Elektrophoretisches Verfahren zur Erzeugung von Keramiken mit gerichteten Porenkanälen
Final Report Abstract
Gegenstand des Projektes war die Ausnutzung der elektrolytischen Gasblasenbildung bei der elektrophoretischen Abscheidung (Electrophoretic deposition, EPD) aus wässrigen Suspensionen zur Herstellung poröser keramischer Strukturen. Während in der Vergangenheit verschiedene Methoden zur Vermeidung von Makroporen, die bei der Elektrophorese unter Verwendung wässriger Systeme durch Gasblasen hervorgerufen werden, entwickelt wurden, waren nur einzelne Arbeiten bekannt, die sich auf die Nutzung dieser Gasentwicklung zur Erzeugung poröser Werkstoffe beziehen. Die Gasblasenbildung wurde im Hinblick auf die meist angestrebte Erzeugung dichter Werkstoffe im Allgemeinen nur als unerwünschter Nebeneffekt der elektrophoretischen Abscheidung behandelt. Kenntnisse, wie sich die unterschiedlichen Einflussgrößen bei der EPD mit überlagerter elektrolytischer Gasentwicklung zur Erzeugung definierter Porenstrukturen ausnutzen lassen, fehlten weitestgehend. Besonders zu betonen ist, dass nach dem Stand des Wissens entsprechend dem nicht definierten Ort der Gasblasenbildung nur zufällige Porenkanalanordnungen erzielt werden konnten. Im Rahmen des Projektes wurden unter Verwendung verschiedener keramischer Materialien (ZrO2, α-Al2O3, SiC, Hydroxylapatit) erfolgreich plattenförmige Probekörper mit Dicken von einigen Millimetern und unidirektionalen Porenkanälen der entsprechenden Länge hergestellt. Dabei wurde gezeigt, wie verschiedene Suspensions- und Abscheidungsparameter genutzt werden können, um gezielt und reproduzierbar eine Vielzahl unterschiedlicher Porenstrukturen zu realisieren. Diese Strukturen unterscheiden sich in der Porosität, dem Porendurchmesser, der Form sowie der Homogenität der Anordnung der Porenkanäle bezogen auf die Grundfläche. Eine erste Gruppe von Einflussflussparametern wird durch die Suspensionszusammensetzung vorgegeben. Dazu gehören die Art und Menge an zugegebenen Elektrolyten und Dispergierhilfsmitteln, der Feststoffgehalt und die Oberflächenspannung. Die Bedingungen der elektrophoretischen Abscheidung, wie die angelegte Spannung oder vorgegebene Stromstärke, sind weitere Parameter, von denen die resultierende Porenstruktur abhängt, und über die sie gesteuert werden kann. Ein wesentliches Ergebnis besteht darin, dass sich die Anordnung der Porenkanäle über die Struktur der Abscheidungselektrode gezielt beeinflussen lässt. Die Abscheidung an Folien und Blechen führte zu einer statistischen Anordnung der gerichteten kanalartigen Poren. Im Gegensatz dazu ermöglichte die Verwendung von netzförmigen Abscheidungselektroden unter geeigneten Bedingungen die Realisierung von regelmäßigen Porenanordnungen, die weitestgehend der Netzstruktur folgten. Somit wurde ein Weg gefunden, eine hohe Gleichmäßigkeit in der Anordnung der Porenkanalstrukturen zu erreichen, wobei sich innerhalb bestimmter Grenzen der Porendurchmesser über die Maschenweite des Netzes einstellen lässt. Indem verschiedene Einflussparameter systematisch untersucht und Möglichkeiten der gezielten Einflussnahme aufgezeigt wurden, liefern die Ergebnisse eine wesentliche Grundlage für künftige Anwendungen der Kombination aus elektrophoretischer Abscheidung und elektrolytischer Gasblasenbildung als einer einfachen, schnellen und umweltfreundlichen Methode. Mögliche Anwendungen werden u. a. in Filtern, Katalysatorträgern für die Bioverfahrenstechnik und Sensorik sowie porösen Biokeramiken gesehen. In weiteren Arbeiten sollte die Methode auf die speziellen Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst und entsprechend weiterentwickelt werden. Auch die Erarbeitung der wissenschaftlichen Grundlagen des Verfahrens sollte in zukünftigen Arbeiten vertieft werden, insbesondere hinsichtlich der lokalen Bedingungen und Mechanismen bei der Abscheidung an netzförmig strukturierten Elektroden.
Publications
- Ceramics with regularly arranged tubular pores by electrophoretic deposition at gauze electrodes. Advanced Engineering Materials
Moritz, K.; Aneziris, C.G.
(See online at https://doi.org/10.1002/adem.201000202) - Electrophoretically deposited porous ceramics and their characterisation by X-ray computer tomography. 3rd International Conference on Electrophoretic Deposition: Fundamentals and Applications, Awaji Yumebutai Intl. Conference Center, Hyogo (Japan), 5. - 9. Oktober 2008 In: Key Engineering Materials Vol. 412 “Electrophoretic Deposition: Fundamentals and Applications III” (Eds.: A. R. Boccaccini, O. Van der Biest, R. Clasen, T. Uchikoshi), Trans Tech Publications, Stafa- Zürich, 2009, S. 255 – 260
Moritz, K.; Moritz, T.
- Elektrophoretisches Verfahren zur Herstellung keramischer Strukturen mit regelmäßig angeordneten gerichteten Porenkanälen. Offenlegungsschrift DE 10 2008 012 586 A1; Offenlegungstag: 10.09.2009
Moritz, K.
- ZrO2- und Al2O3-Keramiken mit gerichteter Porenstruktur durch elektrophoretische Abscheidung aus wässrigen Suspensionen. Symposium Hochleistungskeramik 2009 des Gemeinschaftsausschusses der DKG und der DGM, Aachen, 25./26. März 2009
Moritz, K.
- Elektrolytische Gasentwicklung bei der elektrophoretischen Abscheidung – Ausnutzung zur Erzeugung poröser keramischer Strukturen. DKG-Jahrestagung 2010, Hermsdorf/Thür., 22. - 24. März 2010
Moritz, K.; Aneziris, C. G.
- ZrO2 ceramics with aligned pore structure by EPD and their characterisation by X-ray computed tomography. J. Eur. Ceram. Soc. 30 (2010) 5, S. 1203 – 1209
Moritz, K.; Moritz, T.
