Herstellung und Sinterung von keramischen und glasigen Schichten aus Nanopulvern

• Applicant: Professor Dr. Rolf Clasen
• Subject Area: Materials in Sintering Processes and Generative Manufacturing Processes
• Term: from 2008 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 65164526

Um die Eigenschaften von Bauteilen zu verbessern oder vollständig zu modifizieren, haben sich funktionelle Schichten als sehr wirkungsvoll erwiesen. Je nach Anforderung an die Oberflächengüte und deren Eigenschaften kommen zahlreiche Beschichtungsverfahren wie thermische Spritzverfahren, Lackieren oder Dünnschichttechniken (PVD, Sputtern, CVD, Sol-Gel-Verfahren) zum Einsatz. Im Bereich der nichtmetallisch-anorganischen Schichten haben sich für Silikatkeramiken und Stahl Glasuren bzw. Emails als Standardverfahren, vorrangig zur Dekorierung und Verbesserung der Oberflächeneigenschaften, etabliert. Zur Herstellung von dünnen Schichten (Dicke < 1 μm) für großflächige optische Anwendungen (z. B. Entspiegelungsschichten) werden Sol-Gel-Tauchbeschichtungen seit langer Zeit industriell eingesetzt. Mit dem Sol-Gel-Verfahren ist ein sehr weiter Bereich stofflicher Zusammensetzungen darstellbar, jedoch sind die Schichtdicken bei einmaliger Beschichtung auf ca. 0,5 μm begrenzt. Dies kann zu Problemen bei Anwendungen mit verstärkter mechanischer Beanspruchung führen, bei denen mit einem erhöhten Verschleiß zu rechnen ist. Im Rahmen der „Chemischen Nanotechnologie“ wurden zahlreiche Varianten entwickelt, die teilweise die enorme Variationsbreite der organischen Chemie nutzen, dann jedoch in der Anwendungstemperatur begrenzt sind. Daher ist es das Ziel der geplanten Untersuchungen, größere Schichtdicken von 10 - 500 μm im Bereich der temperaturbeständigen nichtmetallisch-anorganischen Schichten zu erzielen und die Vorteile und Entwicklungspotenziale von Nanopulvern zu nutzen. Wie beim Sol-Gel-Verfahren ist auch bei Schichten aus Nanopulvern, die über eine Suspensionsroute (Nassverfahren) hergestellt werden, die rissfreie Trocknung der die Schichtdicke begrenzende Prozessschritt. Hinzu kommen die erhöhten Anforderungen an die abschließende Verdichtung der dickeren Pulverschicht, um die verbesserten thermischen und mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Es ist geplant, an den Modellsystemen SiO2 und Al2O3 als Vertreter für ein Hochleistungsglas bzw. Hochleistungskeramik, die sich beide durch höchste thermische, chemische und mechanische Eigenschaften auszeichnen, die Möglichkeiten zur Herstellung von dicken Schichten aus Nanopulvern im Bereich von 10 - 500 μm auf Glassubstraten zu untersuchen. Hierzu sollen Pulverschichten über die Tauchbeschichtung und elektrophoretische Abscheidung (EPD) hergestellt und die Verfahrensparameter so optimiert werden, dass diese rissfrei getrocknet werden können. Um diese Schichten, deren Sintertemperatur oberhalb der Schmelztemperaturen der Substrate liegt, abschließend zu verdichten, müssen alternative Sinterverfahren eingesetzt werden, die eine ortsselektive Erhitzung ermöglichen. Dies soll durch eine kontrollierte Erhitzung mit einem CO2-Laser erfolgen. Wenn der experimentelle Nachweis der Herstellung dickerer Schichten gelingt, sollen abschließend die Entwicklungspotenziale der Schichten aus Nanopulvern im Bereich der Nanokomposite (optische Effekte, quantum size Effekt, verbesserte mechanische Eigenschaften) aufgezeigt werden.

• DFG Programme: Research Grants