Praxisstunde „Herstellungsverfahren elektrokeramischer Bauteile“ 21.11.2011 im Rahmen der Vorlesung „SPIDS: Systematische Produktentwicklung in der Sensorik“

4. Herstellungsverfahren elektrokeramischer Bauteile Labor Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (IWE)

4.1 Pulverherstellung von Keramiken: Vom Pulver zur Paste 4.2 Pulvercharakterisierung 4.3 Pastenherstellung 4.4 Folienziehen 4.5 Siebdrucktechnik 4.6 Multilayertechnik 4.7 Sintern

 REM

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4.1 Pulverherstellung von Keramiken Mixed-Oxide-Verfahren Bsp.: SrCO3, Fe2O3, TiO2

Ausgangsmaterialien :  Bestimmung der Partikelgrößen

Pulveransatz :  Einwiegen der Pulver

SrCO3, Fe2O3, TiO2 (Basis: Reaktionsgleichung, s. u.)

 Zugabe eines Lösungsmittels (Bsp.: Cyclohexan), Überführung der Ausgangsstoffe in Achatbecher mit Achatkugeln (Mahlkugeln)

 Mischen der Ausgangspulver in der Planetenkugelmühle (homogenes Vermischen)

Dekantieren des Lösungsmittels :  Nach dem homogenen Mischen wird

das überstehende Lösungsmittel ab- gegossen (dekantiert)

 Trocknen des feuchten Pulver- ansatzes im Trockenschrank

Trennung von Mahlkugeln und Pulver  Bestimmung der Partikelgrößen

Kalzinieren  Solid-State-Reaktion im Kammer-

bzw. Muffelofen SrCO3+TiO2+Fe2O3Sr(Ti,Fe)O3+CO2

Aufmahlen  Kalziniertes Pulver ist zu grob

 Aufmahlen in der Planetenkugelmühle und auf der Rollenbank

Pulvercharakterisierung  Bestimmung der Partikelgrößen-

verteilung (Laserbeugung)  XRD (Pulverdiffraktometrie)

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4.2 Pulvercharakterisierung 4.2.1 Bestimmung der Partikelgrößenverteilung 4.2.1.1 Verfahren :

 Siebung / Sichtung  Sedimentation  Lichtbeugungsverfahren / Lichtstreuung  Mikroskopie

4.2.1.2 Funktionsprinzip Lichtbeugung

Trifft eine Lichtwelle auf eine (kugelförmige) Partikel, so wird die Lichtwelle in alle Raumrichtungen gestreut bzw. gebeugt. Die Intensität des Streulichtes ist dabei eine Funktion der verwendeten Wellenlänge und des Partikeldurchmessers d. Die Partikelgröße bestimmt die Streulichtintensität, so daß sich 3 Bereiche unterscheiden lassen:

 Bereich der Rayleigh-Streuung (d < 20 nm) :   d / 

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destilliertes Wasser verwendet, dem als Dispergiermittel Natriumpolysulfat zugegeben wird. Die Suspension aus den zu messenden Partikeln, dest. Wasser und Dispergiermittel wird in das Ultraschallgefäß gegeben. Die Ultraschallbehandlung dient zur Desagglomeration. Aus diesem Gefäß wird die Suspension in einem geschlossenen Kreislauf durch die Meßküvette/-zelle gepumpt. Die Küvette wird vom Laser durchstrahlt. Die Dosierung der Suspension erfolgt über die Verdunklungsrate, d. h. über die vom Detektor (Photodiodenarray) gemessene Lichtintensität. In der Brennebene des Linsensystems erfolgt mittels eines Photodiodenarrays die Messung der Intensität des von der Partikelgröße abhängigen spezifischen Beugungsbildes. Aus diesem kann die relative Menge der Partikeln in verschiedenen Größenklassen über die Fraunhofer-Beugung berechnet werden. Als Meßkurven erhält man die Auftragung der Durchgangskurve und der Verteilungsdichte über der Partikelgröße.

Die folgenden Bilder zeigen Beispiele für eine monomodale Partikelgrößenverteilung (oben) und eine bimodale Partikelgrößenverteilung (unten).

0.05 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20 50 100 200 500 1000 Durchmesser / µm

0

20

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t.) D

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% *

4

VolumenTeilchengrößenverteilung

04.12.2000 IWE

D-76133 Karlsruhe CILAS 1064

Sylvia

Probe Datei:

Sr(Fe0.35Ti0.65)O3 01204011.mes

0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20 50 100 200 500 1000 2 5 10000 Durchmesser / µm

0

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40

60

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2

VolumenTeilchengrößenverteilung

04.12.2000 IWE

Karlsruhe CILAS 1064

tk

Probe

test

Abbildung 2 : Monomodale Partikelgrößenverteilung (oben) und bimodale Partikelgrößen-

verteilung (unten). [3]

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4.2.2 Pulverdiffraktometrie [4] Zur Qualitätskontrolle wird das Pulver mittels Röntgendiffraktometrie auf Einphasigkeit bzw. seine qualitative und quantitative Phasenzusammensetzung untersucht.

4.2.2.1 Funktionsprinzip

Treffen Röntgenstrahlen der Wellenlänge  �unter dem Winkel  auf einen Kristall auf, so werden sie an dessen Gitterebenen im Abstand d abgebeugt. Der abgebeugte Strahl 1. Ordnung tritt mit dem Winkel � aus, wenn die Bragg’sche Bedingung erfüllte ist (s. Abb. 3).

Abbildung 3: Meßprinzip nach Bragg-Brentano (Beugung von Röntgenstrahlen

an den Netzebenen eines Kristalls)

Abbildung 4: Netzebenen

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Abbildung 5: Erzeugung von Röntgenstrahlen

4.2.2.2 Meßanordnung

 /  - Goniometer / 2 - Goniometer

Abbildung 6: Meßanordnung

4.2.2.3 Beispielmessung

Abbildung 7: Pulver-Röntgendiffraktogramm: Sr(Ti,Fe)O3

Operations: Background 1.000,1.000 | Import SFT 3 Siem - File: SFT_3_Siem.RAW - Type: PSD fast-scan - Start: 20.000 ° - End: 80.109 ° - Step: 0.014 ° - Step time: 3. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 2 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Phi: 0.00 ° - Aux1:

Li n

(C ou

nt s)

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

100000

110000

120000

130000

2-Theta - Scale 20 30 40 50 60 70 80

In te

ns itä

t / c

ts

2 / °

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4.2.3 REM Die Rasterelektronenmikroskopie ist ein vielseitiges Verfahren für morphologische und analytische Untersuchungen von Oberflächen. Aufgrund der erheblich höheren Auflösung gegenüber der Lichtmikroskopie ist dieses Gerät heute für eine Reihe von Standarduntersuchungen unerlässlich geworden. Auch die immer weiter fortschreitende Miniaturisierung elektronischer Bauelemente wäre ohne die Rasterelektronenmikroskopie wohl kaum möglich. Sie erlaubt die Abbildung sowohl von glatten als auch dank der großen Tiefenschärfe, von sehr rauen Oberflächen. Die morphologischen Bilder sind aufgrund des dreidimensionalen Eindrucks leicht zu interpretieren.

4.2.2.1 Funktionsprinzip

Die Funktionsweise eines REM lässt sich vereinfacht wie folgt beschreiben: Ein feiner Elektronenstrahl wird mit Hilfe eines geeigneten Systems erzeugt. Mit einem elektromagnetisch-optischen Aufbau wird dieser gebündelt und in einem Raster Punkt für Punkt über das Präparat geführt. Wechselwirkungen der auftreffenden Elektronen mit dem Objekt lösen verschiedene Signale aus. Diese werden mit geeigneten Detektoren empfangen und mit einem geeigneten System visualisiert.

Hochspannung Kathode/Wehnelt

Strahlablenkung

(Stroboskopie)

Vergrößerungs-

einstellung

Raster-

generator

Strahlablenkung

(Channeling)

SE (RE) -Signal-

Verstärker

Probenstrom-

verstärker

Kathode

Wehneltzylinder Anode

SE (RE) Detektor

Justierspulen

Ablenkplatten Kondensor

Kondensorblende

Stigmator Begrenzungsblende Obere Ablenkspulen

Zwischenlinse

Dynamische Fokussierungsspulen

Probenteller mit Objekt

Untere Ablenkspulen

Objektiv

Objektivlinsenapertur

Abbildung 8: Prinzipskizze der elektronenoptischen Säule eines Rasterelektronenmikroskops (REM)

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