Karl-Heinz Felgner

Hochtemperaturmikroskopie an Bariumtitanatkeramiken

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 11.04.2001

Abstract
Sowohl das Gefüge als auch die mechanischen und elektrischen Eigenschaften von BaTiO3-Keramiken werden durch den Prozeß des Flüssigphasensinterns entscheidend geprägt.
BaTiO3 wird üblicherweise mit einem TiO2-Überschuß von 1-4 mol% gesintert. Dieser Überschuß reagiert mit BaTiO3 und es bildet sich das Eutektikum BaTiO3-Ba6Ti17O40.
Darüber hinaus sind zahlreiche Sinterzusätze genutzt worden, um ein homogenes Gefüge zu erhalten und die Eigenschaften der finalen Keramik zu verbessern. Solche Additive werden auch zur Bildung neuer Flüssigphasen führen; zumindest werden sie die Zusammensetzung des o.g. Eutektikums verändern.
Informationen zu möglichen Flüssigphasen können dem Phasendiagramm für das entsprechende Mehrkomponentensystem entnommen werden. Es sind allerdings nur wenige solcher komplett aufgestellter Phasendiagramme verfügbar. Außerdem findet der Prozeß der Flüssigphasenbildung in Mikrogebieten des Sinterkörpers statt, deren lokale Zusammensetzung normalerweise nicht bekannt ist. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit war es, eine Methode zu entwickeln, mit der die Wirkung eines Additivs auf die Flüssigphasenbildung in BaTiO3-Keramik ermittelt werden kann.
Zu diesem Zweck wurden Anordnungen aus Pulveraufschüttungen mit der Zusammensetzung des entsprechenden Additivs auf BaTiO3-Substraten in einem Erhitzungsmikroskop untersucht.
Die Mikrogebiete innerhalb des Sinterkörpers, in denen sich Additiv- und BaTiO3-Partikel gegenseitig berühren, können damit durch die Kontaktfläche zwischen Pulveraufschüttung und BaTiO3-Substrat simuliert werden.
Mit Hilfe moderner Videotechnik wurden die Höhen der Aufschüttungen gemessen und analysiert. Die so erhaltenen Darstellungen der Höhe gegen die Heizzeit bzw. die Temperatur geben Aufschluß über den Verlauf der Flüssigphasenbildung. Die Resultate für CuO-, SiO2- und Ba2TiSi2O8-Additive werden dargelegt.
Ein Modell für das Endstadium des anomalen Kornwachstums während des Flüssigphasensinterns wurde aus Experimenten mit Grünlingen als Substrat abgeleitet.

The microstructure of BaTiO3 ceramics and their mechanical and electrical properties normally develop as a result of liquid-phase sintering.
BaTiO3 is usually sintered with a small excess of titania of 1-4 mol%. This excess reacts with BaTiO3 to create the eutectic melt BaTiO3-Ba6Ti17O40. In addition, numerous sintering additives have been used to obtain a homogeneous microstructure and to improve the properties of the final ceramics. Obviously, such additives will also form new liquid phases or at least modify the composition of the above-mentioned eutectic.
Generally, information about the possible liquid phases has to be taken from the equilibrium diagram of the relevant multi-component system. However, only a few phase diagrams of such systems have been completely determined. Moreover, the liquid-phase-forming process occurs only in microregions inside the sintering body, whose local composition is normally unknown. The primary aim of this work was to develop a method that allows the effects of additives on liquid-phase formation in BaTiO3 ceramics to be estimated.
For this purpose arrangements of powder-tips with the composition of the appropriate additive and substrates of BaTiO3 were examined in a heating microscope. In this way, the microregions inside the sintering body, where the additive is in contact with BaTiO3, can be simulated by the contact plane between the powder-tip and the BaTiO3 compact.
Using the abilities of modern video equipment the heights of the powder tips were measured and analysed. The corresponding plots of height versus heating time or temperature give information about the progress of the melting process. The results for additives of CuO, SiO2 and Ba2TiSi2O8 are presented.
Moreover, a theory concerning the final stage of the anomalous grain growth during liquid-phase sintering could be derived from experiments with green bodies as substrates.

Keywords:
Erhitzungsmikroskopie, Keramik, Flüssigphasensintern, anomales Kornwachstum, BaTiO3, SiO2, CuO, Ba2TiSi2O8

heating microscopy, ceramics, liquid-phase sintering, anomalous grain growth, BaTiO3, SiO2, CuO, Ba2TiSi2O8

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis, Abkürzungen und Symbole (ii-v)
1. Einleitung (1-2)
2. Grundlagen (3-13)
3. Experimentelles (14-20)
4. Ergebnisse und Diskussion (21-82)
5. Zusammenfassung und Ausblick (83-84)
6. Anhang (85-99)
7. Literaturverzeichnis (100-105)