DE3441622A1

DE3441622A1 - Keramische struktur und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3441622A1
Application number: DE19843441622
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Rogers Scio N.Y. Morris
Original assignee: ROGERS MORRIS JEFFREY
Current assignee: Vesuvius Crucible Co
Priority date: 1983-11-14
Filing date: 1984-11-14
Publication date: 1985-06-05
Anticipated expiration: 2004-11-15
Also published as: DE3441622C2; GB2149771A; GB8428158D0; GB2149771B

Description

Jeffrey Rogers Morris MOR-1

R.D. #1 Jae/zi Scio, New York 14480
USA

Keramische Struktur und Verfahren zu ihrer Herstellung

Beschreibung

Keramiken mit Netzstruktur, mit anderen Worten, gesinterte
keramische Schäume, haben zahllose Anwendungen gefunden. Sie bilden ein einzigartiges Zweiphasensystem. Eine kontinuierliche feste Phase ist von einer kontinuierlichen Porenphase durchsetzt, die sich in alle Richtungen des Raumes erstreckt. Die feste Phase besteht aus relativ inertem keramischen Material, beispielsweise hochtemperaturbeständigen anorganischen Werkstoffen, im allgemeinen Oxiden oder Carbiden. Solche sinterkeramischen Schäume können zum Filtrieren heißer Fluide eingesetzt werden, beispielsweise zum Filtrieren von Dieselverbrennungsabgasen oder flüssigen Metallen, oder können als Katalysatorträger eingesetzt werden. Verfahren zur Herstellung
sinterkeramischer Schäume sind aus den Druckschriften

BERGSTRASSE 48'/j · D-8O3S MÜNCHEN-GAUTING TELEPHON! (ΟΘΘ) 80O2O3O ■ TELEX: O21777lsard

3 090 094 A und GB 916 784 A bekannt.

trem dünnes keramisches Schichtmaterial, beispielsweise hichtmaterial mit einer Dicke von kleiner als ungefähr 25 μΐη, rden seit einiger Zeit zur Herstellung von Substraten für e Dickschichttechnologie oder zur Herstellung von Schichtndensatoren eingesetzt. Ein Verfahren zur Herstellung solcher nner Keramik ist aus der Druckschrift US 2 966 719 A bekannt a in dem Aufsatz "Forming Thin Ceramics" von James J. Thompson, ramic Bulletin, 42_ (1963), Seiten 480 bis 481 beschrieben.

ι Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Keramik mit bzstruktur, die eine einstückig integrierte dünne keramische arfläche oder Oberflächenschicht als Abtrennung zum Verschliesi der Porenphase auf bestimmten Bereichen aufweist, ohne aei die wertvollen Eigenschaften einer Schaumkeramik zu versren. Insbesondere will die Erfindung ein Keramikerzeugnis laffen, das einen Bereich mit Netzstruktur oder Schaumstruktur - einer aufgesinterten dünnen keramischen Schicht oder Oberichenbeschichtung aufweist, wo beide Bereiche des keramischen !eugnisses so aufeinander abgestimmt und so miteinander verlden sind, daß Wärmewechselspannungen so klein wie möglich lalten werden.

ist bekannt, die Oberfläche eines keramischen Schaumstoffs eine Trübe eines feinzerteilten keramischen Materials zu ichen, um dadurch eine ausreichend große Anzahl der mit der »rfläche des Schaumstoffs in Verbindung stehenden Poren zu .len und dadurch die Oberfläche des Schaumstoffs zu verschliesi. Die Dicke der nach diesem Verfahren gebildeten kontinuier- :hen Verschlußschicht ist nicht exakt vorhersehbar und einillbar. In der Regel neigt eine so hergestellte Verschlußiicht zur Ausbildung einer Dicke, die um ein Vielfaches dicker

als die Dicke der Wände zwischen den Poren im Schaumbereich des keramischen Schaumstoffs ist. Je größer die Poren im geschäumten Bereich sind, die lineare Porendichte also beispielsweise kleiner als ungefähr 12 Poren cm ist, um so schwieriger wird es, eine dünne kontinuierliche Schicht noch nach dem Tauchverfahren herzustellen. Abgesehen davon sind die nach dem Tauch-r.' verfahren hergestellten Oberflächenschichten erwartungsgemäß gut mit der Schaumstruktur verknüpft und zwar insbesondere dadurch, daß sie mit den inneren Porenwandoberflachen unmittelbar in Berührung stehen. In dieser Hinsicht ist es ein weiteres Ziel der Erfindung, einen keramischen Schaumstoffkörper mit verbesserten Kenndaten nach einem Verfahren herzustellen, bei dem eine weit geringere Durchdringung und Berührung zwischen den Porenwandoberflächen der Schaumstruktur und der Oberflächenschicht in Kauf genommen zu werden braucht. Zudem soll die Dicke der Oberflächenschicht leichter und besser einstellbar, und zwar insbesondere über die gesamte Fläche der Schicht einheitlich einstellbar sein. Das diese Merkmale aufweisende Schaumstofferzeugnis wird sich dementsprechend durch eine wesentlich verbesserte Wärmewechselbeständigkeit auszeichnen, da die mittlere Dicke der Porenwände wesentlich besser der mittleren Dicke der Oberflächenschicht entspricht, wobei gleichzeitig eine die Anforderungen noch immer deutlich übertreffende mechanisch feste Verbindung zwischen der Oberflächenschicht und dem geschäumten Bereich erzielt werden soll.

Feuerfeste Werkstoffe müssen in der Regel nicht nur erhöhten Temperaturen ständhalten, sondern sich auch in korrodierender Umgebung inert verhalten und schnelle Temperaturwechsel ohne Beeinträchtigung ihrer Festigkeit und ihres strukturellen Zusammenhalts überstehen. Die diesbezüglichen Kenndaten sollen für einen keramischen Schaumstoff in der Regel so groß wie möglich sein, während gleichzeitig die Wärmekapazität und die Wärme-

leitfähigkeit so klein wie möglich ausfallen sollen. Feuerfeste Werkstoffe dieser Art stehen heute in großer Vielfalt zur Verfügung und reichen von außerordentlich dichten Schmelzmassen bis zu den außerordentlich gut isolierenden fasrigen Werkstoffen. Die fasrigen feuerfesten Werkstoffe zeichnen sich dabei in durchaus erwünschter Weise durch eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und eine sehr geringe Wärmekapazität aus. Dafür weisen solche fasrigen feuerfesten Werkstoffe jedoch den Nachteil geringer mechanischer Tragfähigkeit und geringer Korrosionsbeständigkeit sowie den Nachteil des Schrumpfens im oberen Einsatztemperaturbereich auf. Demgegenüber weisen die dichten und ausreichend gut isolierenden feuerfesten Werkstoffe zwar auch bei höheren Temperaturen eine gute mechanische Festigkeit auf und können aus korrosionsbeständigen und erosionsbeständigen Ausgangswerkstoffen hergestellt werden, dafür weisen sie jedoch den Nachteil auf, seien die Formstoffe nun vorgeformt oder monolitisch, daß sie eine relativ große Wärmekapazität aufweisen, und zwar aufgrund ihrer Masse. Aufgrund dieser hohen Wärmekapazität muß zum Aufheizen dieser Werkstoffe auf eine bestimmte Temperatur wesentlich mehr Energie aufgewendet werden als dies für fasrige feuerfeste Werkstoffe erforderlich ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines verbesserten keramischen feuerfesten Werkstoffs, gegebenenfalls in Verbindung mit einem fasrigen feuerfesten Werkstoff, das ohne eine Verschlechterung der mechanischen Belastbarkeit und der Korrosionsbeständigkeit und Erosionsbeständigkeit in Kauf zu nehmen eine bemerkenswert geringe Wärmekapazität aufweist. Die feuerfeste keramische Struktur, kurz, der keramische Schaumstoff, soll eine gute mechanische Belastbarkeit/ Korrosionsbeständigkeit und Erosionsbeständigkeit aufweisen, gleichzeitig jedoch durch eine geringe Wärme-

leitfähigkeit, geringe Wärmekapazität und hervorragende Wärmewechselbeständigkeit ausgezeichnet sein.

Zusammengefasst liegt angesichts dieses Standes der Technik der Erfindung also die Aufgabe zugrunde, einen feuerfesten keramischen Schaumstoff mit dünner abschließender Oberflächenhaut zu schaffen, der eine dünne, gleichmäßig dicke, fest angebundene und auch gegen rasche Temperaturwechsel beständig angebundene porenverschließende Oberflächenschicht aufweist und bei guter mechanischer Festigkeit, speziell mechanischer Belastbarkeit, hoher Korrosionsbeständigkeit und Erosionsbeständigkeit eine geringe Wärmekapazität, eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hervorragende Wärmewechselbeständigkeit aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine keramische Struktur, die aus einem Schaumkeramikbereich, der von einer Vielzahl dünner membranartiger und untereinander verbundener Wände aufgebaut ist, und einer keramischen Oberflächenschicht oder keramischen Oberfläche besteht, die auf die an der Oberfläche des Schaumstoffs freiliegenden Porenwände aufgesintert ist, und zwar in einer Ebene, die von einer Seite der Schicht oder Beschichtung definiert ist. Das Verhältnis der mittleren Dicke der Oberflächenschicht oder Oberflächenbeschichtung zur mittleren Dicke der den keramischen Schaumstoffbereich bildenden Porenwände ist kleiner als zehn.

Wenn der Schaumstoffkörper mit einer porenverschließenden Oberflächenschicht versehen ist, ist die Dicke dieser Oberflächenschicht vorzugsweise kleiner als die mittlere Dicke der Porenwände, genauer, Zwischenporenwände. Vorzugsweise liegt die

mittlere Dicke der Trennwand zwischen zwei Poren im Bereich von kleiner als ungefähr 1 mm. Speziell und vorzugsweise ist die Dicke der porenverschließenden Oberflächenschicht kleiner als ungefähr 0,5 mm.

Wenn auf dem keramischen Schaumstoffbereich eine Oberflächenbeschichtung angebracht werden soll, so weist die Beschichtungsmasse vorzugsweise zumindest im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie die Keramik im Schaumstoffbereich auf. Der keramische Schaumstoff hat eine lineare Porenkonzentration im Bereich von 2 bis 50 Poren cm , während die Schichtdicke der Beschichtung geringer als 3 mm ist. Vorzugsweise ist die Dicke der Beschichtung auf dem keramischen Schaumstoff jedoch mindestens 0,25 mm dick. Das Verhältnis der mittleren Dicke der Beschichtung zur mittleren Dicke der Porenzwischenwände, die die Keramik mit Netzstruktur bilden, im Bereich von 1:10.

Die Erfindung schafft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden keramischen Struktur, das Verfahrensstufen zur Herstellung des keramischen Schaumstoffs und eine separate Herstellung eines ledrig festen keramischen Flächenmaterials umfasst. Das keramische Flächenmaterial oder die keramische Folie wird anschließend in der Weise auf den keramischen Schaumstoffkörper aufgebracht, daß auf dessen Oberfläche zunächst eine keramische Aufschlämmung oder Trübe aufgebracht wird, und zwar ohne die an der Pore des Schaumstoffkörpers offenliegenden Poren zu füllen. Die ledrige keramische Folie wird dann mit den Bereichen des Schaumstoffkörpers, auf die die keramische Trübe aufgetragen worden ist, fest in Berührung gebracht. Die so hergestellte keramische Verbundstruktur wird anschließend unter Ausbildung einer keramischen Sinterbindung zwischen dem Schaumstoff und der keramischen

Folie gesintert.

Weiterhin schafft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Struktur, das die Verfahrensstufen der Herstellung eines keramischen Schaumstoffteils und dessen anschließende Beschichtung umfasst. Die Beschichtung wird dabei durch Aufspachteln, Aufziehen, Aufbürsten oder Aufsprühen einer entsprechend eingestellten keramischen Trübe oder Paste über zumindest einen Teilbereich der Oberfläche des keramischen Schaumstoffkörpers aufgebracht. Dabei haben durch Aufsprühen hergestellte Schichten eine Dicke im Bereich von 0,25 bis 0,50 mm und eignen sich für Schaumstoffe mit einer linearen Porendichte im Bereich von ungefähr 26 bis 49 cm . Die aufgespachtelten oder mit einem Ziehmesser aufgebrachten Schichten haben eine Dicke im Bereich zwischen ungefähr 0,5 und 3 mm und eignen sich für keramische Schaumstoffe mit einer linearen Porendichte im Beareich von 2 cm bis hinab zu sehr feinporigen Schäumen. Im allgemeinen gilt, daß die Beschichtung umso dicker ausfallen wird, je größer die Porenabmessungen sind. Die beschichtete Struktur wird dann so gesintert, daß zwischen dem keramischen Schaumstoffkörper und der auf diesem angebrachten Oberflächenbeschichtung eine feste sinterkeramische Bindung ausgebildet wird.

Keramische Strukturen gemäß der Erfindung können beispielsweise 'als Filter zum Filtrieren geschmolzener Metalle dienen. In diesem Fall weist der keramische Schaumstoffkörper eine mit der keramischen Folie oder der keramischen Beschichtung versehene Oberfläche auf, die zumindest im wesentlichen parallel zur Flußrichtung des zu behandelnden Metalls durch den Filter verläuft. Die keramische Struktur kann beispielsweise weiterhin als Wärmeaustauscher dienen, der dann beispielsweise aus zwei keramischen Schaumstoffkörpern besteht, die unter Zwiseheniügung einer dünnen keramischen Folie zusammengesintert sind. Im Betrieb wird dann das heiße Fluid direkt durch die

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Poren des Schaumstoffkörpers auf der einen Seite der keramischen Folie geleitet, während das Kühlfluid direkt durch die Poren des keramischen Schaumstoffs auf der anderen
Seite der keramischen Folie geleitet wird. Die keramische Struktur gemäß der Erfindung kann auch zur Innenausstattung von Ofenkammern, beispielsweise als Stütze oder Träger des Brenngutes, dienen. Auch solche zur Ofeninnenausstattung
eingesetzte keramischen Strukturen bestehen zweckmäßigerweise aus einem keramischen 'Schaumstoff-Grundkörper, der mit einer dünnen glatten keramischen Oberfläche versehen ist. Je nach dem Einsatzgebiet kann dabei die glatte Oberflächenbeschichtung sowohl dem Brenngut zugewandt als auch diesem abgewandt angeordnet sein.

Schließlich kann die hier beschriebene keramische Struktur auch sowohl für sich alleine als auch in Verbindung mit
Fasertafeln oder Faserfolien zur feuerfesten Innenauskleidung von Ofenkammern dienen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:

Fig. 1 in schematischer perspektivischer Darstellung einen keramischen Filter für geschmolzene Metalle;

Fig. 2 in schematischer perspektivischer Teildarstellung einen keramischen Wärmeaustauscher;

Fig. 3 in schematischer perspektivischer Darstellung ein Ofeninnenausstattungsteil;

Fig. 4 in schematischer perspektivischer Darstellung,

teilweise weggebrochen, eine Ofeninnenauskleidung;

Pig. 5 im Schnitt ein spezielles Ausführungsbeispiel der keramischen Struktur; und

Fig. 6 ebenfalls im Schnitt die schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der keramischen Struktur.

In der Fig. 1 ist ein unter Verwendung der keramischen Struktur gemäß der Erfindung ausgebauter keramischer Filter für geschmolzene Metalle dargestellt. Ein zentraler Körper 10 des Filters besteht aus einem keramischen Schaumstoff, der die Form einer Scheibe hat. Die äußere Zylindermantelfläche der Scheibe ist mit einer dünnen keramischen Beschichtung 11 versehen, die auf den Schaumstoffkörper aufgesintert ist. Diese Zylinderflache der Filterscheibe verläuft selbstverständlich im wesentlichen parallel zur Flußrichtung des durch die Poren des keramischen Schaumstoffs filtrierten heißen Metalls. Durch das Beschichten oder Einschlagen des keramischen Schaumstoff-Kernkörpers mit einem keramischen Material, das homogen mit dem Kernkörper verbunden und gesintert wird, erhöht die mechanische Festigkeit der Gesamtstruktur ganz erheblich. Die in der Fig. 1 gezeigte Struktur ist als Einsatzteil ausgebildet, das bestimmungsgemäß in eine Halterung eingesetzt wird, beispielsweise einen Trichter mit entsprechender Aufnahmevorrichtung im Auslaufteil, der als Aufgußraum für das zu filtrierende geschmolzene Metall dient. Der beschichtete oder umwickelte Filter für das geschmolzene Metall unterliegt wesentlich weniger der Gefahr des Abriebs oder Verschleisses während seiner Handhabung und beim Einsetzen in einen entsprechenden Gießtrichter oder Gießwanne. Der dichte Verschluß der Zylinderwand des Filterkörpers verhindert weiterhin, daß das Metall den Filter umgeht, das heißt radial auswärts aus dem Filter austritt und im Ringspalt zwischen Filter und Gehäusewand in Richtung des Filträts läuft. Schließlich wird durch die

zylindrische Ummantelung des keramischen Schaumstoffkörpers eine wesentliche Verbesserung seiner Kompressionsfestigkeit erreicht.

Keramische Werkstoffe, die zur Herstellung von Filtern von im Vakuum durch Induktionsheizung hergestellten Schmelzen von Superlegierungen geeignet sind, sind Mullit, ein partiell stabilisiertes Zirconoxid,sowie ein 90 bis 98 % reines Aluminiumoxid. Mullit und Ziroonoxid werden aufgrund ihrer' besseren Wärmewechselbeständigkeit bevorzugt. Die lineare

Porendichte für solche Filter liegt üblicherweise bei 4, 8 _ -ι

und 12 cm , wobei lineare Porendichten im Bereich von 4 bis 8 cm vorgezogen werden. Bei einer linearen Porendichte von 12 cm kann zwar der höchste Trenneffekt erzielt werden, jedoch kann sich die praktische Verwendung von Filterkörpern mit dieser Porengröße aufgrund der stark verminderten Durchflußleistung für viele Anwendungsgebiete verbieten.

Zur Herstellung von Filterkörpern zum Filtrieren von an der Luft erschmolzenen Eisenlegierungen sind feste, temperaturwechselbeständige und kriechfeste Werkstoffe erforderlich. Für diese Anwendungsbereiche werden vorzugsweise teilweise stabilisiertes Zirconoxid, verschiedene Gütegrade von Aluminiumoxid und für die kleineren Porengrößen Mullit eingesetzt.

Für diesen Anwendungsbereich weisen die Filterkörper eine

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lineare Porendichte im Bereich von 2 bis 3 cm ,4 oder 8 cm

Werkstoff für Filterkörper zum Filtrieren an der Luft erschmolzener Nichteisenmetalle wird vorzugsweise Mullit /erwendet. Daneben finden Werkstoffe auf Aluminiumoxidbasis 3eachtung. Lineare Porendichten der Filterkörper im Bereich 4 bis 26 cm sind erfolgreich eingesetzt worden. Insbe-

sondere wurden dabei für einen Prüffilterkörper mit zylindrischer Abmessung und einer linearen Porendichte von 26 cm erstaunlich gute Ergebnisse erzielt. Den höchsten Filtrationswirkungsgrad erzielen dabei die feinporigen Filter mit linearen Porendichten von 12, 18 und 26 cm

In der Fig. 2 ist ein keramischer Wärmeaustauscher aus einer keramischen Struktur gemäß der Erfindung dargestellt. Der keramische Wärmeaustauscher besteht aus einem ersten keramischen Schaumstoffkörper 20 und einem zweiten keramischen Schaumstoffkörper 21, zwischen denen eine dünne dichte Keramikschicht 23 eingesintert ist. In der Darstellung der Fig. 2 ist diese dünne trennende Keramikschicht 23 in einem der besseren Darstellung halber weggebrochenen Bereich zu erkennen. Die Außenwände der beiden Schaumstoffteilkörper sind mit einer Keramikfolie 25, 26 und 27 vierseitig mit zwei einander · gegenüberliegenden offenen Stirnseiten eingeschlagen. Die beiden Teilkörper sind dabei so zueinander angeordnet, daß _fc die ihre Wärme austauschenden Fluide zu beiden Seiten der Trennwand 23 mit senkrecht zueinander verlaufendem Strom geführt werden können. Beide keramischen Schaumstoffkörper sind mit ihrem porenbJOLdenden Gerüst direkt mit der Folie versintert. Die dünne Trennwand ist also mit den beiden keramischen Schaumstoffgerüsten der beiden aneinandergrenzenden Schaumstoffteilkörper praktisch einstückig ausgebildet. Die Wärme wird also von einem der Austauscherfluide auf das Stützgerüst des einen keramischen Schaumstoffkörpers übertragen, von wo sie auf die Trennwand und von dort auf das keramische Stützgerüst des anderen keramischen Schaumstoffkörpers geleitet wird, um von dort schließlich auf das zweite Austauscherfluid zu gelangen. In ersichtlicher Weise ist die in der Fig. 2 angedeutete KreuzStromführung der beiden Austauscherfluide an sich nicht zwingend. Die durch die dünne keramische Schicht gebildeten

dichten Außenwände der Schaumstoffkörper können auch so zueinander ausgerichtet sein, daß der Wärmeaustausch im Gegenstrom der Fluide oder nach irgendeinem anderen beliebigen Kreuzungsmuster erfolgt. Weiterhin kann der Wärmeaustauscher auch wesentlich mehr als nur die beiden in Fig. 2 gezeigten Schaumstoffteilkörper aufweisen und beispielsweise aus einer alternierenden Folge von Schaumstoffkörpern bestehen, in denen jeweils alternierend das Wärmere und das Kühlere der beiden Austauscherfluide umgewälzt wird.

In der Fig. 2 ist ein Einsatzteil für einen Wärmeaustauscher dargestellt, der in einem Verbrennungsluft-^Vorerhitzer einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden kann, wobei der Filterkörper vielseitig in der aus der Fig. 2 ersichtlichen Weise durch die dünne Folie so abgeschlossen ist, daß die einzelnen Filterkörper untereinander und voneinander getrennt sind. Durch die beiden freigebliebenen Seitenflächen können die Wärmeträgerfluide in die Porenstruktur des Keramikkörpers eingeführt und aus dieser herausgeführt werden. Dabei ist es in einem fest eingebauten Wärmeaustauscher der genannten Art erforderlich, die heißen Abgase sorgfältig von der zu erhitzenden Verbrennungsfrischluft abzutrennen. Im Idealfall hat der Techniker das Bestreben, die gesamte Wärme des Abgases auf die angesaugte und vorzuerwärmende Frischluft zu übertragen, ohne dabei jedoch beide Luftströme miteinander zu vermischen. Dies heißt, daß die erforderliche Trennwand zwisc ien den beiden Gasströmen so gering wie nur möglich sein muß. Dies kann mit höchstem Wirkungsgrad durch ein alternierendes Stapeln der keramischen Schaumstoffteilkörper erfolgen, die in der beschriebenen Weise mit dünnen hermetisch trennenden Außenschichten versehen sind. Dabei erhöht die Möglichkeit der physikalischen Trennung der beiden Gasströme

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über eine so dünne Wand die Wärmeübertragung und damit den Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers. Durch die außerordentlich dünne Ausbildung der Trennwand bzw. der Trennwände
wird auch der Wärmegradient über die Wände vermindert, was wiederum heißt,, daß auch die durch den in den Trennwänden auftretenden Wärmegradienten erzeugten Wärmespannungen außerordentlich gering sind. Der erstaunlich hohe Wirkungsgrad dieses aus den beiden Schaumstoffteilkörpern bestehenden
Wärmeaustauschers ist auch darauf zurückzuführen, daß die beiden keramischen Schaumstoffkörper mit den dünnen Porenwandstärken praktisch homogen mit der dünnen folienartigen keramischen Trennwand versintert sind, wodurch der Wärmetibergang zwischen den beiden Tauschfluiden bzw. Tauschergasen über die dünnen Porenwände und die dünne Trennwand wesentlich verbessert wird. Dabei dienen insbesondere auch die dünnen Porenwände als Wärmeleiterstege, die die Wärme vom heißeren Gas des Austauschers auf die Trennwand und von dieser wiederum auf die Porenwände des Schaumstoffkörpers im kühleren Gasstrombereich des Wärmeaustauschers übertragen.Die Vielzahl der irregulären Windungen, das heißt,der stark behinderte Strom des Gases durch die Wärmeaustauscher-Schaumkeramikstruktur hindurch, führt weiterhin dazu, daß sich in dem keramischen Schaumstoffkörper ein hochgradig turbulenter Gasstrom ausbildet, der verhindert, daß sich laminarisch statische Gasschichten auf den Porenwänden oder der Trennwand an der
Phasengrenzfläche zwischen dem Gas und den Keramikoberflächen ausbilden bzw., wenn sich solche Belegungen gebildet haben, wieder abgelöst werden. Auch durch diese Wirkung wird der Wärmeübergang verbessert. Zusammengefaßt verbessert also das
keramische Schaumstoffmaterial den Wärmeübergang im Hinblick auf alle drei Wärmeübergangsmoden, nämlich im Hinblick auf die Wärmeleitung-, auf die Wärmekonvektion und auf die Wärmestrahlung.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel für die keramische Struktur der Erfindung ist in der Fig. 3 dargestellt, nämlich ein Trägerteil zum Tragen eines Tellers in einer Ofenkammer. Der in der Fig. 3 gezeigte Keramikkörper besteht aus einer Basis 28 aus keramischem Schaumstoff und einer Oberseite, die komplementär zur Unterseite des zu brennenden Tellers oder anders geformten zu brennenden Teils geformt ist. Dabei wird ein Schrumpfen des Brennguts bei der Ausgestaltung der Konfiguration des Keramikkörpers berücksichtigt. Die nach oben weisende, das Brenngut tragende Oberfläche des Keramikkörpers 28 ist mit einer dünnen keramischen Schicht versehen, die homogen und einstückig mit der Netzstruktur der geschäumten Keramik, die als eigentlicher Kern 28 dient, ausgebildet ist. Eine glatte Oberfläche des Trägers ist dabei insbesondere für schrumpfendes Brenngut erforderlich, um ein Schrumpfgleiten der Oberfläche des Brennguts auf dem Brenngutträger zu erleichtern. Die auf den als Basis der Struktur dienenden keramischen Schaumstoffkörper aufgesinterte dünne keramische Schicht oder Folie 29 erfüllt diese Anforderung. Die bei dieser Anordnung auftretende geringfügige Erhöhung der Wärmekapazität der Basis ist dabei ein durchaus vorteilhafter und wünschenswerter Effekt, da die dadurch verfügbare Wärme zusätzlich und gezielt auf das thermisch zu behandelnde Brenngut zur Einwirkung gebracht werden kann.

Im Hinblick auf die Einsparung von Brennstoffen ist die Fachwelt -ständig bestrebt, die Masse des mit vorgegebener Abmessung und Konfiguration im Inneren der öfen verwendeten Trägermaterials zu verringern. Weiterhin müssen diese Ofeninneneinrichtungsteile zur Verringerung der Brennzykluszeiten in möglichst hohem Maße wärmewechselbeständig sein. Dabei wirkt sich die Verwendung einer geschäumten Keramik besonders

vorteilhaft im Bereich elektronischer Strukturen aus, wo das Verhältnis dieser Trägerstrukturen zu den im Ofen zu brennenden Produkten unverhältnismäßig groß ist. Ofenkammermaterial mit geringer Dichte ist daher überall dort besonders vorteilhaft einsetzbar, wo ein relativ hohes Massenverhältnis des Ofeneinsatzträgermaterials zum Produkt vorliegt. Dabei besteht bei diesen Trägern aus Werkstoffen geringer Dichte stets potentiell die Gefahr des Kriechens unter hoher Belastung und bei hoher Temperatur. Am besten haben sich für diese Einsatzzwecke feinporige Produkte aus Mullit und reinen Aluminiumoxidwerkstoffen bewährt. Dabei ist bei der Verwendung der keramischen Struktur gemäß der Erfindung als Trägerplatte zur Herstellung von Produkten für die elektronische Industrie, wo die keramischen Komponenten noch einen hohen Anteil organischer Bestandteile enthalten, die poröse Struktur des als Trägergestell dienenden keramischen Schaumstoff körpers besonders vorteilhaft, da beim Abbrennen der flüchtigen organischen Bestandteile auf den Berührungsflächen ein geringerer Druck entwickelt wird. Selbstverständlich wird in diesen Fällen die auf der Oberfläche des keramischen Schaumstoffkörpers angebrachte glatte Beschichtung nicht auf der Oberfläche angebracht, die das zu brennende elektronische Werkstück trägt.

In der Fig. 4 ist in schematischer Darstellung ein Teil einer Ofenauskleidung unter Verwendung der keramischen Struktur gemäß der Erfindung gezeigt. Ein keramisches Ahkerelement 30 ist an einer Ofenwand 31 aus Metall befestigt. Auf der Innenseite der Ofenwand 31 ist eine Fasermatte 32 aus feuerfesten Fasern angeordnet. Innerhalb dieser Faserschicht ist eine keramische Verbundstruktur 33 angeordnet, die aus einem keramischen Schaumstoffteil 34 und einer dünnen keramischen Oberflächenschicht 35 besteht. Vorzugsweise besteht die

feuerfeste keramische Verbundstruktur aus zumindest einem geschäumten keramischen Teil zwischen zwei dünnen keramischen Schichten. Insbesondere besteht die Struktur vorzugsweise aus mindestens zwei keramischen Schaumstoffteilen, die durch mehrere, zumindest im wesentlichen prallel zueinander angeordnete dünne dichte Schichtbereiche voneinander getrennt sind. Dabei sind diese keramischen Verbundstrukturen so ausgerichtet, daß die dünnen Schichtbereiche zumindest im wesentlichen senkrecht zum Wärmefluß angeordnet sind. Der Anker greift durch eine in der keramischen Struktur 33 ausgebildete durchgehende öffnung hindurch und ist mit einer Abschlußscheibe 36 auf dem Anker befestigt. Die keramische Verbundstruktur und die feuerfeste Fasermatte können als Moduleinheiten vorfabriziert werden, und zwar in der Weise, daß die feuerfeste Fasermatte beispielsweise unter Zuhilfenahme eines feuerfesten Zements direkt auf eine Oberfläche der keramischen Verbundstruktur aufzementiert ist. Als feuerfester Zement kommt für diese Zwecke insbesondere ein CaIciumaluminatzement in Frage. Die feuerfeste Fasermatte kann auch durch eine andere keramische fasrige feuerfeste Struktur ersetzt sein, beispielsweise durch einen feuerfesten Filz, durch einen feuerfesten Faserblock oder durch einen feuerfesten Faserkarton. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß keramisches fasriges feuerfestes Halbzeug im einsatzfertigen ungebrauchten Zustand fast immer eine gewisse Kompressibilität aufweist.

