Prozessanalyse und -steuerung von Zerstäubungs- und Mischzonen in Sprayflammen

Die Synthese nanopartikulärer metalloxide in der Gas-Phase mittels Flammensprühpyrolyse ermöglicht die Herstellung hochreiner funktioneller Materialien unter kontrollierten Bedingungen, bei denen metallische Ausgangsstoffe im Brennstoff gelöst und durch Zerstäubung und Verbrennung oxidiert werden. Die hochgradig komplexen chemo-physikalischen Prozessschritte (Strömungsführung der Präkursoren und Gase, Fluid-Zerstäubung, Sprayausbildung, Tropfenverdampfung, Verbrennung, Partikelnukleation- und Wachstum) laufen dabei gekoppelt und auf sehr unterschiedlichen Raum- und Zeit-Multiskalen ab (Tropfenlebenszeit, Verdampfung, Reaktion und Hochtemperaturverweilzeit). Gesamtziel des vorliegenden Projektes ist es, die zeitliche und örtliche Dynamik der Reaktionen der primären Prozessschritte (Präkursor-Chemie, Zerstäubung, Reaktion, Mischzone, Quenchgas) aufzulösen, um so mit einem fundamentalen Prozessverständnis weitere Entwicklungspotentiale für diesen Partikelsyntheseprozess zu eröffnen. Systematische Untersuchungen der Tropfengröße und Tropfengeschwindigkeit um die Wechselwirkungen von Tropfen miteinander und mit der Prozessumgebung (Gasgeschwindigkeit, Quenchgas, Verdampfungskinetik, Tropfentemperatur) werden erweitert und können so zur Optimierung der Strömungsführung und schließlich der Partikelsynthese beitragen. Die Abhängigkeiten der Tropfen- und Gasdynamik von Materialsystemen und Präkursorkonzentrationen geben Aufschluss über die Verdampfungsmechanismen, Phasenumwandlungen im Tropfen (Gas-Partikel und Tropfen-Partikel-Mechanismus) und Konzentrationsgradienten im Spray. Die Erfassung dieser Dynamiken unter verschiedenen Prozessbedingungen bildet die Basis für eine akkurate Prozesssteuerung für die Synthese verschiedenster Materialien bis hin zu Multi-Komponenten Partikeln.

DFG-Verfahren Schwerpunktprogramme

Teilprojekt zu SPP 1980:  Nanopartikelsynthese in Sprayflammen SpraySyn: Messung, Simulation, Prozesse