SPP 1299:  Adaptive Oberflächen für Hochtemperatur-Anwendungen

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 28443546

Metallische und keramische Werkstoffe werden in der Regel als "tote" Materie betrachtet. Insbesondere bei erhöhten und hohen Temperaturen (ca. 650-1100 °C) besitzen jedoch maßgeschneiderte Werkstoffoberflächen das Potenzial, wie lebende Hautsysteme auf ihre Umwelt mit spezifischen Eigenschaften zu reagieren und somit einem technischen Bauteil zu besonderen Funktionalitäten zu verhelfen. Als Beispiele für solche Funktionalitäten, die aus einer aktiven Reaktion auf Umgebungseinflüsse bei hohen Temperaturen resultieren können, seien genannt:
(1) Ausbildung einer definierten Oberflächenmikrostruktur durch lokale oder integrale Schwellung/Schrumpfung, die u. a. den Gasströmungswiderstand beeinflussen kann ("Haifischhauteffekt").
(2) Aufbau von Schutzfunktionen gegen Wärmedurchtritt und chemischen Angriff.
(3) Selbstreinigung bzw. Abstoßung von Ablagerungen durch mikrostrukturelle und/oder chemische Effekte.
(4) "Atmung" bzw. "Transpiration" durch Membranfunktionen (Aufnahme bzw. Abgabe von Schmierstoffen, Freisetzen von Depotphasen, selektiver Durchtritt von Elementen bzw. Verbindungen).
(5) Erfassung von physikalischen und chemischen Parametern (Druck, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit, Barrierewirkung bzw. Unversehrtheit, chemische und physikalische Indikatorfunktionen).
(6) Regeneration (Selbstheilung bei Oberflächenschädigungen).
Alle diese Eigenschaften lassen sich durch geeignete vorbereitende chemische und/oder physikalische Behandlung der Oberflächen, gefolgt von einer anschließenden (betrieblichen) Exposition bei hohen Temperaturen, erreichen ("Hochtemperaturaktivierung"). Die Wege können hierbei über eine generelle oder mikro-/nanostrukturierte Modifizierung der Zusammensetzung bzw. Geometrie der Werkstoffoberflächen und/oder -randzonen durch z. B. Mikrolegieren, Ionenimplantation, Sputtern, PVD, CVD, thermisches Spritzen und andere Depositionsverfahren (maskiert, räumlich gesteuert, zeitgesteuerte bzw. gepulste, lokale und globale Variation der physikalisch chemischen Prozessparameter) führen, um Precursorsysteme für den Hochtemperaturaktivierungsprozess herzustellen. Die wichtigsten Ziele des Schwerpunktprogramms sind:
(1) Erarbeitung der wissenschaftlichen Grundlagen zur Herstellung adaptiver ("lebender") Oberflächen mit unterschiedlichen Funktionalitäten für Hochtemperaturanwendungen durch vorbereitende Oberflächenmodifizierung und anschließende Hochtemperaturaktivierung,
(2) Entwicklung von Strategien und Methoden zum dauerhaften Erhalt der Funktionalitäten beim Hochtemperatureinsatz.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme

Projekte

• Eine Haifischhaut für Hochtemperaturanwendungen - strömungsoptimierte Schutzschichten (Antragsteller Leyens, Christoph ;  Reimers, Walter ;  Schulz, Uwe ;  Schütze, Michael )
• Gläser aus Siliziumoxykarbid mit adaptiven haifischartigen Oberflächentexturen: Kontrollierte Strukturierung und Simulation der Wärmeübertragung (Antragsteller Bockhorn, Henning )
• Herstellung und Charakterisierungsverfahren für nanoskalige magnetische Sensorphasen in Hochtemperatur-Schutzschichten (Antragsteller Quandt, Eckhard )
• Hochtemperatur-Funktionalisierung von adaptiven Oberflächen-Mikrostrukturen - "Haifischhaut" (Strömungsoptimierung) und Selbstreinigung - (Antragsteller Schaaf, Peter ;  Wilden, Johannes )
• Hochtemperaturaktivierte Hartstoffschichten als funktionale Oberflächensysteme für Umformwerkzeuge (Antragstellerinnen / Antragsteller Bach, Friedrich-Wilhelm ;  Bobzin, Kirsten )
• Innere Ausscheidungen als Template für oxidische Deckschichten mit hohem Emissionskoeffizienten und optimierter Barrierewirkung (Antragsteller Mayer, Joachim ;  Quadakkers, Willem Joe )
• Koordinierungsaufgaben im Schwerpunktprogramm 1299: Adaptive Oberflächen für Hochtemperaturanwendungen - Das Haut-Konzept (Antragsteller Leyens, Christoph )
• Mikrobiologisch/chemisch erzeugte adaptive Oberflächen für keramische Hochtemperaturwerkstoffe (Antragsteller Kappler, Andreas ;  Nickel, Ph.D., Klaus G. )
• Nanostrukturierte magnetische Dünnschicht-Komposite für Anwendungen in der Hochtemperatur-Sensorik (Antragsteller Ludwig, Alfred ;  Quandt, Eckhard ;  Stüber, Michael )
• Plasma-Diagnostik zur in situ Messung konventioeneller Plasmen und hoch metallionenhaltiger HIPIMS-Plasmen zum Ionenätzen und für die Abscheidung von Dünnschichten. (Antragsteller Leyens, Christoph )
• Projekt Analyse Technologietransfer Verwertungsagent - PATE-VA (Antragstellerin Pechmann, Agnes )
• Selbstkontrolle der NOx-Katalysatoren durch bauteilintegrierten Sensoren bei Hochtemperaturanwendungen (Antragstellerinnen / Antragsteller Grünert, Wolfgang ;  Saruhan-Brings, Bilge )
• Sensorfunktion für Hochtemperaturschutzschichten zur in situ Erfassung des Degradationszustands (Antragsteller Quadakkers, Willem Joe ;  Quandt, Eckhard ;  Schütze, Michael )
• Synthese und Charakterisierung von adaptiven, schadenstoleranten Keramikoberflächen auf der Basis von MAX-Phasen-Nanolaminaten (Antragsteller Leyens, Christoph ;  Schneider, Ph.D., Jochen M. )
• Thermisch aktivierbare keramische Schutzschichten mit adaptiven Eigenschaften auf Basis präkeramischer Polymere (Antragsteller Motz, Günter ;  Scheffler, Michael )
• Thermoresistant Ceramic Membrane with Integrated Gas Sensor for High Termperature Separation and Detection of Hydrogen and Carbon Monoxide (Antragstellerinnen / Antragsteller Gurlo, Aleksander ;  Saruhan-Brings, Bilge ;  Voigt, Ingolf ;  Weimar, Udo )

• Sprecher: Professor Dr.-Ing. Christoph Leyens