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Titelaufnahme

Titel
Untersuchungen zu elektrisch leitenden Steatit-Keramiken
VerfasserRuegenberg, Frowin
Begutachter / BegutachterinKahlenberg, Volker ; Tessadri, Richard
Betreuer / BetreuerinKahlenberg, Volker ; Tessadri, Richard
Erschienen2016
Umfang131 Seiten
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Masterarb., 2016
Anmerkung
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüft
Datum der AbgabeAugust 2016
SpracheDeutsch
DokumenttypMasterarbeit
Schlagwörter (DE)Steatitkeramik / Steatit / technische Keramik / Keramik / elektrische Leitfähigkeit / elektrischer Widerstand / Graphit / Kupfer
Schlagwörter (EN)steatite-ceramics / steatite / tecnical ceramics / ceramic / electric conductivity / electric resistivity / graphite / copper
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-4470 Persistent Identifier (URN)
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Untersuchungen zu elektrisch leitenden Steatit-Keramiken [191.16 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die vorliegende Masterarbeit wurde in Kooperation mit, bzw. im Auftrag der Firma CoorsTek in Lauf an der Pegnitz (D) verfasst. Das Ziel war es, Steatitkeramik durch die gezielte Zugabe von Additiven dahingehend zu modifizieren, dass in dem normalerweise isolierenden Material eine elektrische Leitfähigkeit erzeugt wird. Dabei wurde versucht, den von LIND (2015) erreichten Wert von ca. 10 *m für den spezifischen elektrischen Widerstand zu unterschreiten.

Neben Sondersteatitmasse („C221“) kamen Aluminiumoxid- und Cordieritmassen für die verschiedenen Versuche zum Einsatz. Als elektrisch leitende Additive wurden Graphit, Molybdändisulfid, Kupfer und das Aktivlot „TICUSIL®“ zugesetzt. Neben dem Trockenpressen wurden auch Feuchtpressen und Extrudieren als weitere Formgebungsmethoden angewendet, was den

Einsatz organischer Additive nötig machte.

Die Ausgangsmaterialien und die produzierten Materialien wurden mittels Röntgenfluoreszenzanalysen, Röntgenpulverdiffraktometrie, thermoanalytischen Methoden und mit der Raman-Spektroskopie charakterisiert. Die erzeugten Keramikteile wurden mit dem Rasterelektronenmikroskop begutachtet, die elektrischen Eigenschaften wurden mittels Impedanzspektroskopie bestimmt. Des Weiteren wurden mechanische Kennwerte ermittelt.

Als Keramiken mit den besten Eigenschaften stellten sich Mischungen der Komponenten Steatitgranulat, Graphit und Kupferpulver heraus, welche für den Extrusionsprozess zu einer plastischen Masse homogenisiert und dann der Formgebung unterzogen wurden. Gesintert wurden die Keramiken bei 1310 C unter Stickstoffatmosphäre, um ein Verbrennen des Graphits und des

Kupfers zu verhindern.

Die genannten extrudierten Keramiken sind Halbleiter. Sie weisen einen spezifischen elektrischen Widerstand von <1 *m auf, wobei die Leitfähigkeit durch die Vorzugsorientierung der Graphitpartikel durch den Extrusionsprozess anisotrop ist. Die Biegezugfestigkeit der Proben ist

durch die Beimischung der Additive im Vergleich zu reinen Steatitkeramiken relativ gering und liegt bei den genannten Proben bei ca. 40 MPa und darunter.

Die elektrische Leitfähigkeit wird primär durch den Graphit gewährleistet, der bei ausreichenden Gehalten ein durchgängiges Netzwerk in der Keramik ausbildet. Der nötige Mindestgehalt ist dabei hauptsächlich von der verwendeten Masse und der Formgebungsmethode abhängig. Die alleinige

Verwendung von Kupfer als leitfähige Phase erzeugt keine elektrische Leitfähigkeit, da diese Phase im Schmelzzustand die Keramikpartikel nicht benetzt und somit isolierte Agglomerationen bildet.

In der Arbeit wird ein Ansatz zur theoretischen Beschreibung der elektrischen Leitfähigkeit in den hergestellten Keramiken vorgestellt. Dieser beruht auf geometrischen Überlegungen unter Berücksichtigung physikalischer Prinzipien.

Für die erzeugten Keramiken gibt es bereits potentielle Anwendungen, beispielsweise als beheizbarer Katalysatorträger in der Automobilindustrie oder als Material für Elemente in der Erdöl- und Erdgasförderung, welche neben einer elektrischen Leitfähigkeit eine Beständigkeit in chemisch

aggressiver Umgebung aufweisen sollen.

Zusammenfassung (Englisch)

This master thesis was written in collaboration with the company CoorsTek in Lauf an der Pegnitz (D). The main goal was to modify steatite ceramics by the addition of selected additives to generate an electric conductivity. In particular it was tried to obtain an electric resistivity of lower than 10 *m, a value that has been achieved by LIND (2015).

Three different ceramic ground masses for the various experiments were used: steatite („C221“), cordierite and alumina. To generate an electrical conductivity the additives graphite, molybdenum disulfide, copper powder and the active-braze powder „TICUSIL®“ were added. In addition to dry

pressing , wet pressing and extrusion were used as further shaping methods, requiring the application of organic additives.

The starting materials and the produced compounds were characterized by X-ray fluorescence analysis, X-ray powder diffraction, thermal analysis and Raman spectroscopy. The ceramic samples were examined with an electron microscope. The electrical properties were determined by impedance spectroscopy. Furthermore, mechanical properties were measured.

Mixtures of the components steatite granulate, graphite and copper powder yielded as the ceramic materials with the best properties. The components were homogenized to form a plastic compound, before moulding it by extrusion. The test specimen were sintered at 1310 C under nitrogen

atmosphere to prevent oxidation of graphite and copper.

The resulting ceramics have semiconductor properties, with electrical resistivity exhibiting values of <1 *m. The electric conductivity is anisotropic because of the orientation of the graphite particles

during the extrusion process. The flexural strength of the samples is relatively low in comparison with pure steatite ceramics due to the incorporation of the additives. For the above-mentioned ceramics

values of about 40 MPa and below were attained.

The electrical conductivity resulted primarily by admixture of graphite, which forms a continuous network in the ceramic at a sufficiently high content. The necessary content depends mainly on the used ceramic mass and the executed shaping method. The exclusive use of copper as electric

conducting matrix is not effective. The copper melt does not wet the ceramic particles, thereby forming insulated agglomerations inside the ceramic bodies.

In the thesis, an approach for the theoretical description of the electrical conductivity in the produced ceramics is presented. It is based on geometrical considerations under observance of physical principles.

For the resulting ceramics potential applications there already exist, for example, as a heatable catalyst support in the automotive industry. Other possible applications can be found in the oil and gas industry, where for certain parts electric conductivity in a highly corrosive environment is an important issue.