Entwicklung von mikro Heizelementen basierend auf bilagen PVD-Beschichtungen und Bewertung ihrer Robustheit unter elektrothermischer und kavitationserosiver Belastung beim Blasensieden

• Antragsteller: Dr. Herbert Scheerer
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 276800743

Im DFG-Vorhaben "Entwicklung eines mikrostrukturellen Konzepts zur Unterdrückung der Wirkung von Wachstumsfehlern bei PVD-Beschichtungen" wurden chrombasierte Beschichtungen entwickelt, welche die Grundvoraussetzungen für die Konstruktion eines Heizelementes auf Basis einer Mikrochip-Entwicklung erfüllen. Die auf einer Zweilagenschicht basierenden Mikrochip-Heizelemente dienen für die Beheizung, die Temperaturmessung und gleichzeitig für die messtechnische Erfassung von Blasenbildungsprozessen, welche für die Erforschung des Wärmetransports beim Blasensieden erforderlich sind [FISH 2011, FISH 2012, SLOM 2013a]. Im Rahmen des Erkenntnistransferprojekts soll basierend auf gezielt funktionalisierten PVD-Beschichtungen ein funktionaler Bi-Lagen-Mikroheizer entwickelt werden, der hinsichtlich seiner elektrothermischen und kavitationserosiven Belastbarkeit die messtechnische Analyse und Auswertung von Blasensiedeexperimenten auf der Raumstation ISS ermöglicht. Als Substrate für diese Beschichtungen werden bei aktuellen Experimenten Heizelemente aus transparenten Werkstoffen, wie beispielsweise Bariumfluorid, oder Bariumsulfid eingesetzt. Diese Heizelemente müssen in ihrer geometrischen Ausführung stark an die Vorrichtung der Blasensiedeexperimente auf der ISS für einen minimalen Raum angepasst werden. Die Bi-Layer-Beschichtung des Heizers erfordert ebenfalls eine an den Grundkörper angepasste Modifikation des bisher genutzten PVD-Beschichtungsprozesses. Die Chromnitrid-Basisschicht muss derart hergestellt werden, dass sie auf Grund ihrer hohen Emissivität die Temperaturmessung in der Siedezone mittels Infrarotthermographie ermöglicht. Die Basisschicht (Abbildung 1), welche unmittelbar auf dem Trägermaterial (z.B. Bariumfluorid) abgeschieden wird, hat zugleich einen höheren elektrischen Widerstand als die Chrom-Decklage. Aus diesem Grund fungiert nur diese als Heizerschicht. Zur Gewährleistung der erforderlichen Heiztemperaturen des Fluids muss die Beschichtung definierte elektrische Widerstände in den geforderten Temperaturbereichen aufweisen. Das heißt der Widerstand sollte sich beim Aufheizen auf Siedetemperatur möglichst wenig verändern, damit die geforderte Temperatur eingeregelt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Astrium GmbH; Space Transportation (aufgelöst)