Eine solche modulare Baugruppe, wie sie in der Fig. 4 gezeigt ist, kann problemlos in einem Ofen eingesetzt werden und erbringt die gleiche hervorragende Wärmeisolierung wie ein feuerfestes Fasermaterial, ist gleichzeitig aber an seiner Oberfläche so erosionsfest, daß keinerlei Schrumpfen auftritt, und zwar.auch nicht bei höherer Temperaturbelastung,

beispielsweise bei Temperaturen um 1650 ⁰C bei der Verwendung einer Oberflächenschicht auf dem geschäumten keramischen Körper aus feuerfestem Aluminiumoxid. Eine solche glatte dichte dünne feste Oberfläche ist mechanisch wesentlich beständiger als das ungeschützte fasrige feuerfeste Material und weist auch nicht den Nachteil auf, relativ stark zu stauben und leicht beschädigt zu werden, wenn Gegenstände über solche Oberflächen streifen. Gerade die Staubbildung und Beschädigung sind bereits nach kurzer Betriebsdauer vor allem bei hohen Temperaturen, die Hauptprobleme fasriger Wärmeisolationen in öfen. Vor allem tritt in den fasrigen Werkstoffen eine Versprödung durch Sintereffekte und Rekristallisationseffekte auf. Zudem verliert das fasrige keramische feuerfeste Material bereits nach kurzer Standzeit rasch seine Kompressibilität.

In der Ofenindustrie besteht daher seit langem ein Bedarf nach einem speziell guten Isolatorwerkstoff geringer Dichte, der steif, nicht bröselnd, korrosionsbeständig und erosionsbeständig ist und auch bei höheren Betriebstemperaturen nicht schwindet. Dieser legt die Verwendung' keramischer Schaumstoffe als Ofenauskleidungsmaterial zwingend nahe. Dabei werden jedoch die durch feuerfeste fasrige Ofenauskleidungen erzielbaren Effekte erst durch die gemeinsame und kombinierte Verwendung des keramischen Schaumstoffmaterials in Verbindung mit fasrigen Isolationsstoffen zu einer technischen Vollendung und Reife geführt, die der der Verwendung bloßen geschäumten keramischen Materials als Ofeninnenauskleidung weit überlegen ist. Dabei werden keramische Tafeln, die zu diesem Zweck eingesetzt werden sollen, vorzugsweise aus Mullit hergestellt und weisen eine lineare Porendichte im Bereich von 18 bis 39 cm auf. Die Oberflächen dieser keramischen Schaumstoffkörper sind dabei durch Aufbringen einer absolut dichten Ober-

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flächenschicht versiegelt. Dabei sind bei diesem Strukturaufbau die angestrebten Eigenschaften, wie insbesondere eine gute Wärmewechselbeständigkeit, geringe Wärmeleitfähigkeit, minimale Wärmespeicherkapazität in Verbindung mit leichter Handhabung der Strukturen unangetastet, während die mit den fasrigen Isolationen verbundenen Probleme, nämlich die Brösligkeit, das Stauben, Erosionsanfälligkeit und die Korrosionsanfälligkeit sowie das Schrumpfen durch Entglasen und Sintern zumindest im wesentlichen behoben werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt liegt darin, daß diese Tafeln eine mechanische Druckfestigkeit aufweisen, so daß auch Brennerblöcke selbst dann von diesem Material gehaltert und getragen werden können, wenn dessen Vorderseite heiß ist. Dies ist dann von Bedeutung, wenn eine gemauerte Ofenkammer nachträglich mit einer fasrigen Isolation versehen wird. Dieses Material kann aus Hochleistungsoxiden wie beispielsweise 98 %igem Aluminiumoxid oder aus Zirconoxid, hergestellt werden, Werkstoffen also, die sich nur unter Schwierigkeiten und mit großem Kostenaufwand zu Fasermaterial verarbeiten lassen.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der keramischen Struktur gemäß der Erfindung weist die keramische Verbundstruktur einen keramischen Schaumstoffkörper auf, der aus mehreren keramischen Schaumstoffschichten mit unterschiedlicher Porengröße besteht. Eine solche keramische Struktur kann beispielsweise im oberflächennahen Bereich eine sehr feine Porenstruktur und in dem unterhalb des Oberflächenbereiches liegenden Bereich eine yröbere Porenstruktur aufweisen.

In der Fig. 5 ist ein Teil einer keramischen Verbundstruktur 40 gezeigt, die einen geschäumten keramischen Kern mit linearen Porendichten im Bereich von 3 bis 18 cm und ebenfalls geschäumte keramische Oberflächenschichten 42 mit einer linearen

_1 Porendichte im Bereich von 12 bis 40 cm aufweist. Die dünnen feinporigen Schichten 42 werden vor dem Aufbringen auf den Kernkörper als ledriges Schichtmaterial hergestellt und anschließend auf die Oberfläche des Kernmaterials aufgebracht, nachdem diese mit einer entsprechenden keramischen Trübe besprüht worden ist und diese Sprühschicht zumindest ledrig dispastös angetrocknet ist.

In der Fig. 6 schließlich ist als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine keramische Verbundstruktur 50 gezeigt, die aus einem feinporigen keramischen Schaumstoffteil 51, einem grobporigen keramischen Schaumstoffteil 53 und zwischen beiden Schaumstoffkörpern einer dünnen dichten keramischen Schicht 52 besteht. Die Porengröße, ausgedrückt durch die lineare Porendichte, beträgt für die gröbere Porenstruktur 53 3 bis 18 cm und für die feinporige Struktur 51 13 bis 39 cm . Eine solche keramische Verbundstruktur wird vorzugsweise zur Herstellung von Ofenborden eingesetzt und ist zu diesem Zweck mit einer dünnen keramischen dichten Oberflächenschicht ausgerüstet, die dem zu tragenden Brenngut entsprechend ausgelegt ist. Im Bereich der Fertigung elektronischer Bauelemente sind die elektronischen Schaltkomponenten im allgemeinen überaus empfindlich gegen Veränderungen ihrer chemischen Zusammensetzung. Insbesondere beim Brennen solcher elektronischen Komponenten können schädliche Wechselwirkungen zwischen dem Brenngut und der Oberfläche der das Brenngut während des Brennvorganges tragenden Gestelle auftreten. So konnte beispielsweise Bismuttitanat auf der in Fig. 6 gezeigten Verbundstruktur dadurch gesintert werden, daß die dünne keramische Oberflächenschicht 52 aus einem Bismut enthaltenden Werkstoff hergestellt wurde, wodurch die Konzentration des flüchtigen Bismut in den vom Brennen auf die Oberfläche 52 der in Fig. 6 gezeigten Verbundstruktur aufgelegten Bismuttitanate konstant gehalten werden.

Eine keramische Verbundstruktur der im Zusammenhang mit den Figuren beschriebenen Art kann wie folgt hergestellt werden: Ein offenzelliger poröser organischer Werkstoff, beispielsweise ein Polyurethanschaum, wird zur Herstellung eines keramischen Schaumstoffs in eine Trübe aus einem feinzerteilten keramischen Pulver, beispielsweise MullLtpulver, untergetaucht, die zusätzlich ein Bindemittel enthält. Dabei werden die Porenwände des organischen Schaumstoffkörpers von der Trübe benetzt und beschichtet. Die überschüssige Trübe wird entfernt. Das auf diese Weise mit der Keramiktrübe beschichtete organische Schaumstoffmaterial wird anschließend gebrannt, wobei der organische Werkstoff ausbrennt und die feinzerteilten Keramikteilchen unter Bildung fester keramischer Sinterbindungen zu einer festen Sinterstruktur verbunden werden. Die Keramik stellt also eine getreue Replik der Poren des organischen Schaumstoffs dar. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Keramikpulvertrübe mit einem Hochtemperaturbindemittel versetzt, beispielsweise einem Phosphat. Nach dem Eintauchen in die Trübe wird der die keramische Porenwandbeschichtung aufweisende Schaumstoffkörper nur gerade bei einer solchen Temperatur und solange gebrannt, daß das organische Material zwar ausbrennt, die Sinterteilchen jedoch noch nicht unter Ausbildung fester sinterkeramischer Bindungen aneinandergeknüpft werden.

Die dünne keramische dichte Schicht wird wie folgt hergestell¹: Zunächst wird eine Trübe aus Keramikpulver hergestellt, die die gleiche oder zumindest doch eine kompatible chemische Zusammensetzung wie die Trübe aufweist, die zur Herstellung des keramischen Schaumstoffkörpers verwendet worden ist. Geeignete Werkstoffe sind Pulver, die Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Lithiumoxid, Zirconoxid, Zirconiumsilicat

oder Titandioxid enthalten oder aus diesen Substanzen bestehen. Sie werden einer entsprechenden flüssigen Phase zugesetzt und mit hoher Schergeschwindigkeit untergemischt.Zu dieser Trübe können pulvrige oberflächenaktive Substanzen, organische Bindemittel, wie beispielsweise Polyvinylalkohol, Hydrodyn ^VEy , Glycerin, oder Na tr xumhexame ter phosphat und andere gegeben und dispergiert werden. Die so hergestellte Trübe, die eine Feststoffkonzentration von 40 bis 80 Gew.-% aufweisen kann, wird anschließend im Vakuum entlüftet. Die entlüftete Gießmasse wird dann mit einem Spachtel oder Ziehmesser auf einer vorzugsweise auf 25 bis 80 ⁰C vorgewärmten Glasplatte ausgestrichen. Zum leichteren Trennen des auf der Glasplatte auf diese Weise ausgebildeten keramischen Schichtmaterials wird die Oberfläche der Glasplatte vor dem Aufbringen der keramischen Gießmasse vorzugsweise mit einem Trennmittel beschichtet, beispielsweise einer 0,5 Gew.-%igen Lecithinlösung in 1,1,1-Trichlorethan. Dieses keramische Flächenmaterial kann auch durch kontinuierliches Gießen in einem kontinuierlichen Verfahren hergestellt werden.

Das so gegossene keramische Flächenmaterial wird mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 2 bis 12 % von der Gießplatte abgenommen. Nach dem Zuschneiden wird das Flächenmaterial unter klimatisierten Bedingungen bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von mindestens 80 % gelagert.

Das keramische Flächenmaterial wird dann auf die porige Oberfläche des keramischen Schaumstoffkörpers aufgelegt, nachdem diese Oberfläche zunächst durch Sprühen mit einem dünnen Überzug einer keramischen Trübe versehen wird, die die gleiche oder zumindest eine kompatible chemische Zusammensetzung aufweist wie die Trübe, aus der sowohl das keramische Flächenmaterial als auch zumindest die Oberfläche des keramischen

Schaumstoffkörpers hergestellt sind. Dabei wird diese Beschichtung jedoch nicht in der Weise aufgetragen, daß die an der Oberfläche offenen Poren der Schaumstoffstruktur verschlossen werden. Nach dem entsprechenden Besprühen der Oberfläche des Schaumstoffkörpers wird das dünne keramische Flächenmaterial auf die porige Oberfläche des keramischen Schaumstoffkörpers aufgebracht. Die Struktur wird anschließend getrocknet. Nach dem Trocknen wird die Verbundstruktur so gebrannt, daß zwischen der Oberflächenschicht und den Porenzwischenwänden des Schaumstoffkörpers feste Sinterbindungen entstehen.

Im folgenden sind die physikalischen Eigenschaften einer Reihe solcher keramischen Schaumstoffkörper nach dem sinternden

Brennen wiedergegeben.

Tabelle I

Lithiumaluininosilicat

Höchste Betriebstemperatur Wärmewechselbeständigkeit Wärmeausdehnungskoeffizient

1250 ⁰C

ausgezeichnet 0,38 χ 10~⁶ cm/cm/^?C

Porengrößenabhängige Kenndaten

Poren/cm :	4	,52	8	12
Querfestigkeit (N/mm²):	0	,55	0,86	1,31
Druckfestigkeit (N/mm²):	0		0,69	1,03
Dichte (g/cm³):			0,36	0,34
Porosität (%):		82,0	83,0

Tabelle II

Mullit

Höchste Betriebstemperatur 1650 ⁰C

Wärmewechselbeständigkeit gut

Wärmeausdehnungskoeffizient 4,90 χ 10 cm/cm/°C

Kriechrate 0,15 % h~¹ bei

34 kPA Last und 1500 ⁰C; 4 Poren/cm

Porengroßenabhangige Kenndaten

Poren/cm:

Querfestigkeit (N/mm²): Druckfestigkeit (N/mm²) Porengröße (mm): Ge^üstwandstärke (mm): Dichte (g/cm³): Porosität (%):

4	,4	8	,0	1	2
1	,6	23	,7		-
1	,186	30	,746		-
1	,674	0	,481	0	,614
0	,455	0	,474	0	,283
0	,31	0	,73	0	,448
78	76	81	,15

Tabelle III

.Zirkoniumoxid (partiell stabilisiert)

Höchste Betriebstemperatur Wärmewechselbeständigkeit Wärmeausdehnungskoeffizient Kriechrate

1800 ⁰C

ausgezeichnet

7,80 χ 10"⁶ cm/cm/°C

0,25 % h"¹ bei 0,24 MPa Last und 1500 ⁰C; 4 Poren/cm

Porengrößenabhängige Kenndaten

Poren/cm:	4	8
Querfestigkeit (N/mm²):	2,2	3,4
Druckfestigkeit (N/mm²):	2,5	2,0
Porengröße (mm):	1,407	0,835
Gerüstwandstärke (mm):	0,456	0,352
Dichte (g/cm³):	0,939	1,178
Porosität (%):	80,67	77,19

Tabelle IV

98 % Aluminiumoxid

Höchste Betriebstemperatur 1750 ⁰C

Wärmewechselbeständigkeit recht gut

Wärmeausdehnungskoeffizient 8,85 χ 10 cm/cm/°C

Porengrößenabhängige Kenndaten

Poren/cm:	4	8	12
Querfestigkeit (N/mm²):	1,5	3,3	2,9
Druckfestigkeit (N/mm²):	2,2	2,8	—
Porengröße (mm):	1,305	0,825	0,673
Gerüstwandstärke (mm):	0,578	0,335	0,318
"~ichte (g/cm³) :	0,446	0,493	0,685
Porosität (%):	80,88	78,35	70,49

Tabelle V

90 % Aluminiumoxid

Höchste Betriebstemperatur 1700 ⁰C

Wärmewechselbeständigkeit 9^ut

— 6 Wärmeausdehnungskoeffizient 6,52 χ 10 cm/cm/⁰C

Kriechrate 0,15 % h bei

0,24 MPa Last und 1500 ⁰C; 4 Poren/cm

Porengroßenabhängige Kenndaten

Poren/cm:

Querfestigkeit (N/mm²): Druckfestigkeit (N/mm²) Porengröße (mm): Gerüstwandstärke (mm): Dichte (g/cm³): Porosität (%):

4	79	8	,99	12	625
0,	2	0	,1	-	304
1,	516	1	,810	-	504
1,	606	0	,331	o,	39
o,	435	0	,442	o,
o,	83	0	,83	o,
79,	78	75,

3b

Die Oberflächenbeschichtungen können nach verschiedenen Verfahren aufgebracht werden, beispielsweise durch Spachteln, mit einem Ziehmesser, durch Bürsten, Sprühen oder mit einem Spatel direkt auf die grünen Formlinge. Das Beschichten durch Sprühen kann dabei für keramische Schaumstoffkörper mit einer linearen Porendichte im Bereich von 26 bis 30 cm verwendet werden.

Im folgenden ist die Formulierung für einen Ansatz mit einer Masse von 2000 g einer zum Aufsprühen geeigneten Trübe mit 98 % reinem Aluminiumoxid angegeben:

Aluminiumoxid 1960 g

Siliciumdioxid 100 g

Organisches Bindemittel 200 g

Tensid 5 ml

H₂O 1000 ml

Die Werkstoffe werden mit hoher Schergeschwxndxgkeit gemischt, bis sich eine cremige Masse bildet, in der dann die erforderliche Viskosität eingestellt werden kann. Durch den Tensidzusatz wird die Bildung einer stabilen Dispersion des ]- iramischen Pulvers in der flüssigen Phase erleichtert.

