Aerosolbasierte Kaltabscheidung: Co-Deposition von Funktionsmaterialien und Füllstoffen zur Substitution einer nachfolgenden Wärmebehandlung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ralf Moos
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408251943

Inhalt dieses Projektes sind grundlegende Untersuchungen zum Verfahren der aerosolbasierten Kaltabscheidung (auch Aerosoldepositionsmethode, ADM), die auf neueren Erkenntnissen des Abscheidemechanismus beruhen. So können für alle mittels der ADM erzeugten Schichten direkt nach der Kaltabscheidung im Vergleich zu gesinterten Probekörpern (Bulk) verringerte Funktionseigenschaften (insbesondere hinsichtlich der ionischen oder elektronischen Leitfähigkeit) beobachtet werden. Erst durch eine dem AD-Prozess nachfolgende thermische Behandlung können diese Eigenschaften verbessert werden, so dass dann auch in der Schicht dauerhaft die gleichen elektrischen Eigenschaften wie beim Bulkwerkstoff vorliegen. Die dazu nötigen Temperaturen liegen deutlich unterhalb derjenigen Temperaturen, die für ein Kornwachstum benötigt werden. Ursache für die schlechteren Funktionseigenschaften der AD-Schichten direkt nach der Beschichtung sind mechanische Mikrospannungen, die prozessbedingt bei der Schichtbildung entstehen. An diesem Punkt setzt der vorliegende Antrag an. Hierbei steht die Reduzierung bzw. die vollständige Vermeidung einer dem AD-Prozess nachgeschalteten Wärmebehandlung im Fokus. Dies soll durch die Zugabe (Co-Deposition) von chemisch und elektrisch inerten Füllstoffen (CaF2, PE/PP und Al2O3) zu Funktionswerkstoffen (YSZ, STF) ermöglicht werden. Dabei kommt dem Füllmaterial die Funktion eines mechanischen Pufferwerkstoffes zu, wodurch eine Verringerung der schichtimmanenten Mikrospannungen erzielt werden soll. Unklar ist dabei derzeit der genaue Einfluss des Füllstoffs auf den Schichtbildungsprozess. Um den Zusammenhang zwischen dem inerten Füllstoff und dem Funktionswerkstoff auf die Schichteigenschaften beurteilen zu können, werden mehrere Füllmaterialien und zwei Funktionswerkstoffe miteinander kombiniert. Die Abscheidung erfolgt dann als Co-Deposition einer Pulvermischung. Zudem werden die Mischungsverhältnisse der entsprechenden Pulvermischungen variiert. Mit steigender Zugabe an Füllmaterial wird davon ausgegangen, dass einerseits schichtimmanente Spannungen reduziert werden können. Andererseits kommt es jedoch zu einer "Verdünnung" und die Funktionseigenschaften der Schicht, die auf dem Funktionsmaterial beruhen, werden reduziert. Um einen möglichst hohen Anteil an Funktionsmaterial an der Mischung zu realisieren, ist in einem weiteren Prozessschritt der Aufbau einer Gradientenschicht Bestandteil der Arbeiten. Hierbei soll in Abhängigkeit der Beschichtungshöhe der Anteil an Funktionsmaterial in der Mischung variiert werden, um dicke Schichten mit minimalen Spannungen und hohem Anteil an Funktionswerkstoff zu realisieren.Die Untersuchungen im Zuge des Projekts sollen also das grundlegende Verständnis des Schichtbildungsprozesses erweitern, dabei aber auch neue Möglichkeiten erschließen, niedrigschmelzende Komponenten mit Funktionsmaterialien stoffschlüssig zu verbinden ohne die Funktionseigenschaften stark zu verschlechtern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen