Thermisch gespritzte Zn2TiO4-Heizschichten mit anpassbaren, elektrothermischen Eigenschaften

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Leyens; Dr. Annegret Potthoff
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428362963

In den Vorarbeiten wurde an thermisch gespritzten halbleitenden Heizschichten auf Titan-oxidbasis eine Alternative zu metallischen Heizschichten entwickelt und deren Funktionsfähigkeit demonstriert. Als Vorteile sind die homogenere Wärmeverteilung auf der Bauteiloberfläche und der geringe Arbeitsaufwand durch vollflächige Beschichtung zu nennen. Die Begrenzung der Einsatztemperatur auf 300 °C ist der wesentlichste Nachteil. Bei einer Überschreitung kommt es zur Oxidation und irreversiblen Erhöhung des elektrischen Widerstandes, was einer Zerstörung der Heizschicht gleichkommt. Mit Zinktitant (Zn2TiO4) soll eine bessere Temperaturstabilität erzielt werden und somit eine neue Generation an thermisch gespritzten Heizschichtsystemen geschaffen werden. Anhand der Eigenschaften und Anwendungsbereiche von Zn2TiO4 wurde die Temperaturstabilität im Antrag dargelegt. Eine Anwendung als thermische Spritzschicht ist bisher nur im Labormaßstab bekannt und bedarf intensiver Entwicklungsarbeit. Die geplante Verwendung von Suspensionen und Präkursoren wurde durch deren Vorteile hinsichtlich einer dichten und homogenen Schichtmikrostruktur begründet.Ein wesentlicher Vorteil, der untersucht werden soll, ist die gezielte Anpassung der elektro-thermischen Schichteigenschaften durch Donatoren. Die umfassenden Entwicklungsarbeiten der Antragsteller beim Suspensionsspritzen (Förderertechnik-, Injektoren-, Suspensions- und Schichtentwicklung) bilden die Basis neuartiger Zn2TiO4-Heizschichten, deren elektrothermischen Eigenschaften durch Donatoren gezielt angepasst werden können.Für die Entwicklungsarbeiten ist es notwendig, eine wissenschaftlich fundierte Basis für das Verständnis der Wechselwirkungen zu gewinnen. Dies betrifft im ersten Schritt die Suspension- und Präkursorenentwicklung und im zweiten Schritt die Schichtentwicklung um den Einfluss des Spritzprozesses zu untersuchen und im dritten Schritt die Beeinflussung durch Donatoren auf die resultierenden Schichteigenschaften zu analysieren und zu verstehen. Es gilt folgende Hypothesen aufzuklären:A) Aus Suspensionen und Präkursoren können Spritzschichten aus Zn2TiO4 hergestellt werden.B) Spritzschichten aus Zn2TiO4 sind thermisch stabiler als TiOx bzw. TiO2/20Cr2O3.C) Dotierungen aus MnO und NiO beeinflussen die elektrothermischen Eigenschaften von Zn2TiO4-Heizschichten (z.B. spezifischer elektrischer Widerstand und Tempera-turverhalten).D) Bei der Verwendung von Präkursoren können die Dotierungen in einem Mischkristall in der Schicht hergestellt werden. E) Durch die beim S-HVOF zu erwartende dichtere Schichtstruktur können beim Sus-pensionsspritzen bessere elektrische Eigenschaften erzielt werden als beim S-APS. Diese werkstoffwissenschaftlich-technologische Basis zu erarbeiten ist Gegenstand des be-antragten Forschungsvorhabens. Im späteren Projektverlauf ist eine Substitution der MnO- bzw. NiO-Donatoren möglich, um das gesetzte Ziel einer langzeitstabilen, anpassbaren Heizschicht nachzuweisen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen