AT528252B1

AT528252B1 - Keramischer isolator-leiter-verbundwerkstoff

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Publication number: AT528252B1
Application number: ATA50387/2024A
Authority: AT
Original assignee: Mci Int Hochschule Gmbh
Priority date: 2024-05-07
Filing date: 2024-05-07
Publication date: 2026-05-15
Also published as: AT528252A1; WO2025231498A1

Abstract

Elektrisch leitfähiger, keramischer Isolator-Leiter Verbundwerkstoff (1) mit einem silikatkeramischen, leitfähigen, quaderförmigen Wabenkörper (2), wobei der Wabenkörper (2) mindestens 60 Vol.% eines isolierenden Silikats, 9 bis 38 Vol.% eines Carbids und mindestens 2 % eines Sinteradditivs umfasst, wobei an zwei gegenüberliegenden Mantelflächen des quaderförmigen Wabenkörpers Elektroden (3) in Form von metallischen Schichten aufgebracht sind.

Description

Beschreibung

KERAMISCHER ISOLATOR-LEITER-VERBUNDWERKSTOFF

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen, keramischen Isolator-Leiter-Verbundwerkstoffs mit einem silikatkeramischen, leitfähigen, quaderförmigen Wabenkörper. Weiters betrifft die Erfindung einen elektrisch leitfähigen, keramischen Isolator-Leiter-Verbundwerkstoffs mit einem silikatkeramischen, leitfähigen, quaderförmigen Wabenkörper. Schließlich betrifft die Erfindung Verwendungen dieses Verbundwerkstoffs.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

[0002] Die Struktur und Eigenschaften von Wabenkörpern, insbesondere deren großes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis, das einen effizienten Stoff- und Wärmeübergang begünstigt, erlauben eine Vielzahl von Anwendungen. Wabenkörper finden daher z.B. in der Abgasreinigung oder in chemischen Reaktoren Einsatz. In der Abgasreinigung von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren kommen beispielsweise seit Jahrzenten keramische Wabenkörper aufgrund des limitierten Platzangebots zum Einsatz. Die Wabenkörper weisen in der Regel eine kreiszylindrische Form auf. Der runde Querschnitt ermöglicht eine gleichmäßige Lastverteilung, was zu einer verbesserten mechanischen Stabilität führt vor allem im Zusammenhang mit Druckbelastungen. Auch die Einhausung von Wabenkörpern mit rundem Querschnitt in ein metallisches Gehäuse und die Verbindung mit zu- und abführenden Rohrleitungen ist gegenüber anderen Formen einfacher. Cordierit, ein kristallines Material aus der Gruppe der Silikatkeramiken, zeichnet sich durch seine geringe Wärmeausdehnung, hohe Temperaturbeständigkeit und geringe Dichte aus, wodurch es ideal für Anwendungen als Wabenkörper geeignet ist. Zur effizienten Reduzierung von Schadstoffen, wie auch für jeden anderen chemischen Prozess, wird jedoch eine bestimmte Reaktionstemperatur benötigt, welche für gewöhnlich deutlich über der Umgebungstemperatur liegt. Cordierit bzw. Silikatkeramiken im Allgemeinen weisen isolierende Eigenschaften auf und eignen sich somit nicht für eine Widerstandsbeheizung. Im Stand der Technik werden deshalb diese Wabenstrukturen indirekt beheizt, beispielsweise über externe Gasbrenner, mittels Durchströmung von Gas mit erhöhter Temperatur, über eingebettete Heizelemente oder durch Infrarotstrahler. Eine direkte Beheizung der Wabenstruktur, vor allem in Form von Widerstandsbeheizung, ermöglicht eine Optimierung der Energieeffizienz. Das dafür nötige Material muss eine gute elektrische Leitfähigkeit, sowie hohe thermische und chemische Beständigkeit aufweisen.

[0003] WO 2011/125816 A1 betrifft eine leitfähige, zylindrische Wabenstruktur mit bandförmigen Elektrodenabschnitten, wobei der elektrische Widerstand 0,01 — 2 Qm beträgt. Aufgrund des runden Querschnitts sind für eine homogene Temperaturverteilung mehrerer Elektroden über den Umfang verteilt und über die gesamte Länge des Substrats vorgesehen.

[0004] Des Weiteren beschreibt US 2012/0076699 A1 eine kreiszylindrische Wabenstruktur mit einem Paar Elektroden, die auf einer äußeren Umfangsfläche so ausgebildet sind, dass die Elektroden einander in Richtung des Durchmessers des Wabenkörpers gegenüberliegen und einen Elektrodenanschluss aufweisen, der in einem zentralen Teil jeder Elektrode ausgebildet ist, wobei die Dicke jeder Elektrode vom Zentrum nach Außen abnimmt.

[0005] WO 2020/102536 A1 offenbart leitfähige keramische Körper mit einer Carbidphase und einer Silizidphase, wobei in diese Phasen jeweils ein Metall eingelassen ist. Die Carbidphase besteht aus SiC zu einem Anteil von 45 bis 90 Gew.% und die Silizidphase besteht aus MoSiz und MosSis zu 10 bis 55 Gew.%.

[0006] AT 525.295 A1 offenbart leitfähige, silikatkeramische Körper, umfassend mindestens 50 Gew.% eines Silikats und mindestens 5 Gew.% eines Borids, sowie gegebenenfalls Carbide und Silizide.

[0007] EP 2 140 927 A1 beschreibt einen quaderförmigen Wabenkörper aus isolierender Kera-

mik, insbesondere Silikatkeramik, Porzellan oder Aluminium-Magnesiumsilikat, zur thermischen und katalytischen Abgasreinigung, mit mehreren, von einem Fluid durchströmbaren Fluidkanälen,

mit einer Beschichtung aus katalytisch wirkenden Nanopartikeln.

[0008] Im Stand der Technik werden zudem in den Dokumente DE 10 2023 200 885 A1, JP 2023116342 A, CN 103601480 A, DE 10 2007 046 297 A1 und US 6,815,038 B2 wabenförmige Verbundwerkstoffe offenbart.

[0009] Die in dem Stand der Technik beschriebenen leitfähigen keramischen Wabenkörper basieren zum größten Teil auf einem Verbund von ausschließlich leitfähigen Keramiken, welche im Gegensatz zu Silikatkeramiken Nachteile in den Materialeigenschaften aufweisen: Z.B. sind sie spröde oder sie weisen eine geringe Temperaturwechselstabilität auf. Des Weiteren ist geometriebedingt, zylindrischer Wabenkörper, eine homogene Stromeinbringung und somit Temperaturgleichverteilung erschwert.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0010] Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Herstellung eines leitfähigen, keramischen Verbundkörpers, welcher trotz effektiver elektrischer Leitfähigkeit die vorzüglichen Materialeigenschaften von Silikatkeramiken beibehält und eine homogene Temperaturverteilung gewährleistet, bereitzustellen.

[0011] Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen, keramischen Isolator-Leiter-Verbundwerkstoffs mit einem silikatkeramischen, leitfähigen, quaderförmigen Wabenkörper,

wobei der Wabenkörper

° mindestens 60 Vol.% eines isolierenden Silikats ° 9 bis 38 Vol.% eines Carbids und ° mindestens 2 % eines Sinteradditivs umfasst,

wobei an zwei gegenüberliegenden Mantelflächen des quaderförmigen Wabenkörpers Elektroden in Form von metallischen Schichten aufgebracht sind, wobei das Verfahren die Schritte umfasst

a) Bereitstellung einer Mischung des Silikats, des Carbids und des Sinteradditivs mit einem Bindemittel,

b) Extrudieren der Mischung aus Schritt a) zu einem quaderförmigen Wabenkörper,

C) Trocknen der geformten Mischung aus Schritt b),

d) Erwärmen der geformten Mischung aus Schritt c) auf 200°C — 400°C, e) Sintern in kontrollierter Atmosphäre bei 1150°C bis 1300°C,

f) Mechanisch und/oder chemisches Reinigen der für die Elektroden vorgesehenen Flächen, g) Aktivieren der für die Elektroden vorgesehenen Flächen mittels einer Säure, h) Aufbringen der Elektroden durch Metallisieren der gereinigten Flächen.

[0012] Das Silikat, Carbid und Sinteradditiv liegen vorzugsweise pulverförmig vor. Die Partikelgrößen des Pulvers liegen bevorzugt zwischen 1 um und 40 um. Als Bindemittel und Hilfsstoffe, um die gewünschten rheologischen Eigenschaften für die Extrusion zu erhalten, kommen beispielsweise Wasser, Methylcellulose, PEG, PVA, Bentonit, Tenside und Trennöle zum Einsatz. Als Silikat kommen vorzugsweise Cordierit, Steatit und / oder Mullit zum Einsatz.

[0013] Die Elektroden in Form von metallischen Schichten sind vorzugsweise über die gesamte Länge oder sektoral auf den gegenüberliegenden Flächen des quaderförmigen Wabenkörpers aufgebracht.

[0014] Das Extrudieren der Mischung in Schritt b) zu einem quaderförmigen Wabenkörper kann durch Extrusion der Mischung aus a) durch ein rechteckiges oder quadratisches Werkzeug zu einem quadratischen oder rechteckigen Strang erfolgen. Der Strang wird dann an den Enden aus dem Werkzeug durch Schneidemittel in die gewünschte Länge gebracht.

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[0015] Der Schritt des Trocknens der geformten Mischung aus Schritt b) in Schritt c) erfolgt unter kontrollierten Bedingungen (Luftfeuchtigkeit, Temperatur), vorzugsweise in einer Klimakammer, um die Feuchtigkeit des keramischen Körpers langsam zu reduzieren und Rissbildung zu vermeiden.

[0016] Bevorzugt erfolgt Schritt d) bei 250 — 300 °C mit einer geringen Heizrate während des Aufheizens von Raum- auf Prozesstemperatur von maximal 1,5 K/min”. Dieser Schritt dient dem Entfernen organischer Zusatzstoffe im Bindemittel.

[0017] Das Sintern in Schritt e), erfolgt in kontrollierter, sauerstofffreier Atmosphäre.

[0018] Bevorzugt erfolgt Schritt f) durch Sandstrahlen und anschließender chemischer Entfettung z.B. mit einer Lösung aus Dinatriummetasilikat, Natronlauge, Natriumcarbonat und ggf. einem Tensid bei 50°C — 80°C für 5 — 15 min.

[0019] Schritte d) und e) werden bevorzugt in einer Ofenfahrt durchgeführt.

[0020] Schritt g) findet vorzugsweise durch Kontaktierung mit in Wasser gelöster Zitronensäure für ca. 60 s bei Raumtemperatur statt.

[0021] Das Metallisieren der Flächen in Schritt h), erfolgt vorzugsweise durch Galvanisieren, chemisches Beschichten, durch das Aufbringen eines flüssigen oder pulverförmigen Beschichtungsstoffs, Lot- oder Druckverfahren (z.B. Siebdruck).

[0022] Die Erfindung betrifft daher auch einen leitfähigen, keramischen Isolator-Leiter-Verbundwerkstoff mit einem silikatkeramischen, leitfähigen, quaderförmigen Wabenkörper, wobei der Wabenkörper

* mindestens 60 Vol.% eines isolierenden Silikats * 9bis 38 Vol.% eines Carbids und * mindestens 2 % eines Sinteradditivs umfasst,

wobei an zwei gegenüberliegenden Mantelflächen des quaderförmigen Wabenkörpers Elektroden in Form von metallischen Schichten aufgebracht sind.

[0023] Die Elektroden in Form von metallischen Schichten sind vorzugsweise über die gesamte Länge oder sektoral auf den gegenüberliegenden Flächen des quaderförmigen Wabenkörpers aufgebracht.

[0024] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Summe aus Carbid und Sinteradditiv mindestens 18 Vol.% betragen und der Anteil an Carbid in der Mischung Carbid- Sinteradditiv mindestens 50 Vol.% beträgt.

[0025] Das Silikat ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cordierit, Steatit, Mullit oder Mischungen daraus. Bevorzugt umfasst das Silikat Cordierit. Das Carbid ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus SiC und/oder TiC. Das Sinteradditiv ist vorzugsweise Kohlenstoff oder Borid, besonders bevorzugt TiB2, ZrB2 oder Mischungen daraus.

[0026] Der Wabenkörper weist vorzugweise einen rechteckigen Querschnitt oder einen quadratischen Querschnitt auf.

[0027] Beim elektrisch leitenden Körper besteht die Maßgabe, dass die Metallschicht der Elektrode einen geringeren elektrischen Widerstand als die Keramik aufweist. Die Dicke der Metallschicht beträgt maximal 500 um, vorzugsweise zwischen 20 und 200 um.

[0028] Die Elektroden in Form von metallischen Schichten sind teilweise oder ganzflächig aufgebracht.

[0029] Die Elektrode kann einen Anschluss aufweisen, welcher ein mechanisch angepresstes metallisches Geflecht oder Gestrick umfasst. Eine weitere Möglichkeit kann ein Anschluss sein, welcher durch ein stoffschlüssiges Fügeverfahren, z.B. Löten, hergestellt wird.

[0030] Der keramische, leitfähige Wabenkörper mit Metallisierung weist eine dauerhafte thermi-

sche Stabilität bis 1000 °C, kurzfristig bis 1100 °C auf. Das erfindungsgemäße keramische Material weist einen spezifischen Widerstand bei 30 °C zwischen 1-10? bis 1:10* Qm auf. Außerdem weist der leitfähige Körper eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit auf, d.h. bei einer schlagartigen Abkühlung von 800 auf 0°C ist der Körper stabil.

[0031] Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung des leitfähigen Körpers der vorgenannten Art als Träger für die Abgasreinigung.

[0032] Die Erfindung betrifft weiters die Verwendung des leitfähigen Körpers der vorgenannten Art als chemischen Reaktor.

[0033] Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung des leitfähigen Körpers der vorgenannten Art als Träger für Temperaturwechsel-Ad- oder Absorptionen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG [0034] Anhand von Beispielen und Figuren wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert. [0035] Es zeigt in den Figuren:

[0036] Fig. 1 zeigt einen elektrisch leitfähigen, keramischen Isolator-Leiter-Verbundwerkstoffs nach Stand der Technik im Querschnitt.

[0037] Fig. 2 zeigt einen elektrisch leitfähigen, keramischen Isolator-Leiter-Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung.

[0038] Fig. 3 bis 6 zeigen Ausführungsformen erfindungsgemäßer elektrisch leitfähiger, keramischer Isolator-Leiter-Verbundwerkstoffe im Schrägriss.

[0039] Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen, keramischen Isolator-Leiter-Verbundwerkstoff.

[0040] Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen, keramischen Isolator-Leiter-Verbundwerkstoff.

[0041] Fig. 9 zeigt eine Anordnung 27 erfindungsgemäßer elektrisch leitfähiger, keramischer Isolator-Leiter-Verbundwerkstoffe hintereinander und nebeneinander im Schrägriss.

[0042] Die Entwicklung eines elektrisch leitfähigen, keramischen Isolator-Leiter-Verbundwerkstoffs mit einer Silikatkeramik als Grundlage in Form eines quaderförmigen Wabenkörpers bietet die Möglichkeit, ein Material zu schaffen, das die ausgezeichneten Eigenschaften von Silikatkeramiken und deren vergleichsweise niedrige Sintertemperatur, mit zusätzlichen Materialeigenschaften wie guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit kombiniert. Die Verbindung unterschiedlicher Materialien zu einem elektrisch leitfähigen, keramischen Isolator-Leiter-Verbundwerkstoff setzt ähnliche Oberflächenenergien für eine ausreichende Benetzung, ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten für eine gemeinsame Verarbeitungen, sowie eine ausreichende Verdichtung des Keramik-Komposits während des Sinterns voraus.

[0043] Eine hohe Porosität des Verbundmaterials würde ein durchgängiges leitfähiges Netzwerk im Wabenkörper und somit eine effektive Leitfähigkeit verhindern. Der Umschlag von isolierend Zu leitfähig für einen Isolator-Leiter-Verbundwerkstoff tritt bei einer kritischen Volumenskonzentration an leitfähiger Phase in der isolierenden Silikatkeramik schlagartig (Perkolationsschwelle) auf. Bei niedrigen Konzentrationen ist der Abstand zwischen den elektrisch leitfähigen Partikeln, die über die isolierende Matrix verteilt sind, groß und es besteht kaum oder keine Verbindung. Die Möglichkeit ein verbundenes Netzwerk zu bilden, steigt mit zunehmenden Volumenanteil leitfähiger Partikel.

[0044] Aufgrund des volumenmäßig größten Anteils an Silikatkeramik liegt die Sintertemperatur des Verbundmaterials, welches die vorliegende Erfindung betrifft, im Bereich von Silikatkeramiken (-1200°C), welche deutlich niedriger ist als die Sintertemperatur für Carbide (>1900 °C). Um trotzdem eine ausreichende Verdichtung des Verbundwerkstoffes zu erzielen, wird zusätzlich ein

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Sinteradditiv mit mindestens 2 Vol.% beigemengt, beispielsweise Kohlenstoff, Borid oder Aluminium, können die Verdichtung von Carbid bzw. /dem Verbundwerkstoff positiv beeinflussen.

[0045] Im Vergleich zu metallischen Wabenkörper haben keramische Wabenkörper den Vorteil, dass auf keramische Wabenkörper aufgrund einer erhöhten Oberflächenrauheit vergleichsweise einfach eine funktionelle Beschichtung, welche die innere Oberfläche erhöht, aufgebracht werden kann. Beispielsweise kann die funktionelle Beschichtung katalytische Aktivität, für den Einsatz als chemischen Reaktor oder in der Abgasreinigung, aufweisen sowie als Sorptionsmaterial dienen. Zusätzlich weisen keramische Wabenkörper eine verbesserte thermische und chemische Beständigkeit auf. Des Weiteren ist die Herstellung keramischer Wabenkörper mittels Extrusion im Vergleich zu metallischen Wabenkörpern kostengünstig. Die diese Erfindung umfassenden Verbundmaterialien weisen eine thermische Beständigkeit bis zu 1100 °C auf.

[0046] Die meisten keramischen und elektrisch leitenden Materialien weisen jedoch einen negativen Temperaturkoeffizienten auf, der elektrische Widerstand nimmt mit steigender Temperatur ab. Im Vergleich zu metallischen Wabenkörpern, bestehen hier keine selbstregulierenden Eigenschaften. Mit steigender Temperatur sinkt der Widerstand weiter, was zu einem erhöhten Stromfluss und einer weiteren Erwärmung und schließlich zu einer Überhitzung führen kann. Aus diesem Grund ist die in dieser Erfindung beschriebene Kontaktierung und homogene Stromeinbringung (Vermeidung von Spitzenkontakten und Hot Spots) in ein keramisches, leitfähiges Verbundmaterial ausschlaggebend für dessen Funktionalität.

[0047] Aufgrund der vergleichsweise hohen Oberflächenrauheit keramischer Oberflächen und teilweisen Oxidation an der Oberfläche ergibt sich ein großer Übergangswiderstand. Dies kann dazu führen, dass bei punktueller Kontaktierung der leitfähigen Keramik beim Stromdurchtritt ein sehr großer Widerstand auftritt, was eine hohe Leistung an der Kontaktstelle und damit verbunden eine lokale Erwärmung der Kontaktierung bis hin zum Versagen als Folge hat. Für eine verlustarme und gleichmäßige Stromeinbringung in den keramischen, leitfähigen Wabenkörper ist aus diesem Grund eine flächige Metallisierung (=Elektrode) der Keramik am Ort der Stromeinbringung notwendig. Diese Elektrode muss einerseits einen stoffschlüssigen Kontakt mit der Keramik garantieren, um eine Oxidation zwischen Keramik und Metall zu verhindern. Andererseits ist für eine gleichmäßige Stromeinbringung notwendig, dass die Elektrode einen geringeren Widerstand als die Keramik aufweist. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der metallischen Elektrode und Keramik ist es weiters notwendig, dass die Metallschicht (Elektrode) eine gewisse Dicke (ca. 500 um) nicht überschreitet, um bei raschen Auf- und Abkühlvorgängen einen Bruch des keramischen Wabenkörpers aufgrund von Schub- bzw. Zugspannungen zu vermeiden. Für die Güte der stoffschlüssigen Verbindung ist eine vorherige mechanisch und chemische Reinigung der keramischen Oberfläche maßgebend. Die Metallisierung erfolgt vorzugsweise galvanisch, mittels Lots oder Druck von metallischen Pasten (z.B. Siebdruckverfahren).

[0048] Eine weitere Herausforderung in diesem Zusammenhang stellt der normalerweise runde Querschnitt des Wabenkörpers 2 bei Verbundköpern 1 dar. Der runde Querschnitt ermöglicht eine gleichmäßigere Lastverteilung, was zu einer verbesserten mechanischen Stabilität führt vor allem im Zusammenhang mit Druckbelastungen. Auch die Einhausung von Wabenkörpern 2 mit rundem Querschnitt gemäß Stand der Technik (Fig. 1) in ein metallisches Gehäuse und Verbindung mit zu- und abführenden Rohrleitungen ist gegenüber anderen Formen einfacher. Erfolgt die Stromeinbringung bei einem runden Querschnitt über Elektroden 3 an der Kreiszylindermantelfläche, führt dies jedoch dazu, dass sich der Strom den kürzesten Leiterpfad sucht. In Kombination mit dem negativen Temperaturkoeffizienten keramischer Leiter, werden dadurch nur einzelne, kurze Pfade stark erwärmt, während längere Pfade entlang des Querschnitts stromlos bleiben. Es hat sich gezeigt, dass ein runder Querschnitt eine inhomogene Strom- und Leistungsdichte liefert, da die Strompfade (angedeutet durch die unterschiedlich schattierten Pfeile) unterschiedlich lang sind. Bei einem quaderförmigen Wabenkörper 2 bewirkt der rechteckige Querschnitt eine homogene Strom- und Leistungsdichte, da der Strom stets dieselbe Länge zurücklegen muss (Fig. 2). Dabei sind die Elektroden 3 als metallische Schichten an zwei gegenüberliegenden Mantelflächen aufgebracht.

[0049] Durch das vollflächige oder partielle Aufbringen der Elektroden 3 kann der silikatkeramische Wabenkörper 2 vollständig (Fig. 4), annähernd vollständig (Fig. 3 und 5) oder nur partiell (sektoral, Fig. 6) beheizt werden.

[0050] Eine Kontaktierung der Stirnseiten scheidet aus, da dadurch ein direkter Kontakt zwischen Elektrode 3 und durchströmenden Fluids entstehen würde, was ein erhebliches Sicherheitsrisiko sowie eine mögliche Korrosion der Elektrode 3 mit sich bringt. Um eine gleichmäßige Strom- und Temperaturverteilung entlang des Querschnitts sicherzustellen und trotzdem den Kontakt zwischen Elektrode 3 und durchströmenden Fluids zu vermeiden, wurde das hier vorgestellte Design mit rechteckigem, vorzugsweise quadratischem, Querschnitt des Wabenkörpers und Kontaktierung (Fig. 2), ganzflächig oder teilweise über die Länge (Fig. 3 bis 5), an zwei gegenüberliegende Mantelflächen entworfen.

[0051] Des Weiteren ermöglicht die Kontaktierung an den Mantelflächen im Vergleich zur Stirnseite eine möglichst effiziente Beheizung des Wabenkörpers. Dadurch kann eine sektorale Beheizung über die Länge des Wabenkörpers realisiert werden, wodurch entweder nur einzelne Segmente beheizt werden können (Fig. 6) oder die Heizleistung in den einzelnen Segmenten über die Länge des Wabenkörpers angepasst werden kann. Mithilfe intelligenter Steuerungssysteme kann so zu jedem Zeitpunkt die Leistung dem Bedarf (z.B. Reaktionsenthalpie abhängig von der Geschwindigkeit) angepasst werden, was eine drastische Energiereduktion im Vergleich zu konventionellen Systemen mit Beheizung des gesamten Wabenkörpers erlaubt.

[0052] Die Stromzuführung zur Elektrode 3 kann beispielsweise über ein mechanisch angepresstes metallisches Geflecht oder Gestrick 4 erfolgen, um unterschiedliche Wärmeausdehnungen zwischen keramischen Wabenkörper, Elektrode 3 und elektrischen Anschluss 5 zu kompensieren (Fig. 7). Eine weitere Möglichkeit für die Stromzuführung besteht in einem punktuellen Anschluss, welcher durch ein stoffschlüssiges Fügeverfahren 6 hergestellt wird (Fig. 8).

[0053] Zusätzlich zu einer homogenen Stromeinbringung, ermöglicht der quaderförmige Wabenkörper im Vergleich zu anderen Formen die vergleichsweise einfache Anordnung mehrerer Wabenkörper 1 nebeneinander oder hintereinander (Fig. 9).

[0054] In den nachfolgenden Tabellen 1-2 sind unterschiedliche keramische, leitfähige Verbundwerkstoffe beschrieben, welche im Rahmen der Erfindung untersucht wurden. Ebenfalls sind nicht erfindungsgemäße Beispiele zu Vergleichszwecken angeführt.

[0055] Tabelle 1: Zusammensetzung von erfindungsgemäßen Proben

Sakat TIC Vol.% SiC Vol.% CVol.% TiBzVol.% ZrB2 Vol.% M1 72,0 - 25,5 - 2,5 M2 72,0 - 25,5 2,5 - M3 70,0 14,0 14,0 2,0 - M4 72,0 - 14,0 - 14,0 M5 72,0 12,5 12,5 - 3,0 M6 72,0 26,0 - - 2,0 M7 70,0 - 16,0 - 14,0 M8 75,0 - 15,0 - - 10,0 M9 72,0 - 14,0 - 10,0 4,0 M10 75,0 - 15,0 - 8,0 2,0 M11 80,0 - 10,0 - 10,0 M12 65,0 - 33,0 2,0 - M13 76,0 - 12,0 - 12,0 -

[0056] Tabelle 2: Zusammensetzung von Vergleichsbeispielen

Silikat Carbid Silizid Graphit Vol.% Vol.% Vol.% Vol.% V1 57,0 33,0 10,0 V2 60,0 24,0 16,0 V3 64,0 13,0 23,0 V4 70,0 - 30,0 V5 50,0 50,0 - V6 77,0 - - 23,0

[0057] Der spezifische elektrische Widerstand der erfindungsgemäßen Muster als auch der Vergleichsbeispiele befindet sich bei 30 °C zwischen 1-10%? bis 1:10* Qm. Im Unterschied zu den Vergleichsbeispielen weisen die erfindungsgemäßen Proben jedoch eine dauerhafte thermische Stabilität bis 1000 °C, kurzfristig bis 1100 °C, auf. Die Vergleichsbeispiele V1-V4 weisen hingegen unter oxidierenden Bedingungen eine thermische Stabilität bis maximal 300 °C und V5 und V6 eine Beständigkeit bis lediglich 400 °C auf.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen, keramischen Isolator-Leiter-Verbundwerkstoffs (1) mit einem silikatkeramischen, leitfähigen, quaderförmigen Wabenkörper (2), wobei der Wabenkörper (2)

° mindestens 60 Vol.% eines isolierenden Silikats, ° 9 bis 38 Vol.% eines Carbids und ° mindestens 2 % eines Sinteradditivs umfasst,

wobei an zwei gegenüberliegenden Mantelflächen des quaderförmigen Wabenkörpers Elektroden (3) in Form von metallischen Schichten aufgebracht sind, wobei das Verfahren die Schritte umfasst a) Bereitstellung einer Mischung des Silikats, des Carbids und des Sinteradditivs mit einem Bindemittel, b) Extrudieren der Mischung aus Schritt a) zu einem quaderförmigen Wabenkörper (2), c) Trocknen der geformten Mischung aus Schritt b), d) Erwärmen der geformten Mischung aus Schritt c) auf 200°C — 400°C, e) _Sintern in kontrollierter Atmosphäre bei 1150°C bis 1300°C, f) Mechanisch und/oder chemisches Reinigen der für die Elektroden vorgesehenen FIlächen, g) Aktivieren der für die Elektroden (3) vorgesehenen Flächen mittels einer Säure, h) Aufbringen der Elektroden (3) durch Metallisieren der gereinigten Flächen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt d) und e) in einer Ofenfahrt durchgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt f) Sandstrahlen und anschließende chemische Entfettung umfasst.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt g) die Behandlung mit Zitronensäure für ca. 60 s bei Raumtemperatur umfasst.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt h) durch Galvanisieren, chemisches Beschichten, durch das Aufbringen eines flüssigen oder pulverförmigen Beschichtungsstoffs oder ein Lot- oder Druckverfahren erfolgt.

6. Elektrisch leitfähiger, keramischer Isolator-Leiter-Verbundwerkstoff (1) mit einem silikatkeramischen, leitfähigen, quaderförmigen Wabenkörper (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper (2)

wobei an zwei gegenüberliegenden Mantelflächen des quaderförmigen Wabenkörpers Elektroden (3) in Form von metallischen Schichten aufgebracht sind.

7. Elektrisch leitfähiger, keramischer Isolator-Leiter-Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Silikat ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cordierit, Steatit, Mullit oder Mischungen daraus.

8. Elektrisch leitfähiger, keramischer Isolator-Leiter-Verbundwerkstoff nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Carbid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus SiC und/oder TiC.

9. Elektrisch leitfähiger, keramischer Isolator-Leiter-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinteradditiv aus Kohlenstoff oder einem Borid aus der Gruppe bestehend aus TiB,, ZrB2 oder Mischungen daraus besteht.

10. Elektrisch leitfähiger, keramischer Isolator-Leiter-Verbundwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe aus Carbid und Sinteradditiv mindestens 18 Vol.% beträgt und dass der Anteil an Carbid in der Mischung Carbid-Sinteradditiv mindestens 50 Vol.% beträgt.

11. Elektrisch leitfähiger, keramischer Isolator-Leiter-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper einen rechteckigen Querschnitt oder einen quadratischen Querschnitt aufweist.

12. Elektrisch leitfähiger, keramischer Isolator-Leiter-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (3) in Form von metallischen Schichten teilweise oder ganzflächig aufgebracht sind.

13. Elektrisch leitfähiger, keramischer Isolator-Leiter-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (3) einen Anschluss aufweist, welcher ein metallisches Geflecht oder Gestrick (4) umfasst.

14. Elektrisch leitfähiger, keramischer Isolator-Leiter Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (3) einen Anschluss aufweist, welcher durch ein stoffschlüssiges Fügeverfahren (6) angefügt ist.

15. Anordnung, umfassend mehrere elektrisch leitfähige, keramische Isolator-Leiter-Verbundwerkstoffe nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundwerkstoffe seriell oder parallel verschalten sind.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Verbundwerkstoffe nebeneinander und zumindest zwei Verbundwerkstoffe hintereinander angeordnet sind.

17. Verwendung eines elektrisch leitfähigen, keramischen Isolator-Leiter-Verbundwerkstoffs nach einem der Ansprüche 6 bis 14 als Träger für die Abgasreinigung.

18. Verwendung eines elektrisch leitfähigen, keramischen Isolator-Leiter-Verbundwerkstoffs nach einem der Ansprüche 6 bis 14 als Träger für Temperaturwechsel-Ad- oder Absorptionen.

19. Verwendung eines elektrisch leitfähigen, keramischen Isolator-Leiter-Verbundwerkstoffs nach einem der Ansprüche 6 bis 14 als chemischen Reaktor.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen