Oxidische 3d-Gerüststrukturen für benetzungsvermittelte Formgebung von Polymeren und benetzungsvermitteltes Herstellen von Fügeverbindungen mit Polymeren

• Antragsteller: Professor Dr. Patrick Huber; Professor Dr. Martin Steinhart; Professor Dr. Ralf B. Wehrspohn
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 383411810

Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist benetzungsvermittelte Formgebung thermoplastisch nicht verarbeitbarer Polymere sowie benetzungsunterstützte Herstellung fester Polymer-Keramik/Metall-Fügeverbindungen durch kontrollierte Schmelz-Imbibition der Polymere in poröse oxidische 3d-Gerüste. Wir konnten zeigen, dass getrieben durch hohe Adhäsionskräfte selbst Schmelzen hochviskoser Polymere wie PTFE mit ultrahoher Molekülmasse 3d-Gerüste benetzen. Infiltration von PTFE-Mengen, die exakt zur Füllung des Porenvolumens bemessen sind, in die 3d-Gerüste erzeugt Hybride, die die Vorteile von PTFE (chemische Stabilität, niedrige Oberflächenenergie) mit durch das 3d-Gerüst implementierten Vorteilen wie Formpersistenz und Stabilität gegen Zerkratzen bei hohen Temperaturen kombinieren. Wir werden testen, ob diese Vorteilskombination Bestand hat, wenn leichter verarbeitbares PTFE mit mittleren Molekulargewichten verwendet wird. Als Anwendungsfälle werden bei hohen Temperaturen kratz- und formfeste PTFE-Beschichtungen sowie Fügeverbindungen mit haftvermittelnden oxidischen 3d-Gerüsten zwischen PTFE bzw. Elastomer und Keramik bzw. Metall untersucht.Um das Potential benetzungsvermittelter Formgebung und benetzungsvermittelten Fügens zu nutzen, muss das prädiktive Verständnis von Schmelz-Imbibition als zugrundeliegendem physikalischen Prozess erheblich verbessert werden. Um technisches Imbibitionsmanagement zu ermöglichen, soll der Einfluss kooperativer Perkolationsphänomene (Imbibitionsfront-Verbreiterung, Fingerbildung, lawinenartige Imbibitionsfrontrelaxationen) sowie von Einzelporenphänomenen (Slip, Adsorption, Kapillarität , Prekursorfilmbildung und Prekursorfilminstabilitäten) auf die Imbibitionsdynamik untersucht werden.Hierfür soll höchstauflösende Röntgenmikroskopie (HR-XRM) an der Auflösungsgrenze von 50 nm als zerstörungsfreie 3d-Bildgebung zur Beobachtung von Imbibition etabliert werden, die die Limitierungen zerstörender 3d-Bildgebungsverfahren wie FIB-Tomographie umgeht. HR-XRM-Routinen zur 3d-Abbildung nanoskaliger Hybride und von Imbibitionsfronten sowie für Mappings lokaler Porenfüllgrade sollen entwickelt werden. Es soll getestet werden, ob HR-XRM-Absorptionskontrast die Unterscheidung gefüllter und nichtgefüllter Gerüstbereiche als verschiedenartige effektive Medien erlaubt, wenn die Porengrößen unterhalb der XRM-Auflösung liegen. Weiterhin soll korrelative HR-XRM in bestimmten Probenvolumina vor und nach der Infiltration, für verschiedene Infiltrationsstadien sowie vor und nach mechanischer Belastung durchgeführt werden. Routinen für den Vergleich von HR-XRM-Daten mit Perkolationstheorien sollen etabliert und HR-XRM-Daten durch Korrelation mit Ergebnissen komplementärer Methoden wie optischer Interferometrie und 3d-FIB-Tomographie validiert werden. Das vorgeschlagene Projekt wird dabei von der Expertise profitieren, die das in Wehrspohns Gruppe angesiedelte XRM-Zentrum aufbaut.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen