Kera­mik­schich­ten für Hoch­tech­no­lo­gien: Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­ler opti­mie­ren neu­es Sprüh­ver­fah­ren

Kera­mik­be­schich­tun­gen konn­ten lan­ge Zeit nur durch Sin­ter­tech­ni­ken bei mehr als 1.000 Grad Cel­si­us erzeugt wer­den. Ein noch jun­ges Sprüh­ver­fah­ren, die aero­sol­ba­sier­te Kalt­ab­schei­dung, ermög­licht ihre Her­stel­lung jedoch schon bei nor­ma­len Raum­tem­pe­ra­tu­ren. Sie ist daher für indu­stri­el­le Anwen­dun­gen hoch­at­trak­tiv. Inge­nieur­wis­sen­schaft­ler der Uni­ver­si­tät Bay­reuth unter der Lei­tung von Prof Dr.-Ing. Ralf Moos sind an der Wei­ter­ent­wick­lung die­ser Tech­no­lo­gie inter­na­tio­nal füh­rend betei­ligt. In der Zeit­schrift „Advan­ced Mate­ri­als“ stel­len sie deren Vor­zü­ge vor und zei­gen, wie die funk­tio­nel­len Eigen­schaf­ten der Kera­mik­schich­ten im Hin­blick auf High-Tech-Anwen­dun­gen opti­miert wer­den kön­nen.

Schema der aerosolbasierten Kaltabscheidung. Bild: UBT.

Sche­ma der aero­sol­ba­sier­ten Kalt­ab­schei­dung. Bild: UBT.

Mit der aero­sol­ba­sier­ten Kalt­ab­schei­dung (Pow­der Aero­sol Depo­si­ti­on, PAD) las­sen sich dich­te Kera­mik­schich­ten auf sehr ver­schie­de­ne Arten von Mate­ria­li­en auf­brin­gen, wie etwa auf Stahl, Glas, Sili­zi­um oder sogar auf Kunst­stoff. Dafür wird zunächst ein trocke­nes kera­mi­sches Pul­ver mit­hil­fe eines Trä­ger­ga­ses in ein Aero­sol, das heißt in eine Mischung aus Gas und festen Par­ti­keln, über­führt. Anschlie­ßend wird das Aero­sol in einer Vaku­um­kam­mer durch eine Düse auf meh­re­re 100 Meter pro Sekun­de beschleu­nigt und auf das zu beschich­ten­de Mate­ri­al gelenkt. Beim Auf­prall bre­chen die win­zi­gen Kera­mik­par­ti­kel auf. Die dadurch ent­ste­hen­den, weni­ge Nano­me­ter gro­ßen Bruch­stücke besit­zen fri­sche akti­ve Ober­flä­chen. Sie bil­den fest haf­ten­de dich­te Beschich­tun­gen mit einer Dicke zwi­schen einem und 100 Mikro­me­tern.

„Dank ihrer dich­ten Fein­struk­tur wei­sen die Beschich­tun­gen bereits direkt nach dem Auf­sprü­hen her­vor­ra­gen­de mecha­ni­sche Eigen­schaf­ten auf. Sie sind außer­or­dent­lich hart und besit­zen eine gute che­mi­sche Bestän­dig­keit“, erklärt Dr.-Ing. Jörg Exner, der Erst­au­tor der Stu­die, der die For­schungs­ar­bei­ten zur PAD an der Uni­ver­si­tät wesent­lich vor­an­ge­trie­ben hat. Wie sich aller­dings her­aus­ge­stellt hat, blei­ben funk­tio­nel­le Eigen­schaf­ten der Beschich­tun­gen, ins­be­son­de­re die elek­tri­sche Leit­fä­hig­keit, ohne wei­te­re Schrit­te unzu­rei­chend. In ihrer neu­en Stu­die berich­ten die Bay­reu­ther Inge­nieur­wis­sen­schaft­ler jetzt aber über erfolg­rei­che Wege zur Opti­mie­rung.

Kri­stal­li­ne Struk­tu­ren sind dabei von ent­schei­den­der Bedeu­tung. Der hef­ti­ge Auf­prall der Kera­mik-Par­ti­kel auf den Mate­ria­li­en ver­ur­sacht Struk­tur­de­fek­te in den ent­ste­hen­den Bruch­stücken. Dar­un­ter lei­den nicht nur die elek­tri­sche Leit­fä­hig­keit, son­dern auch wei­te­re Funk­ti­ons­ei­gen­schaf­ten. „Durch eine Nach­be­hand­lung mit Wär­me, dem soge­nann­ten Tem­pern, las­sen sich die­se Defek­te fast voll­stän­dig behe­ben. Wir konn­ten zei­gen, dass die hier­für erfor­der­li­chen Tem­pe­ra­tu­ren in der Regel weit­aus gerin­ger sind als beim kon­ven­tio­nel­len Sin­tern. Die Ver­mei­dung die­ser extrem hohen Tem­pe­ra­tu­ren macht ja gera­de die aero­sol­ba­sier­te Kalt­ab­schei­dung so attrak­tiv. Es bleibt des­halb dabei: Die­se Tech­no­lo­gie bie­tet ein sehr hohes indu­stri­el­les Poten­zi­al, ins­be­son­de­re wenn qua­li­ta­tiv hoch­wer­ti­ge Kera­mik­schich­ten gefragt sind“, resü­miert Exner.

Von den beab­sich­tig­ten tech­no­lo­gi­schen Anwen­dun­gen hängt es ab, wel­che kera­mi­schen Werk­stof­fe jeweils auf­ge­sprüht wer­den: Für Kon­den­sa­to­ren eig­nen sich dielek­tri­sche Kera­mi­ken, für Sen­so­ren wer­den elek­trisch leit­fä­hi­ge Funk­ti­ons­ke­ra­mi­ken bevor­zugt, und in Hoch­tem­pe­ra­tur-Brenn­stoff­zel­len kommt Yttri­um-sta­bi­li­sier­tes Zir­ko­ni­um­oxid zum Ein­satz. Selbst Lithi­um­io­nen-Bat­te­rien las­sen sich damit her­stel­len.

Das an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ent­wickel­te wis­sen­schaft­li­che Ver­ständ­nis der Kera­mik­struk­tu­ren und deren Funk­ti­ons­ei­gen­schaf­ten wird wesent­lich dazu bei­tra­gen, dass hoch­wer­tig beschich­te­te Bau­ele­men­te auf scho­nen­de Wei­se in kom­ple­xe Syste­me ein­ge­baut wer­den kön­nen. Neue Tech­no­lo­gien, etwa auf Gebie­ten der Ener­gie­spei­che­rung und ‑umwand­lung oder zum Zweck des Umwelt­mo­ni­to­ring, kön­nen daher von Anwen­dun­gen der aero­sol­ba­sier­ten Kalt­ab­schei­dung erheb­lich pro­fi­tie­ren.

Ver­öf­fent­li­chung:

Jörg Exner, Tobi­as Naza­re­nus, Domi­nik Hanft, Jaroslaw Kita, Ralf Moos: What Hap­pens during Ther­mal Post?Treatment of Pow­der Aero­sol Depo­si­ted Func­tio­n­al Cer­a­mic Films? Explana­ti­ons Based on an Experiment?Enhanced Lite­ra­tu­re Sur­vey. Advan­ced Mate­ri­als (2020), doi: https://​doi​.org/​1​0​.​1​0​0​2​/​a​d​m​a​.​2​0​1​9​0​8​104