Atomistische Untersuchung der Korngrenzenevolution während des kalten Sinterns von protonenleitenden Oxiden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Olivier Guillon; Professor Dr. Joachim Mayer
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 455434186

Der Prozess des Cold Sintering wurde erst im Jahr 2016 entdeckt und wird heute vielfach als der neue Paradigmenwechsel für das Sintern von Keramiken bei niedrigen Temperaturen (<300°C) angesehen. Der Sinter-Prozess beruht auf der Anwendung von hohen Drücken, welche mit bis zu 600 MPa weit über den Drücken beim konventionellen Heißpressen liegen, und auf der Gegenwart eines flüssigen Sinteradditivs, meist Wasser oder wässrige Lösungen mit gelösten Prekursor-Anteilen der festen Phasen. Die neuen Verfahren der Verdichtung bei ultratiefen Temperaturen haben nicht nur ein großes Potenzial bei der Entwicklung von ultrafeinkörnigen Gefügen sondern auch zur Reduzierung des Energieverbrauchs und damit der CO2-Erzeugung bei den energieintensiven Sinterprozessen.Im vorgeschlagenen Projekt möchten wir ein grundlegendes Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen bis hinunter auf die atomistische Skala erzielen, damit zuverlässige Prozessroutinen und die Basis für die Einstellung neuer Eigenschaften bei Hochleistungskeramiken durch kaltes Sintern entwickelt werden können. Wir implementieren hierfür neue Methoden der hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie, mit der jeder Zustand des Sinterprozesses analysiert werden kann, einschließlich der Anfangsstadien mit flüssigen Sinteradditiven. Unsere Ergebnisse sollen den Schlüssel zum Verständnis, zur Prozesskontrolle bilden und ultimativ zur Etablierung des Cold Sintering als neues Verfahren zur Keramikherstellung dienen. Als Modellmaterial haben wir die protonenleitende Keramik Barium-Cerat-Zirkonat (BCZ) ausgewählt, um unsere Forschungshypothesen zu überprüfen und auf ein technologisch wichtiges System anzuwenden. Unser Ziel ist ein grundlegendes Verständnis der Mechanismen des kalten Sinterns dieses Materials und wie die neue Prozesstechnologie die elektrochemischen Eigenschaften beeinflussen kann. BCZ bietet dabei herausragende Eigenschaften als Protonenleiter in Anwendungen wie protonenleitenden Brennstoffzell-Membranen sowie Membranen für Wasserstoffgewinnung aus grünen Energietechnologien und Abgasen diverser industrieller Prozesse.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen