Untersuchungen zum Abscheidemechanismus bei der aerosolbasierten Kaltabscheidung von Keramiken durch Aufklären der Vorgänge beim Aufprallen von Mikrometer-Partikeln auf Oberflächen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ralf Moos; Privatdozent Dr.-Ing. Martin Seipenbusch
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434829389

In den letzten Jahren ist ein neues Verfahren zur Herstellung dichter keramischer Schichten aufgekommen, welches gegenüber den etablieren Hochtemperatur-Verfahren einige Vorteile hat. Um keramische Bauteile und Schichten herzustellen, benötigt man üblicherweise Sintertemperaturen über 1000°C. Dadurch lassen sich kaum keramische Schichten auf niedrigschmelzende Metalle, Gläser oder Polymere aufbringen. Mit dem neuen Verfahren, der Aerosol-Depositionsmethode (ADM), kann man die keramischen Schichten direkt aus dem entsprechenden Pulver abscheiden. Es handelt sich um ein vollständig kaltes Verfahren, bei dem weder Trägergas noch Pulver oder Substrat beheizt werden müssen. Das Pulver wird hierzu aerosolisiert und in einer auf die zu beschichtende Fläche gerichteten Düsenströmung auf dieser abgeschieden.Der genaue Mechanismus der Schichtbildung ist aber weiterhin ungeklärt. Bislang ist bekannt, dass die hohe kinetische Energie der Partikel, die idealerweise Durchmesser im Bereich von einigen hundert nm bis zu einigen Mikrometern besitzen, beim Aufprall auf das Substrat zum Aufbrechen in nanometergroße Bruchstücke führt. Nach Ausbildung einer Verankerungsschicht auf dem Substrat kommt es zu einem kontinuierlichen Aufbau und zur Verdichtung der Schicht. Dieser Vorgang wird als "Room Temperature Impact Consolidation" (RTIC) bezeichnet.Ähnliche Phänomene findet man bei der Untersuchung der Festigkeit von Partikelagglomeraten durch Prallfragmentierung. Dort werden diese mit hohen Geschwindigkeiten in einem sogenannten Impaktor aus einer Düsenströmung auf eine Oberfläche abgeschieden. Auch hier laufen beim Aufprall der Partikeln auf die Trägeroberfläche offenbar Prozesse ab, die bisher nur unzureichend verstanden sind. Insbesondere ist das Phänomen des Abprallens von Partikeln bei der Impaktion bisher nicht vollständig verstanden. Hier spielen die Fließgrenzen von Partikeln und Prallplatte eine Rolle. Zusätzlich kann es auch zur elektrostatischen Aufladung von Partikeln durch das Phänomen der Kontaktaufladung kommen, welche über Coulomb-Wechselwirkungen mit der Prallplatte ebenfalls Einfluss auf die Abscheideeffizienz haben kann. Vorhersagen aufgrund makroskopischer Materialeigenschaften erklären jedoch häufig nicht die experimentellen Beobachtungen.Beim Vergleich der beiden Prozesse, in der die beiden Arbeitsgruppenleiter Vorarbeiten geleistet haben, zeigt sich eine große Schnittmenge sowohl hinsichtlich der experimentellen Befunde als auch in den Problemstellungen. Übergeordnetes Ziel des vorgeschlagenen experimentellen Projekts soll es daher sein, diejenigen Vorgänge, welche zwischen dem Auftreffen der Partikeln und ihrem Einbau in eine feste Schicht stattfinden besser zu verstehen. Hierdurch sollen zum einen die Ergebnisse der Prallfragmentierung von Aerosolpartikeln besser interpretiert werden können und zum anderen der Aufbau von Partikelschichten durch Impaktion präziser gesteuert und die Qualität von keramischen Schichten aus der ADM verbessert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Ulrich Nieken