Von FAST zu FLASH: Feldunterstütztes Sintern von Oxidkeramiken durch Kontrolle des elektrischen Felds und der Stromdichte

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Bram; Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 319257740

Flash-Sintern ist ein neuartiger Prozess für die Verdichtung keramischer Werkstoffe. Der Prozess basiert auf einem Stromfluss durch einen keramischen Formkörper durch Anlagen eines elektrischen Feldes in Kombination mit externer Heizung der Probe. Bei Überschreiten einer spezifischen Temperatur, die maßgeblich von den elektrischen Eigenschaften der Keramik abhängt, wird die Probe ausreichend leitfähig und ein hoher Stromfluss über den Probenquerschnitt setzt ein. Die Folge ist eine Verdichtung der Keramik innerhalb von Sekunden in Verbindung mit heller Emissionsstrahlung. Da die eingebrachte elektrische Leistung fast vollständig von der Probe aufgenommen wird, wird Flash-Sintern als ein sehr energieeffizienter und ökonomischer Prozess diskutiert.Zum gegenwärtigen Zeitpunkt wurde das Flash-Sintern nur im Labormaßstab an kleinen Modellproben mit Hundeknochen- oder Stäbchen-Geometrie demonstriert. Die meisten Einflussfaktoren auf den Flash-Effekt wurden in sehr fundamentaler Weise in der Literatur diskutiert. Eine systematische Studie wie Parameter zur Initiierung des Flash-Effekts und Parameter, die dem Versuchsaufbau zugeordnet werden können, interagieren fehlt jedoch nach unserer Kenntnis. Aus diesem Grund wird ein Forschungskonzept vorgeschlagen, dass darauf zielt, den Flash-Effekt durch zuverlässige Vermeidung von Stromdurchschlägen (sog. Hot Spots) zu stabilisieren, die Verdichtung zu kontrollieren und das Gefüge einzustellen. Der wesentliche Schlüssel um diese Ziele zu erreichen ist die Entwicklung eines neuen Flash-Sinter Modus, das Flash-Sintern mit kontrolliertem Anstieg der Strom- bzw. der Leistungsdichte. Derartige Versuche werden in der Literatur bisher nur sehr vereinzelt beschrieben. Neben den experimentellen Arbeiten liefert die Kalkulation der Temperaturverteilung durch numerische Simulationen einen wichtigen Beitrag zur Kontrolle des Flash-Effekts. Die Erfolgsaussichten des beantragten Projekts werden durch Ergebnisse aus der ersten Förderperiode des SPP 1959 unterstützt. Das Flash-Sintern von Gadolinium dotiertem Ceroxid mit kontrolliertem Anstieg der Stromdichte wurde erfolgreich demonstriert. Es wurden mehrere wissenschaftliche Kooperationen mit führenden Wissenschaftlern im Bereich des Flash-Sinterns initiiert, die in der zweiten Förderperiode ausgebaut werden sollen. Weiterhin wird das in der ersten Förderperiode entwickelte mathematische Modell zur Vorhersage des Verdichtungsverhaltens und des Kornwachstums um die spezifischen Effekte des Flash-Sinterns, insbesondere des Einflusses hoher elektrischer Felder, erweitert.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1959: Manipulation of matter controlled by electric and magnetic fields: Towards novel synthesis and processing routes of inorganic materials