Rissbildung in nanopartikulären dünnen Schichten und der Einfluss der Netzwerkformation, induziert durch Kapillarkräfte

• Antragsteller: Professor Dr. Norbert Willenbacher, seit 10/2016
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263644168

Die Rissbildung stellt ein bedeutendes Problem bei der Herstellung dünner, Filme aus nanopartikulären Dispersionen auf festen Trägermaterialien dar. Die Bewegung der Partikel und die resultierend Rissbildung innerhalb der Schicht können die Produkteigenschaften bis hin zur totalen Funktionslosigkeit verschlechtern. Ursächlich für die Ausbildung von Rissen ist die Migration der Partikel nahe der Trocknungsfront (ähnlich wie beim Kaffeering) oder auch Spannungsspitzen, bedingt durch den Schrumpf der dünnen Schichten während der Trocknung (wie z.B. bei ausgetrockneten Böden). Oft wird versucht diese Rissbildung durch geeignete Temperaturprofile oder kontrollierte Luftfeuchtigkeit während der Trocknung zu unterdrücken bzw. mögliche Risse durch Tempern wieder zu entfernen. In beiden Fällen steigen die Dauer und die Kosten die Herstellung. Wir stellen hier eine Möglichkeit vor ein stabiles Netzwerk wie es in Kapillarsuspensionen vorliegt zu nutzen, um die Materialfestigkeit zu verbessern, die Beweglichkeit der Partikel einzuschränken und so die Rissbildung bei schneller Trocknung zu verringern. Vorversuche haben gezeigt, dass durch die Zugabe kleinster Mengen einer zweiten Flüssigkeit zu einer Suspension die Rissbildung in dünnen Schichten verringern kann solche Suspensionen werden auch Kapillarsuspensionen genannt, weil Kapillarkräfte die Struktur und Fließeigenschaften solche Suspensionen bestimmen. In diesem Projekt soll ermittelt werden, wie die Rissbildung von der verwendeten Menge an Zweitflüssigkeit, den Trocknungsbedingungen und Materialeigenschaften abhängt. Die Rissbildung soll an Modellsystemen aus Glaskugeln mittels Particle Tracking charakterisiert und mögliche Zusammenhänge mit den rheologischen Eigenschaften der Suspension untersucht werden. Weiterhin soll der Mechanismus der Rissbildung untersucht und festgestellt werden, welche Parameter für die Ausbildung und Dimension der Risse maßgebend sind. Abschließend sollen diese Erkenntnisse verwendet werden, um rissfreie, dünne Schichten zu entwickeln, die z.B. in druckbaren Dünnschichtsolarzellen oder flexiblen Elektronikbauteilen Anwendung finden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerin: Professorin Dr. Erin Koos, bis 9/2016