Nickelreaktivlot / Oxidkeramik-Fügungen als elektrisch ... - JuSER

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kostenintensiv. In Kombination mit einem keramischen Beschichtungsprozess stellen sie jedoch
häufig nur einen geringen Mehraufwand dar [74, 75].
Stehen niedrige Produktionskosten im Vordergrund, kommt das Einbrennen von Metall-Glas-
Fritten zum Einsatz. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Dispersion aus einem Edelmetall,
einer Glasfritte, einem organischen Binder und Lösungsmittel auf die Keramik aufgetragen. In
einem angeschlossenen thermischen Prozessschritt bildet sich dann eine mechanisch in der
Keramik verankerte Glasphase und eine darüber liegende Metalllage aus, die je nach
angestrebter Fügungsqualität gereinigt werden muss und dann wiederum konventionell gelötet
werden kann. [65, 74, 76].
Eng mit diesem Verfahren verwandt, doch weitaus aufwändiger und technologisch hochwertiger
sind die seit 1939 bekannten W-Mn- oder Mo-Mn-Metallisierungen. Analog zu dem Einbrennen
von Glas-Fritten werden hier zunächst Refraktärmetalloxide sowie Mangan/Manganoxid mit Hilfe
eines organischen Bindersystems auf die Keramik aufgetragen und dann bei 1000 - 1800°C in
feuchter H 2 /N 2 -Atmosphäre gesintert, wobei eine Reduktion der Oxide stattfindet. Ein Teil der
„in-situ“ erlangten Metalle reagiert mit der Keramik und bildet an der Grenzfläche eine wieder
oxidische Glasphase als Verbindungsschicht aus, wobei der zur Reaktion benötigte Sauerstoff
überwiegend aus der Keramik stammt. Der andere Teil der erlangten Metalle bildet eine darüber
liegende metallische Sinterschicht. Durch das Abkühlen wirkt sich die im Vergleich zur Keramik
größere thermische Schrumpfung der Glasphase positiv aus, wodurch die Keramik unter
Druckspannungen gesetzt wird. Zur Verbesserung der Benetzbarkeit im finalen Metalllötprozess
werden zuweilen zusätzlich Ni- und Cu-Schichten auf die Sintermetall-Oberfläche aufgebracht,
die im Lötprozess schließlich in dem Metalllot auflegieren [65, 74, 77 - 82]. Während dieses
Verfahren aufgrund seines Anbindungsmechanismus auf nahezu allen Oxidkeramiken
anwendbar ist, existieren daneben eine Reihe von stoffspezifischen Metallisierungssystemen. Ein
Beispiel ist das zur Herstellung von elektronischen Bauteilen eingesetzte direkte eutektische
Fügen von Kupfer auf Al 2 O 3 -Keramik (1976). Dabei wird zunächst eine Kupferpaste aufgetragen
und diese anschließend mit exakt eingestelltem Sauerstoffpartialdruck bis knapp unter ihre
Schmelztemperatur erhitzt. Dabei bildet sich ein schmelzflüssiges Cu/O-Eutektikum aus, das an
der Grenzfläche zum Al 2 O 3 zu Kupferaluminaten reagiert [76]. Darauf aufbauend publizierte J.
Löttgers 1982 seine Forschungsarbeiten an Ag-CuO-Systemen, bei denen der
Bindungsmechanismus auf dem gleichen Prinzip beruht [83]. Weitere Arbeiten mit den
Systemen Ag-V 2 O 5 / Pt-Nb 2 O 5 [84], / Ag-PbO [85], / Cu-CuO [86] jeweils in Kombination mit
Al 2 O 3 -Keramiken folgten. Dabei stellen weniger die diversen Werkstoffsysteme, sondern die
Zusammenführung von Metallisierung und Lötprozess in einem Verfahrensschritt den
bemerkenswerten Fortschritt dar. Ein Transfer dieser Technologie zur Fügung von
Sauerstoffmembranen aus ZrO 2 /Y 2 O 3 wurde 2002 von K. S. Weil et al. veröffentlicht. Jedoch
unterbleibt bei der Fügung von Zirkonoxid die Reaktion des Cu/CuO-Eutektikums mit der
keramischen Grenzfläche, was die Eignung des Lotsystems für diese Anwendung prinzipiell in
Frage stellt. Da auch bei Fügeversuchen von, durch Vakuum-Plasma-Spritzen (VPS)
hergestellten, Al 2 MgO 4 -Beschichtungen als elektrisch isolierendes Dichtungselement in SOFC-
APUs ähnliche Ergebnisse erzielt wurden, wird in aktuellen Arbeiten durch die Variation des
Lotsystems versucht, das Lötergebnis zu verbessern [28].
Quasi im Übergang hin zum Reaktivlöten ist schließlich das Metallisieren durch Ti-, Zr-, Hf-, V-,
Nb- oder U- Reaktivmetallsalze und –hydride anzusiedeln [63, 74]. Dünn aufgetragen, reagieren
diese unter stark reduzierender Atmosphäre mit der Keramik und bilden einen gradierten