24.04.2020 - Universität Bayreuth

Keramikschichten für Hochtechnologien: Neues Sprühverfahren optimiert

Aerosolbasierte Kaltabscheidung bringt dichte Keramikschichten auf verschiedene Materialarten auf

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.

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.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Uni Bayreuth
  • News

    Klimaschutz: Chemiker entwickeln neues Material zur CO₂-Abtrennung aus Industrieabgasen

    Chemiker der Universität Bayreuth haben ein Material entwickelt, das einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz und zu einer nachhaltigen Industrieproduktion leisten kann. Mit diesem Material kann das Treibhausgas Kohlendioxid (CO₂) aus Industrieabgasen, Erdgas oder Biogas präzise abgetrennt u ... mehr

    Stickstoff – eine Ausnahme im Periodensystem?

    Im Periodensystem gilt für Kohlenstoff, Sauerstoff und andere leichte Elemente eine Goldene Regel: Unter hohen Drücken besitzen sie ähnliche Strukturen wie schwerere Elemente in der gleichen Elementgruppe. Nur Stickstoff schien bisher aus der Reihe zu tanzen. Jetzt aber haben Hochdruck-Fors ... mehr

    Auf dem Weg zur Bioökonomie: Leistungsstarker Biokatalysator entdeckt

    In der Bioökonomie treten biotechnologische Verfahren an die Stelle von Syntheseverfahren, die fossile Ressourcen verbrauchen. Mikroorganismen und Enzyme werden dabei als Biokatalysatoren gezielt für die industrielle Produktion genutzt. Forscher der Universität Bayreuth haben jetzt ein Enzy ... mehr

  • q&more Artikel

    Authentische Lebensmittel

    Authentische Lebensmittel erfreuen sich bei Konsumenten zunehmender Beliebtheit. Ein regionales, sortenreines und/oder speziell hergestelltes Produkt ist in einem stark industrialisierten Markt in steigendem Maß ein Garant für mehr Wertschöpfung. Gerade im Premiumsegment lassen sich durch ö ... mehr

    Mehr als Honig?

    Seit Jahrtausenden ist „Honig“ ein Inbegriff für ein naturbelassenes und gesundes Lebensmittel. Dementsprechend erfreut sich Honig auch bei Konsumenten steter Beliebtheit – gerade in Zeiten, in denen biologische Lebensmittel und eine gesunde Lebensweise aktueller sind als je zuvor. mehr

    Extraportion Zink

    Mächtige Unterarme, Pfeife im Mund, Matrosenhut. In Sekundenschnelle ist die Dose Spinat geöffnet und ­geleert. Mit nun übermenschlicher Kraft geht es in die nächste Rauferei. So kennen wir Popeye, den Seemann. Das Geheimnis seiner Stärke ist der hohe Eisengehalt von Spinat. Mit dieser Vors ... mehr

  • Autoren

    Dr. Christopher Igel

    Jg. 1990, absolvierte von 2009 bis 2013 sein Bachelor-Studium in Biochemie an der Universität Bayreuth. Die Bachelorarbeit zum Thema „Honiganalytik mittels NMR“ fertigte er am Forschungszentrum BIOmac unter der Leitung von Prof. Dr. Schwarzinger an. mehr

    Wolfrat Bachert

    Jg. 1987, begann zunächst ein Studium des Maschinen­baustudium an der TU Dresden, eher er 2009 zum Studium der Biologie an die ­Universität Bayreuth wechselte, wo er 2013 am Lehrstuhl für Biochemie unter der Leitung von Prof. Dr. Wulf Blankenfeldt seine Bachelorarbeit zum Thema „Charakteri­ ... mehr

    Christopher Synatschke

    Christopher Synatschke hat an der Universität Bayreuth und der University of New South Wales, Sydney Chemie mit Schwerpunkt Polymerforschung studiert und ist seit 2009 Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Axel H. E. Müller an der Universität Bayreuth. Seine Forschungsinteressen sind die ... mehr