitätskonstante sehr hohe Abscheideraten erzielt werden, wodurch die Prozessdauer verkürzt wird.

Die zweidimensional strukturierte poröse Form oder die dreidimensional strukturierte poröse Form ist elektrisch nicht leitend und weist auch keine halbleitenden Eigenschaften auf und hat eine Porengröße von 10 Nanometer bis 10 Mikrometer, bevorzugt 500 Nanometer bis 1 Mikrometer, besonders bevorzugt zwischen größer 60 Nanometer und 1 Mikrometer. Darüber hinaus ist sie durch Wasser benetzbar. Der Kontaktwinkel zwischen poröser Form und Wasser ist dementsprechend kleiner als 90°, bevorzugt kleiner als 80°. Als Material für die poröse Form eignen sich dem Fachmann bekannte Kunststoffe, insbesondere Polystyrol (PS), besonders bevorzugt Polyethersulfon (PES). Wenn oben genannte Kriterien erfüllt sind, eignen sich auch andere Materialien für die Herstellung der porösen Form.

Als Elektroden werden chemisch resistente und elektrisch leitfähige Materialien verwendet. Ferner sind auch Materialien einsetzbar, die mit chemisch resistenten und elektrisch leitfähigen Materialien beschichtet sind. Bevorzugtes Elektrodenmaterial sind Wolfram, Tantal, Graphit, Edelmetalle oder elektrisch leitfähige Kunststoffe. Ferner können die Elektroden auch aus Legierungen zuvor genannter Materialien bestehen und/oder mit oben stehen Materialien beschichtet sein. Dadurch wird die Kontamination des abgeschiedenen Formkörpers vermieden. Als Dispergiermiedium wird Wasser, insbesondere deionisiertes Wasser, bevorzugt destilliertes Wasser, besonders bevorzugt bidestilliertes Wasser verwendet.

Als sehr vorteilhaft hat sich eine Ausführung der Erfindung herausgestellt, bei der die Siliziumdioxid Partikel beziehungsweise die Titandioxid Partikel eine möglichst runde Form aufweisen.

Darüber hinaus hat sich die Zugabe eines Dispergierhilfsmittels, bevorzugt Tetramethylammoniumhydoxid (TMAH) oder Natriumhydroxid (NaOH) beziehungsweise Salzsäure (HCl) als vorteilhaft erwiesen. Dadurch lässt sich auf einfache Weise der pH-Wert einstellen. Des Weiteren ist Natrium im Glasnetzwerk als Netzwerkwandler bekannt, so dass zusätzlich die Sintertemperatur herabgesetzt wird.

Als vorteilhaft für die Leitfähigkeit der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit hat sich ein Wert von 0,5 Millisiemens pro Zentimeter bis 175 Millisiemens pro Zentimeter, insbesondere 1,5 Millisiemens pro Zentimeter bis 100 Millisiemens pro Zentimeter, bevorzugt größer 2 Millisiemens pro Zentimeter bis 75 Millisiemens pro Zentimeter erwiesen.

Als vorteilhaft für die Trocknung des Abscheidekörpers hat sich darüber hinaus die dem Fachmann bekannte überkritische Trocknung erwiesen. Darüber hinaus ist es auch vorteilhaft, den Abscheidekörper bei Raumtemperatur zu trocknen. Eine weitere, besondere Trocknungsmethode ist das Trocknen in gesättigter Atmosphäre, da dadurch Rissbildung vermieden wird.

Als vorteilhaft hat sich außerdem die Sinterung in einem Zonensinterofen bei Temperaturen zwischen 1200°C und 1700°C, vorzugsweise zwischen größer 1250°C und 1500°C erwiesen. Dabei wird eine Geschwindigkeit von 1 bis 15 Millimeter pro Minute, insbesondere 5 bis 12 Millimeter pro Minute, bevorzugt 8 Millimeter pro Minute, eingehalten. In einer anderen Ausführung des Verfahrens wird der Grünkörper in einem Vakuumsinterofen oder einem Kammersinterofen gesintert.

1 zeigt eine Anordnung zur erfindungsgemäßen Durchführung des Verfahrens. Wie 1 entnommen werden kann, weist die Anordnung eine zweidimensional strukturierte oder dreidimensional strukturierte poröse Form 1 auf, die sich zwischen den beiden Elektroden 2 befindet. Es hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn die Elektroden planparallel zueinander sind beziehungsweise die Flächennormalen gegenüberliegender Punkte parallel verlaufen. Die zweidimensionale Struktur oder dreidimensionale Struktur wird in die poröse Form eingebracht durch dem Fachmann bekannte Verfahren wie dem Gießen des viskosen Polymers auf eine der späteren Struktur entsprechenden Form, mittels Laserinterferenz, insbesondere holographischer Lithografie, besonders der Vierstrahllaserinterferenz.

Darüber hinaus teilt die poröse Form 1 die Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in zwei Räume 4 und 5, wobei der Raum 4 zur Aufnahme der Suspension mit den oxidischen oder keramischen Partikeln dient. Der Raum 5 dient der Aufnahme der elektrisch leitenden Flüssigkeit. Die gesamte Anordnung ist von einem Gehäuse 3 umgeben, welches aus einem nicht porösen, elektrisch nicht leitenden, chemisch resistenten Material, insbesondere Kunststoff, bevorzugt Polycarbonat (PC), besonders bevorzugt Polymethylmethacrylat (PMMA) besteht. Zur erfindungsgemäßen Durchführung ist es darüber hinaus notwendig, eine Gleichspannungsquelle 6 an die Elektroden 2 anzulegen.

2 zeigt die Draufsicht auf die Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

3 zeigt eine weitere besondere Ausführung der Anordnung. Dabei wird das Gehäuse 3 durch eine Platte 7 abgedeckt, um einer Verschmutzung der Suspension, welche die oxidischen Partikel beziehungsweise die keramischen Partikel enthält, und der Verschmutzung der elektrisch leitenden Flüssigkeit zu vermeiden.

4 zeigt eine weitere besondere Ausführung der Anordnung zur erfindungsgemäßen Durchführung des Verfahrens. Dabei teilt die poröse Form 1 die Anordnung in die beiden Räume 4 und 5. Darüber hinaus liegt an den Elektroden 2 eine Gleichspannungsquelle 6 an. Die beiden Räume 4 und 5 werden von einem Gehäuse 3a umgeben, welches geschlossen sein muss, um einem Auslaufen der Räume 4 und 5 vorzubeugen, da die Erdanziehung 8 eine ungewünschte Entleerung der Räume begünstigt. Bei dieser besonderen Ausführung der Anordnung findet die Bewegung der oxidischen Partikel beziehungsweise der keramischen Partikel bei der elektrophoretischen Abscheidung entgegengesetzt zur Erdanziehung 8 statt. Dadurch werden höhere Gründichten des Abscheidekörpers erreicht.

Eine weitere besondere Ausführung der Anordnung zur erfindungsgemäßen Durchführung des Verfahrens ist in 5 gezeigt. Dabei teilt die poröse Form 1 die Anordnung in die beiden Räume 4 und 5. Darüber hinaus liegt an den Elektroden 2 eine Gleichspannungsquelle 6 an. Die beiden Räume 4 und 5 werden von einem Gehäuse 3a umgeben, welches geschlossen sein muss, um einem Auslaufen der Räume 4 und 5 vorzubeugen, da die Erdanziehung 8 eine ungewünschte Entleerung der Räume begünstigt. Bei dieser besonderen Ausführung der Anordnung findet die Bewegung der oxidischen Partikel beziehungsweise der keramischen Partikel bei der elektrophoretischen Abscheidung in Richtung der Erdanziehung 8 statt.

Beispiel 1:
In einen 300 ml Kunststoffbecher wurde 54,72 g bidestilliertes Wasser eingefüllt. Des Weiteren wurde 5,28 g Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) zugegeben. Mit Hilfe eines handelsüblichen Dissolvers wurde eine Pulvermischung, bestehend aus 32 g Degussa Aerosil^® OX50 und 8 g Degussa Aerosil^® A380 eingerührt. Die auf diese Art und Weise hergestellt Suspension hatte dementsprechend eine Feststoffanteil von 40,0 Gew.-%. Der pH-Wert der so hergestellten Suspension lag bei 12,0, die Leitfähigkeit bei 4,08 Millisiemens pro Zentimeter.
Die so hergestellte Suspension wurde in den Raum 4 eingefüllt. Der Raum 5 wurde mit bidestilliertem Wasser, versetzt mit 0,96 g TMAH, befüllt. Als Elektroden 2 wurde mit Platin beschichteter Kunststoff verwendet. Als Material für die Poröse Form 1 wurde Polyethersulfon (PES) verwendet, welches durch Laserinterferenz strukturiert wurde.
Die Struktur war eine periodische Anordnung von runden Ausnehmungen im PES, die eine Periode von 2 Mikrometern hatte.
Die angelegte elektrische Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 6 betrug 20V bei einem Abstand der Elektroden 2 von 4,5 cm, angelegt für eine Dauer von 5 Minuten.
Nach der Abscheidung wurde der Grünkörper aus der porösen Form entformt und bei Raumtemperatur für 48 Stunden getrocknet. Die Dichte des so hergestellten Grünkörpers wurde mit Hilfe des Archimedesschen Prinzips bestimmt und betrug 1,14 Gramm pro Kubikzentimeter. Der so hergestellte Grünkörper wurde bei einer Temperatur von 1300° Celsius in einem Zonensinterofen mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,8 Millimetern pro Minute gesintert. Danach wies die Struktur eine Dichte von 2,2 Gramm pro Kubikzentimeter auf. Der lineare Schrumpf betrug 18 %. Darüber hinaus lag eine Bandlücke im Bereich einer Wellenlänge von 5,0 Mikrometer bis 6,67 Mikrometer für transversal elektrisch (TE) polarisiertes Licht vor, was einer Größe der Bandlücke von 25,04 % entspricht.
Beispiel 2:
In einen 300 ml Kunststoffbecher wurde 53,42 g bidestilliertes Wasser eingefüllt. Des Weiteren wurde 6,58 g Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) zugegeben. Mit Hilfe eines handelsüblichen Dissolvers wurden 40 g Titandioxid P25 der Firma Aerosil Nippon eingerührt. Die auf diese Art und Weise hergestellt Suspension hatte dementsprechend eine Feststoffanteil von 40,0 Gew.-%. Der pH-Wert der so hergestellten Suspension lag bei 12,2, die Leitfähigkeit bei 4,96 Millisiemens pro Zentimeter.
Die so hergestellte Suspension wurde in den Raum 4 eingefüllt. Der Raum 5 wurde mit bidestilliertem Wasser, versetzt mit 1,43 g TMAH, befüllt. Als Elektroden 2 wurde mit Platin beschichteter Edelstahl verwendet. Als Material für die poröse Form 1 wurde Polyethersulfon (PES) verwendet, welches durch holographische Lithografie dreidimensional strukturiert wurde.
Die Struktur war kubisch-flächenzentriert (kfz) mit einem Gitterparameter von 1,5 Mikrometern.
Die angelegte elektrische Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 6 betrug 17,5 V bei einem Abstand der Elektroden 2 von 4,5 cm, angelegt für eine Dauer von 5 Minuten.
Nach der Abscheidung wurde der Grünkörper in der porösen Form bei Raumtemperatur für 72 Stunden getrocknet. Danach wurde der Grünkörper in der porösen Form in einem Kammerofen, welcher mit 10 Kelvin pro Minute auf 800° Celsius aufgeheizt wurde, eine Stunde bei 800 ° Celsius gehalten. Die Abkühlrate betrug 20 Kelvin pro Minute. Auf diese Art und Weise wurde die poröse Form entfernt, so dass der Abscheidekörper übrig bleib. Die Dichte des so hergestellten Grünkörpers wurde mit Hilfe des Archimedesschen Prinzips bestimmt und betrug 1,92 Gramm pro Kubikzentimeter. Der so hergestellte Grünkörper wurde schließlich bei einer Temperatur von 1400° Celsius in einem Zonensinterofen mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,8 Millimetern pro Minute gesintert. Danach wies die Struktur eine Dichte von 2,895 Gramm pro Kubikzentimeter auf. Der lineare Schrumpf betrug 14 %. Darüber hinaus lag eine Bandlücke im Bereich einer Wellenlänge von 2,5 Mikrometer bis 3 Mikrometer für transversal elektrisch (TE) polarisiertes und transversal magnetisch (TM) polarisiertes Licht vor, was einer Größe der Bandlücke von 16,67 % entspricht.
Beispiel 3:
In einen 300 ml Kunststoffbecher wurde 53,42 g bidestilliertes Wasser eingefüllt. Des Weiteren wurde 6,58 g Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) zugegeben. Mit Hilfe eines handelsüblichen Dissolvers wurden 40 g Titandioxid P25 der Firma Aerosil Nippon eingerührt. Die auf diese Art und Weise hergestellt Suspension hatte dementsprechend eine Feststoffanteil von 40,0 Gew.-%. Der pH-Wert der so hergestellten Suspension lag bei 12,2, die Leitfähigkeit bei 4,96 Millisiemens pro Zentimeter.
Die so hergestellte Suspension wurde in den Raum 4 eingefüllt. Der Raum 5 wurde mit bidestilliertem Wasser, versetzt mit 1,43 g TMAH befüllt. Als Elektroden 2 wurde mit Platin beschichteter Edelstahl verwendet. Als Material für die poröse Form 1 wurde Polyethersulfon (PES) verwendet, welches durch Vierstrahllaserinterferenz zweidimensional strukturiert wurde. Die Struktur war eine periodische Anordnung von runden Ausnehmungen im PES, die eine Periode von 2 Mikrometern hatte. Dabei wurde die Periode so unterbrochen, dass eine rechteckige Linie inmitten der Ausnehmungen vorhanden war, entlang derer keine Ausnehmungen eingebracht waren.
Die angelegte elektrische Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 6 betrug 17,5 V bei einem Abstand der Elektroden 2 von 4,5 cm, angelegt für eine Dauer von 5 Minuten.
Nach der Abscheidung wurde der Grünkörper aus der porösen Form entformt und in gesättigter Atmosphäre während 72 Stunden getrocknet. Die Dichte des so hergestellten Grünkörpers wurde mit Hilfe des Archimedesschen Prinzips bestimmt und betrug 1,77 Gramm pro Kubikzentimeter. Der so hergestellte Grünkörper wurde schließlich bei einer Temperatur von 1400° Celsius in einem Zonensinterofen mit einer Geschwindigkeit von 0,8 Millimetern pro Minute gesintert. Danach wies die Struktur eine Dichte von 3,892 Gramm pro Kubikzentimeter auf. Der lineare Schrumpf betrug 14 %. Darüber hinaus lag eine Bandlücke im Bereich einer Wellenlänge von 5,0 Mikrometer bis 6,67 Mikrometermeter für transversal elektrisch (TE) polarisiertes Licht vor, was einer Größe der Bandlücke von 25,04 % entspricht. Entlang des rechtwinkligen Liniendefekts konnte sich die Wellenlänge von 5,5 Mikrometern ausbreiten und wurde gezielt entlang des Defekts um 90° umgelenkt. Der Verlust bei der Umlenkung betrug dabei 1 % der Anfangsintensität.
Beispiel 4:
In einen 300 ml Kunststoffbecher wurde 53,42 g bidestilliertes Wasser eingefüllt. Des Weiteren wurde 6,58 g Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) zugegeben. Mit Hilfe eines handelsüblichen Dissolvers wurden 40 g Titandioxid P25 der Firma Aerosil Nippon eingerührt. Die auf diese Art und Weise hergestellt Suspension hatte dementsprechend eine Feststoffanteil von 40,0 Gew.-%. Der pH-Wert der so hergestellten Suspension lag bei 12,2, die Leitfähigkeit bei 4,96 Millisiemens pro Zentimeter.
Die verwendete Zelle ist in 4 skizziert. Die so hergestellte Suspension wurde in den Raum 4 eingefüllt. Der Raum 5 wurde mit bidestilliertem Wasser, versetzt mit 1,43 g TMAH befüllt. Als Elektroden 2 wurde mit Platin beschichteter Edelstahl verwendet. Als Material für die poröse Form 1 wurde Polyethersulfon (PES) verwendet, welches durch holographische Lithografie dreidimensional strukturiert wurde.
Die Struktur war kubisch-flächenzentriert (kfz) mit einem Gitterparameter von 1,5 Mikrometern, wobei ein rechtwinkliger Liniendefekt eingebracht wurde.
Die angelegte elektrische Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 6 betrug 17,5 V bei einem Abstand der Elektroden 2 von 4,5 cm, angelegt für eine Dauer von 5 Minuten.
Nach der Abscheidung wurde der Grünkörper in der porösen Form bei Raumtemperatur für 72 Stunden getrocknet. Danach wurde der Grünkörper in der porösen Form in einem Kammerofen, welcher mit 10 Kelvin pro Minute auf 800° Celsius heizte, eine Stunde bei 800° Celsius gehalten. Die Abkühlrate betrug 20 Kelvin pro Minute. Die Dichte des so hergestellten Grünkörpers wurde mit Hilfe des Archimedesschen Prinzips bestimmt und betrug 1,92 Gramm pro Kubikzentimeter. Der so hergestellte Grünkörper wurde schließlich bei einer Temperatur von 1400° Celsius in einem Zonensinterofen mit einer Geschwindigkeit von 0,8 Millimetern pro Minute gesintert. Danach wies die Struktur eine Dichte von 3,888 Gramm pro Kubikzentimeter auf. Der lineare Schrumpf betrug 14 %. Darüber hinaus lag eine Bandlücke im Bereich einer Wellenlänge von 2,5 Mikrometer bis 3 Mikrometer für transversal elektrisch (TE) polarisiertes und transversal magnetisch (TM) polarisiertes Licht vor, was einer Größe der Bandlücke von 16,67 % entspricht. Entlang des Liniendefekts hat sich Licht der Wellenlänge 2,75 Mikrometer und transversal elektrischer (TE) Polarisierung ausgebreitet und wurde dabei um 90° umgelenkt bei einem Intensitätsverlust von 2,47 %.

Claims

Verfahren zur Herstellung von oxidischen oder keramischen Grünkörpern zur Manipulation der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, aus welchen Formkörper mittels Sintern herstellbar sind, wobei den Grünkörpern zu Grunde liegende Abscheidekörper durch elektrophoretische Abscheidung von oxidischen oder keramischen Partikeln aus einer Suspension gebildet werden, wobei eine der Elektroden für die elektrophoretische Abscheidung in der Suspension angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel auf einer in der Suspension angeordneten zweidimensional oder in einer dreidimensional strukturierten porösen Form abgeschieden werden, welche die Negativform des jeweiligen Abscheidekörpers hat und eine mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit gefüllten Raum aufweist, in dem die andere Elektrode für die elektrophoretische Abscheidung angeordnet ist. Als Suspension wird eine wässrige verwendet, welche oxidische oder keramische Partikel enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass eine monomodale Partikelgrößenverteilung vorliegt, wobei der mittlere Durchmesser der Partikel etwa 3 bis 200 Nanometer, insbesondere 7 bis 50 Nanometer, bevorzugt etwa 20 Nanometer beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine bimodale Partikelgrößenverteilung mit Partikeln kleinerer Korngröße und größerer Korngröße vorliegt, wobei der mittlere Durchmesser der Partikel mit größerer Korngröße 40 bis 300 Nanometer, der mittlere Durchmesser der kleineren Partikeln 3 bis 20 Nanometer beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine trimodale Partikelgrößenverteilung mit Partikeln kleinerer Korngröße, mittlerer Korngröße und größerer Korngröße vorliegt, wobei der mittlere Durchmesser der Partikel mit größerer Korngröße 40 bis 300 Nanometer, der mittlere Durchmesser der Partikel mit mittlerer Korngröße 18 bis 28 Nanometer und der mittlere Durchmesser der Partikel mit kleinerer Korngröße 3 bis 25 nm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver mit bimodaler Partikelgrößenverteilung aus einer Zusammensetzung von etwa 50 bis 98 Gewichtsprozent, insbesondere 75 bis 90 Prozent, vorzugsweise 70 Prozent Partikeln größerer Korngröße und etwa 50 bis 2 Gewichtsprozent, insbesondere etwa 5 bis 15, vorzugsweise 20 bis 25 Gewichtsprozent Partikeln kleinerer Korngröße besteht.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver mit trimodaler Partikelgrößenverteilung aus einer Zusammensetzung von etwa 50 bis 98 Gewichtsprozent, insbesondere etwa 75 bis 90 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 80 Gewichtsprozent Partikeln größerer Korngröße und etwa 1 bis 20 Gewichtsprozent, insbesondere etwa 5 bis 15 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 10 Gewichtsprozent Partikeln mittlerer Korngröße und etwa 0,5 bis 10 Gewichtsprozent, insbesondere etwa 3 bis 7 Gewichtsprozent, vorzugsweise 4 Gewichtsprozent Partikeln kleinerer Korngröße besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllgrad der Suspensionen etwa 20 bis 90 Gewichtsprozent, insbesondere etwa 25 bis 60 Prozent, vorzugsweise 45 Gewichtsprozent beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere elektrische Feldstärke zwischen der in der Suspension angeordneten Elektrode und der anderen Elektrode etwa 0,1 bis 1000 Volt pro Zentimeter, insbesondere 1 bis 50 Volt pro Zentimeter, vorzugsweise 5 bis 15 Volt pro Zentimeter beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Flüssigkeit reines Wasser wie deionisiertes oder destilliertes oder bidestilliertes Wasser aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Leitfähigkeit der elektrisch leitenden Flüssigkeit zur Leitfähigkeit der Suspension etwa 2 bis 300, insbesondere 30 bis 200, vorzugsweise 5 bis 25 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension eine starke Base wie Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) oder Natriumhydroxid (NaOH) beziehungsweise eine starke Säure wie Salzsäure (HCl) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Form eine zweidimensionale Struktur oder dreidimensionale Struktur aufweist, die der Negativstruktur des Abscheidekörpers entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Form Poren einer Größe von 10 Nanometer bis 2 Mikrometer aufweist
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die in der Suspension befindlichen oxidischen Partikel beziehungsweise keramischen Partikel bei der elektrophoretischen Abscheidung senkrecht zur Erdanziehung oder in Richtung der Erdanziehung oder entgegengesetzt zur Richtung der Erdanziehung bewegen.