In der zum Sprühen geeigneten Trübe wird die dynamische Viskosität auf Werte im Bereich von 250 bis 1500 mPa-s, vorzugsweise auf 500 mPa-s eingestellt. Diese Trübe wird mit einem Druck von 4,8 bar in mehreren Arbeitsgängen auf die Oberfläche des Schaumstoffkörpers aufgesprüht, wobei zunächst mit einem Sprühabstand von 51 mm begonnen und das Ausfprühen im letzten Arbeitsgang mit einem Sprühabstand von 102 mm

beendet wird. Die so aufgesprühte Oberfläche kann dann mit einer weichen Bürste oder einem weichen Schwamm, beispielsweise einem Schaumstoff mit einer linearen Porendichte von 26 cm gemischt werden, um die GIe
gestellten Oberfläche zu verbessern

26 cm gemischt werden, um die Gleichmäßigkeit der so her-

Die im Einzelfall erforderliche Viskosität der zum Versprühen eingesetzten Trübe hängt von der Zusammensetzung des keramischen Materials ab. So kann beispielsweise für ein partiell mit Magnesiumoxid stabilisiertes System auf Zirconiumoxidbasis eine dynamische Viskosität im Bereich von 1000 bis 6000 mPa*s, vorzugsweise 4000 mPa»s, eingestellt werden. In einem Mullitsystem wird dagegen in der zum Versprühen hergestellten Trübe eine dynamische Viskosität von 250 bis 4000 mPa-s, vorzugsweise von 1500 mPa-s eingestellt.

Zum Aufstreichen geeignete Beschichtungsmassen werden vorzugsweise mit einem Ziehmesser oder einem Spatel auf die Schaumstoff oberfläche aufgestrichen, wobei diese Massen für Schaumstoffe praktisch aller Porengrößen einsetzbar sind. Eine typische Formulierung für einen 2000 g-Ansatz einer Beschichtungsmasse auf Alumxniumoxidbasis ist im folgenden wiedergegeben :

Alumin iumoxid 1960g

Siliciumdioxid 100 g

Organisches Bindemittel 200 g

Ten s id 5 ml

H₂O 750 ml

Auch bei diesem Verfahren des Aufbringens der Beschichtungsmasse durch Aufstreichen ist die Viskosität der Beschichtungs-

masse wiederum von der chemischen Zusammensetzung der Masse abhängig. Die dynamische Viskosität einer streichfähigen Beschichtungsmasse liegt für diesen Zweck beispielsweise im Bereich von 20000 bis 30000 mPa-s, vorzugsweise bei 25000 mPa-s für die vorstehend genannte Zusammensetzung. Eine entsprechende Masse auf Mullitbasis hat vorzugsweise eine dynamische Viskosität von 22000 mPa-s. Ein partiell mit Magnesiumoxid stabilisiertes Zirconiumoxidsystem hat eine dynamische Viskosität von 15000 bis 40000 mPa«s, vorzugsweise von 25000 bis 30000 mPa-s.

Die Schlickerbeschichtung wird vorzugsweise in der Art aufgebracht, daß die Teile auf einem Förderband mit geregelter Geschwindigkeit transportiert und unter einer steifen Gummifahne hindurchgeführt werden. Der Abstand zwischen der Unterkante der Gummifahne und der Oberfläche der zu beschichtenden Teile ist exakt einstellbar. Die Streichmasse bzw. der Streichschlicker werden so gleichmäßig wie möglich vor der Gummifahne aufgebracht, die die Oberfläche der keramischen Schaumstoffteile gleichmäßig beschichtet, wenn diese unter der Gummifahne durchlaufen. Anschließend werden die so beschichteten Schaumstoffteile bei 6 0 ⁰C in einem Heißlufttrockner getrocknet. Die Verweilzeit im Heißlufttrockner ist dabei . eine Funktion der Abmessungen der zu trocknenden Formkörper.

Nach dem Trocknen werden die beschichteten Keramikkörper gesintert, und zwar bei einer Temperatur und mit einer Verweilzeit, die durch die Art der Werkstoffe bestimmt werden. Diese Temperaturen und Temperzeiten sind dem mit keramischen Verfahren vertrauten Fachmann ohne weiteres geläufig.

Die Porengröße, die Porenwandstärke und die Beschichtungsäicken der beschichteten Keramikkörper können beispielsweise

unter Verwendung von binokularen Zoommikroskopen mit Meßteilung bestimmt werden. In der folgenden Tabelle sind auf diese Weise bestimmte typische Kenndaten für beschichtete Keramikkörper gemäß der Erfindung zusammengestellt:

Poren/cm: 4 8 12 26 26 39 39

Art der Beschichtung: Streichen Streichen Streichen Sprühen Streichen Sprühen Streichen

Dicke der Beschich- 2,36 2,31 1,40 1,40 0,625 0,53 0,45

tung (mm)

Porengröße (mm)	1	,3	0	,76	0	,6	0	,28	0	,35	0	,23	0	,25
Gerüstwandstärke (mm)	0	,66	0	,40	0	,36	0	,07	0	,07	0	,07	0	,05
Dickenverhältnis Beschichtung/Poren wand	3	,6	5	,6	3	,9	5	,3	8	,3	7		9

Die aus 90 und 98 % reinem Aluminiumoxid, Mullit und stabilisiertem Zirconiumoxid bestehenden beschichteten keramischen Schaumstoffkörper der hier beschriebenen Art können zur Filtration geschmolzener Metalle, als korrosionsfeste Katalysatorträger, spezifisch leichtes Isolationsmaterial, als Brenngutträger mit geringer Masse und als feuerfeste Spezialkörper eingesetzt werden. Insbesondere sind die mit Lithiumaluminosilicaten beschichteten keramischen Schaumstoffkörper wertvolle Katalysatorträger und Filterfallen zum Reinigen von Benzin, Diesel und Abgasen von mit Holz befeuerten Heizungen wie beispielsweise Hausbrandkaminen.

L ο e r s ο i t e

Claims

JABGBR &: PARl¹NBR

13. November 1984

Jeffrey Rogers Morris MOR-1

R.D. #1 Jae/zi Scio, New York 14480 USA

Keramische Struktur und Verfahren zu ihrer Herstellung

Patentansprüche

1. Keramische Struktur,

gekennzeichnet durch

a) einen keramischen Schaumstoffteil mit netzartiger Gerüststruktur; und

b) einer keramischen Schicht oder Beschichtung, die mit einer Oberfläche auf die Gerüstsubstanz des Schaumstoffkörpers aufgesintert ist, wobei das Verhältnis der Dicken der Schicht oder Beschichtung zur mittleren

3U1622

Dicke der Gerüstwände kleiner als 10 ist.

2. Keramische Struktur,
gekennzeichnet durch

a) einen keramischen Schaumstoffteil mit einem Stützgerüst und

b) einer keramischen Schicht, die mit einer ihrer Oberflächen auf das keramische Gerüst aufgesintert ist, wobei die Dicke des Schichtteils kleiner als die mittlere Dicke der Gerüstwandstärke ist.

3. Keramische Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die mittlere Dicke der Gerüstwände kleiner als ungefähr 1 mm ist.

4. Keramische Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Schichtteils kleiner als ungefähr 0,5 mm ist.

5. Verfahren zur Herstellung einer keramischen Struktur, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensstufen:

a) Herstellen eines keramischen Schaumkörpers;

b) Herstellen eines ledrig-pastös getrockneten keramischen Schichtmaterials;

c) Aufbringen einer keramischen Trübe oder Schlickermasse auf die Oberfläche des keramischen Schaumstoffkörpers, ohne dabei die an der Oberfläche des Schaumstoff körpers offenen Poren zu füllen, und anschließendes Auflegen des keramischen Flächenmaterials auf die Oberflächenbereiche des keramischen Schaumkörpers, auf die zuvor die keramische Trübe aufgetragen worden ist; und

d) Brennen der Verbundstruktur.

6. Verfahren zur Herstellung einer keramischen Struktur gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensstufen:

a) Herstellen eines keramischen Schaumstoffs mit einer Gerüststruktur, die von einer kontinuierlichen Porenphase durchsetzt ist;

b) Herstellen eines ledrig angetrockneten keramischen Schichtmaterials mit einer Schichtdicke, die kleiner als die mittlere Wandstärke des Stützgerüstes ist;

c) Auftragen einer keramischen Trübe auf die an der Oberfläche des Schaumstoffkörpers freiliegenden Bereiche des Stützgerüstes, ohne dabei die an der Oberfläche des Schaumstoffkörpers freiliegenden Poren zu füllen, und Auflegen des ledrigen keramischen Schichtmaterials auf die an der Oberfläche des Schaumstoffkör.pers freiliegenden Bereiche des Stützgerüstes, die zuvor mit der keramischen Trübe behandelt worden sind; und

d) Trocknen und Brennen der Verbundstruktur unter Bildung einer sinterkeramischen Verbundstruktur.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Trübe aus einem feinzerteilten keramischen Material hergestellt wird und das ledrig getrocknete keramische Flächenmaterial aus einem Werkstoff hergestellt wird, der zumindest zum größeren Teil aus dem gleichen keramischen Werkstoff wie die Trübe besteht.

8. Keramischer Filter für geschmolzene Metalle, gekennzeichnet durch

einen keramischen Schaumstoffteil aus einem dünnwandigen keramischen Stützgerüst und einem keramischen, den Schaumstoff teil umhüllenden dichten flächigen Teil, der zumindest im wesentlichen senkrecht zur Flußrichtung durch den Filter ausgerichtet und mit dem Stützgerüst des Schaumstoff körpers versintert ist.

9. Keramischer Wärmeaustauscher, gekennzeichnet durch

zwei keramische Schaumstoffkörper mit einem dünnwandigen keramischen Stützgerüst und einem keramischen dichten Schichtteil zwischen den beiden keramischen Schaumstoffkörpern, der mit beiden Schaumstoffkörpern integral versintert ist, und Mitteln zur direkten Leitung eines Stroms des heißen Austauscherfluids durch die keramische Schaumstoffstruktur auf einer Seite der keramischen Trennwand scwie Mitteln zum direkten Leiten eines Stroms des kälteren Austauscherfluids durch die keramische Schaumstruktur auf der anderen Seite der keramischen Trennwand.

10. Keramischer Brenngutträger für Brennöfen, gekennzeichnet durch

einen keramischen geschäumten Basiskörper aus einer dünnwandigen Gerüststruktur mit einer dem zu tragenden Brenn-

gut angepaßt ausgestalteten Oberfläche und einem keramischen Schichtteil, der dem Verlauf dieser Oberfläche entsprechend, an dieser Oberfläche auf das Stützgerüst aufgesintert ist.

11. Keramik nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,

daß das Schichtteil eine Dicke aufweist, die kleiner als die mittlere Dicke der Wände der Gerüststruktur ist.

12. Keramik nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet,

daß die mittlere Dicke der Wände der Stützstruktur kleiner

als ungefähr 1 mm ist.

13. Keramik nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Schichtteil eine Dicke von kleiner als 0,5 mm hat.

14. Keramische Struktur,
gekennzeichnet durch,

mindestens zwei keramische Schaumstoffteile mit jeweils einer dünnwandigen Gerüststruktur, von denen eines eine feinere Porenstruktur als das andere Schaumstoffteil hat und ein keramisches Schichtteil, das auf das Stützgerüst des feinerporigen Schumstoffteils aufgesintert ist, und zwar auf einer von einer Seite des Schaumstoffkörpers definierten Oberfläche, wobei das Schichtteil eine Dicke hat, die kleiner als die mittlere Wandstärke des Stützgerüsts. des feinerporigen Schaumstoffteils ist.

15. Keramischer Brenngutträger für Brennofen, gekennzeichnet durch

einen keramischen Schaumstoff-Basiskörper aus einem dünn-

wandigen keramischen Schaumstoffgerüst mit einer Oberfläche, die dem Oberflächenverlauf des zu tragenden und zu stützenden Brennguts im Auflagebereich angepasst ist, wobei das Schaumstoffteil aus zwei Schichten besteht, von denen eine feinerporig als die andere ist und die feinerporige Schicht des Schaumstoffkörpers auf der Seite der komplementär ausgeformten tragenden Oberfläche des Schaumstoffkörpers angeordnet ist, und einem keramischen Schichtteil oder Beschichtungsteil, das dem Verlauf der das Brenngut tragenden und komplementär ausgeformeten Oberfläche des Schaumstoffkörpers angepaßt und auf diese Oberfläche aufgesintert ist.

16. Keramische Ofenauskleidung, gekennzeichnet durch

eine steife keramische Struktur aus einem keramischen Schaumstoffteil aus einer dünnwandigen keramischen Stützstruktur und einem keramischen Schichtteil, das auf das Stützgerüst des Schaumstoffteils auf einer der Hauptoberflächen des Schaumstoffteils aufgesintert ist, wobei die Dicke des Schichtabschnitts kleiner ist als die mittlere Dicke der Wände des Stützgerüsts, und ein geringfügig komprimierbares feuerfestes keramisches Fasermaterial, das mit einem feuerfesten Zement auf dem keramischen Schaumstoff teil festgebunden ist.

17. Keramische Ofenauskleidung, gekennzeichnet durch

eine steife keramische Struktur mit mindestens einem keramischen Schaumstoffteil aus einem dünnwandigen keramischen Stützgerüst und mit mindestens zwei zueinander parallelen keramischen Flächenbereichen, die auf das keramische Stützgerüst unter Bildung von Oberflächen des

keramischen Schaumstoffkörpers auf diesen aufgesintert sind, wobei die Flächenbereiche eine Dicke haben, die kleiner ist als die mittlere Dicke der Wandstärke der Stützgerüste der Schaumstoffkörper, und wobei die Schichtbereiche zumindest im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Wärmeflusses durch die Auskleidungsstruktur ausgerichtet sind.

18. Keramische Struktur,
gekennzeichnet durch

a) einen keramischen Schaumstoffteil, der ein dünnwandiges keramisches Stützgerüst aufweist und eine lineare Porendichte im Bereich von 2 bis 50 Poren/cm hat und

b) einen keramischen Beschichtungsteil, der auf das Stützgerüst im Verlauf einer Oberfläche aufgesintert ist, die durch eine Seite des Beschichtungsteils definiert ist, wobei der Beschichtungsteil eine Dicke von kleiner als ungefähr 3 mm aufweist und das mittlere Dickenverhältnis der Wandstärke des Stützgerüsts zur Dicke des Beschichtungsteils im Bereich von 1 bis 10 liegt.

19. Verfahren zur Herstellung einer keramischen Struktur, gekennzeichnet durch

die folgenden Verfahrensstufen:

a) Herstellen eines keramischen Schaumstoffkörpers mit

einem dünnwandigen keramischen Stützgerüst und einer

-1 linearen Porendichte im Bereich von 50 bis 26 cm ;

b) Aufsprühen einer keramischen Trübe auf zumindest eine Oberfläche des keramischen Schaumstoffteils unter Bildung

einer Beschichtung mit einer Dicke von kleiner als ungefähr 0,5 mm; und

c) Brennen der so erhaltenen Verbundstruktur.

20. Verfahren nach Anspruch 19,

dadurch gekennzeichnet,

daß die keramische Trübe eine dynamische Viskosität im Bereich von 250 bis 6000 mPa-s aufweist und die Dicke der

Beschichtung im Bereich von ungefähr 0,25 bis 0,5 mm liegt.

21. Verfahren zur Herstellung einer keramischen Struktur, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensstufen:

a) Herstellen eines keramischen Schaumstoffkörpers mit einem dünnwandigen Stützgerüst und einer linearen Porendichte im Bereich von ungefähr 50 bis ungefähr 2 cm"¹;

b) Aufspachteln einer keramischen Schlickermasse auf mindestens eine Oberfläche des Schaurastoffkörpers unter Bildung einer Beschichtung mit einer Dicke von kleiner als 3 mm; und

c) Brennen der so hergestellten Verbundstruktur.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennze ichnet,

daß die keramische Schlickermasse eine dynamische Viskosität zwischen 15000 und 40000 mPa-s hat und daß die Beschichtung eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 3 mm aufweist.