Direkt zum Inhalt | Direkt zur Navigation

Eingang zum Volltext

Lizenz

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-75416
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7541/


Vogel, Sylvia

Prozessentwicklung zur elektrophoretischen Abscheidung keramischer Schichten und Mikrostrukturen

Process development for electrophoretic deposition of ceramic layers and micro parts

Dokument1.pdf (21.062 KB) (md5sum: a72a858762f2ff4faeb88fedec93b076)

Kurzfassung in Deutsch

Ziel dieser Arbeit war die Prozessentwicklung der elektrophoretischen Abscheidung (EPD) zur Herstellung keramischer Schichten und Mikrostrukturen.
Parallel zur EPD findet auch immer eine Sedimentation der Partikel statt, hervorgerufen durch das natürliche Schwerefeld, wobei der Sedimentationsvorgang abhängig von Durchmesser und Dichte der Partikel sowie dem Feststoffanteil der Suspension ist. Da das elektrische Feld als Ursache der elektrophoretischen Abscheidung nach Richtung und Stärke frei wählbar ist, können durch geeignete Kombinationen bzw. Überlagerung von elektrischem Feld und Erdschwerefeld folgende Effekte realisieren werden:
• Variation der Partikel- und Porengrößenverteilung über der Schichtdicke
• Variation der Material-Zusammensetzung am Bsp. des Systems ZTA ( Al2O3-ZrO2)
Eine weitere Variationsmöglichkeit der sedimentationsüberlagerten EPD (S-EPD) ergibt sich, wenn das natürliche Schwerefeld durch ein künstliches Feld verstärkt wird, wie es sich beispielsweise in einer Zentrifuge erzeugen lässt.
Exemplarisch wurden in dieser Arbeit zwei Aluminiumoxid und drei Zirkonoxid-Pulver unterschiedlicher Partikelgrößenverteilungen sowie Mischungen der beiden Materialien verwendet.
In dieser Arbeit konnte zum ersten Mal die S-EPD genutzt werden, um Schichten mit Partikelgrößen- und Materialgradienten herzustellen. Die in der Literatur noch nicht beschriebenen Aufbauten zur S- EPD nach der Membran-Methode sowie der EPD im Zentrifugalfeld konnten erfolgreich aufgebaut und betrieben werden.
Bezüglich der Partikelgrößenverteilung wurden kontinuierlich gradierte Schichten durch einfache Variation der angelegten elektrischen Feldstärke hergestellt. Hiermit konnte auch eine gradierte Mikrostruktur abgeschieden werden. Der mit der S-EPD hergestellte Tripelspiegel wies in den Pyramidenspitzen nur feine Partikel auf, durch Erhöhen des E-Feldes konnte mit einer stabilen Trägerschicht der kompletten Partikelgrößenverteilung in einem Prozesschritt hinterfüttert werden. Die gradierten Mischkeramikschichten konnten ebenfalls erfolgreich hergestellt werden. Anhand des ZrO2-Gradienten konnte eine Abnahme des ZrO2 über die abgeschiedene Schichtdicke durch Variation des E-Feldes nachgewiesen werden. Zudem kann mit der S-EPD in der Schicht anteilsmäßig mehr ZrO2 abgeschieden werden, als in der Suspension vorhanden.
Bislang wurde die EPD kaum genutzt, um strukturierte Substrate abzuformen. In dieser Arbeit ist die Herstellung von mikrostrukturierten keramischen Formkörpern auf Gipsmembranen gelungen. Hierbei sind die Substrate verloren, da sie nur einmal verwendet werden können. Erstmals konnte auch auf mikrostrukturierte Substrate mit geringem Aspektverhältnis abgeschieden werden, die mehrmals zum Einsatz kommen konnten. Es konnte ein einfaches Abformverfahren entwickelt werden, indem auf flexible Substrate aus Silikon abgeschieden wurde. Diese können zum einen mehrmals verwendet werden, zum anderen lassen sich damit auf einfache Art und Weise Mikrostrukturen mit einem Aspektverhältnisse größer 1 abscheiden und rissfrei entformen und sintern. So gelang es erfolgreich, Strukturen mit unterschiedlichen Formen und Aspektverhältnissen herzustellen.


Kurzfassung in Englisch

The objective of this thesis was the process development for the electrophoretic deposition (EPD) for fabrication of ceramic layers and micro parts.
Simultaneously with EPD sedimentation of the particles occurs, caused by the natural gravitational field, depending on diameter and density of the particles and on the solids content of the suspension. Since the electrical field as cause of electrophoretic deposition is arbitrary regarding direction and strength, by a systematic interaction of electrical field and gravitational field the following effects can be realised:
• Variation of particle and pore size distribution across the layer thickness
• Variation of the material composition using the example system ZTA (Al2O3-ZrO2)
Another possibility for variation of the systematic interaction of sedimentation and electrical field in electrophoretic deposition (S-EPD) results from enforcing the gravitational field by an artificial field, like it can be generated in a centrifuge.
Exemplarily in this thesis two alumina oxide and three zirconia oxide powders with different particle size distributions as well as compositions of both materials were used.
In this thesis S-EPD was used for the first time to fabricate layers with gradients in particle size distribution and material fraction. The in the literature not yet described constructions for S-EPD on a membrane and EPD in a centrifugal field were successful designed and actuated.
With reference to the particle size distribution continuously graded layers were fabricated by a simple variation of the applied electrical field strength. Herewith a graded micro part also could be produced. The triple reflector fabricated by S-EPD showed only fine particles in the top of the pyramid, by increasing the electrical field strength a stable carrier layer with the whole particle size distribution was deposited onto in one step. Graded layers regarding the material composition were also successfully fabricated. By measuring the ZrO2 gradient a decrease of the ZrO2 across the deposited layer by variation of the applied electrical field strength was demonstrated. Furthermore by S-EPD more wt.-% of ZrO2 was deposited in the layer than available in the slurry.
Up to now EPD was less used to fabricate structured moulds. In this thesis the production of micro parts onto hard plaster membranes was demonstrated. Herewith the substrates are lost, since they can be used only once. For the first time micro structured substrates with a low aspect ratio were used, that can be applied several times for EPD. A simple deposition process was developed using flexible silicon substrates. These can be used for several times and also in a simple manner micro parts with an aspect ratio higher than 1 can be deposited, demoulded and sintered free of cracks. That way micro parts with different design and aspect ratios were successful fabricated.


SWD-Schlagwörter: Abscheidung , Prozessentwicklung <Technik> , Mikrostruktur , Elektrophorese , Oxidkeramik , Formgebung , Gradient
Freie Schlagwörter (deutsch): EPD , ZrO2 , Al2O3
Freie Schlagwörter (englisch): electrophoretic deposition , micro parts , process development
PACS Klassifikation PACS - Kla
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Haußelt, Jürgen (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.04.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 06.07.2010
Indexliste