Optimierte Steuerbarkeit für Keramikkomposite

Keramische Komposite sind aus unserer Industrie nicht mehr wegzudenken. In elektronischen Schaltungen, besonders in der Mikroelektronik, sorgen die Eigenschaften von keramischen Werkstoffen für höhere Leistungsverträglichkeit bei zugleich quasi-leistungsloser Steuerung. Elektronisch steuerbar, ermöglichen die sog. Funktionskeramiken z.B., dass Phased-Array- oder Reflect-Array-Antennen in Radar- und Kommunikationssystemen mittels Hochfrequenz-Phasenschieber elektronisch schwenkbar sind. Auch der Einsatz in Mobilfunk oder kontaktloser Sensorik, wie RFID, ist realisierbar.

Stand der Technik

Keramikkomposite, die sich elektrisch gut steuern lassen, weisen herkömmlich hohe dielektrische Verluste in Form von Abwärme auf. Das macht sie ineffizient und ergänzende Kühlsysteme werden ggf. nötig. Hersteller solcher Komposite müssen für jede Anwendung bei der Materialzusammensetzung die Balance aus hoher Steuerbarkeit und geringen Verlusten finden.

Technologie

Forschenden des Instituts für Angewandte Materialien (IAM) ist es gelungen, die dielektrischen Eigenschaften durch gezielte strukturierte Gefüge zu verbessern. Im neuentwickelten Verfahren werden die Materialien des Keramikkomposits nicht wie gewöhnlich gleichmäßig gemischt, sondern strukturiert. Die Grundmaterialien Magnesiumborat (MBO) und Barium-Strontium-Titanat (BST) werden zunächst einzeln durch Mahlen pulverisiert und MBO zusätzlich granuliert. Zu unterschiedlichen Teilen in einer Lösung gemischt, ergeben MBO-Granulat und BST-Pulver eine Suspension, die durch Sprühtrocknung ein Kompositgranulat aus MBO-Kern und BST-Hülle (Core-Shell) ergibt. Dieses Granulat kann durch Pressen oder Sintern weiterverarbeitet werden. Durch die Clusterbildung lässt sich der Anteil von MBO vorteilhaft erhöhen.

Vorteile

Die Struktur bewirkt eine Umverteilung des elektrischen Feldes im Komposit. So erhöht sich die Steuerbarkeit erheblich, ohne gleichzeitig dielektrische Verluste zu erhöhen. Das erzeugte Material ist anwendbar in einer Vielzahl von Hochfrequenz-Komponenten bis ca. 10 Gigahertz, wie z.B. steuerbaren Kondensatoren und darauf aufbauenden abstimmbaren Filtern sowie adaptiven Impedanz-Anpassnetzwerken oder Phasenschiebern für elektronisch-schwenkbare Antennen.

Optionen für Unternehmen

Das strukturierte Keramikkomposit aus MBO und BST wurde am Institut in verschiedenen Zusammensetzungen charakterisiert. Das KIT sucht einerseits Praxispartner zum Einsatz, andererseits Partner, die die Herstellung im industriellen Umfeld realisieren können.