Entwicklung gradierter Zellularkeramik für hohe Beanspruchungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zellulare Keramiken sind in vielen wichtigen Anwendungsbereichen etabliert, für die die besonderen Eigenschaften dieser hochporösen Werkstoffe von zentraler Bedeutung sind. So werden diese Werkstoffe für Katalyseanwendungen, Filtration sowie für Wärmetausch- und -Speicherprozesse eingesetzt, während andere Anwendungen auf dem Prinzip Leichtbau beruhen und häufig auf eine Kombination günstiger Werkstoffeigenschaften wie Absorptionsfähigkeit mechanischer Energie, Schalldämpfungseigenschaften sowie Wämieisolationsvermögen zurückgehen. Generell ist festzuhalten, dass allen diesen Wirkprinzipien auch in der Biosphäre umfassende Bedeutung zukommt und die festen, aber zellularen Biostrukturen (z.B. Knochen, Bäume) vordergründig auf hohe mechanische Stabilität, in Wirklichkeit aber auf eine ausgeprägte Multifunktionalität ausgelegt sind. In der heutigen Technik werden die für solche Aufgaben vorgesehenen Keramiken häufig in Form von Wabenkörpern oder partikularen Schüttungen eingesetzt. Schwammartige Monolithe fallen demgegenüber hinsichtlich Qualität oder Funktion deutlich ab, was im Wesentlichen auf die Defizite des für keramische Schwammstrukturen meistens eingesetzten Replicaverfahrens (Schwartzwalder-Prozess) zurückgeht. Demgegenüber wird im vorliegenden Projekt die Direktschäumung keramischer Suspensionen grundlegend untersucht, um die Mechanismen der Strukturbildung zu verstehen und das Potential dieser einfachen Methode ausnutzen zu können. Das Ausgangssystem besteht aus einer stabilisierten Keramikpulversuspension, die durch Alkanzugabe in eine Emulsion überführt wird. Damit wird auf dem bewährten Kenntnisstand zur wässrigen Aufbereitung keramischer Schlicker aufgebaut, was für die Überführung der neuen Technologie in die technische Praxis vorteilhaft ist. Der Emulgierprozess der Pulversuspension eröffnet andererseits die gesuchten Freiheitsgrade zur Gefügevariation, wobei komplexe Wechselwirkungen zwischen den Systemkomponenten Keramikpulver, Wasser, Dispergierungsmittel, Alkan und Tensid zu beachten sind. Das Projekt hat ein umfassendes Verständnis der Wirkungsweise der wichtigsten Einflussfaktoren auf den Schäumungsprozess, die Gefügeentwicklung der getrockneten und gesinterten Schaumkörper sowie deren Eigenschaften (Permeabilität und Festigkeit) erbracht. Als wesentliche Faktoren wurden der Partikelgehalt der Suspension, der Alkangehalt, der (anionische) Tensidzusatz, der Alkantyp und die Rührgeschwindigkeit bei der Emulgierung untersucht. Dabei wurden die Bedingungen für die Einstellung einer stabilen Emulsion mit Angabe der volumenspezifischen Tröpfchenzahl in Abhängigkeit der Systemparameter identifiziert. Die erreichbaren Schäumungsstufen wurden in ihrer Abhängigkeit vom Alkangehalt und -typ klassifiziert. Das Parameterfeld wurde, soweit technisch sinnvoll, in seiner ganzen Breite mit Partikelgehalten bis 50 vol.-%, Alkananteilen von 5 bis 70 vol.-%, Tensid/Alkan-Verhältnissen von 0 bis 0,47 vol.-% und Rührgeschwindigkeiten von 600 bis 4000 UPM erfasst. Dabei wurden wichtige Untersuchungen z.B. zwischen HAPES und LAPES (High bzw. Low Alkane Phase Emulsified Suspension) getroffen und mit aussagekräftigen Gefügeanalysen der geschäumten emulgierten Pulversuspensionen (mittels Fluoreszenzmikroskopie) und der keramischen Schäume belegt. Eine breite Struktursystematik von weitgehend idealen Stegund Netzwerkstrukturen mit Porositäten bis 98% und Schaumkörpern mit monooder bimodalen Kugelporen konnte damit aufgelegt werden. Neben den Gesamtporositäten und dem Anteil an offener Porosität wurden auch die Zellgröße, die Zellfenstenweite und die Wand- bzw. Stegdicke in Abhängigkeit der System- und Prozessvariablen beschrieben. Modellgestützt wurden diese Abhängigkeiten genutzt, um einen Zusammenhang der erreichbaren Eigenschaften (Permeabilität und Festigkeit) mit den Gefüge- und Herstellparametern zu begründen. Für die Emulgierung wurde dabei auf das Taylor-Modell zurückgegriffen und die Schäumung mit den Mechanismen des Tröpfchenwachstums und der limitierenden Destabilisierungsprozesse erklärt. Permeabilitätskoeffizienten wurden auf Basis des Modells von Richardson ermittelt und in ihrer Strukturabhängigkeit verifiziert. Auch für Druckverformungskurven gelang der quantitative Wirknachweis solcher Strukturgrößen; das hier betrachtete Modell von Gibson und Ashby zeigte sich besonders fruchtbar, indem für verschiedene Strukturen gleicher Gesamtporosität aufgrund abnehmender Emulgiergeschwindigkeiten und damit ansteigender Verhältnisse von Stegdicke zu Zellgröße deutlich höhere Druckfestigkeiten gemessen wurden. Schließlich wurden diese Erkenntnisse auf die Herstellung gradierter Strukturen übertragen, die in ihren jeweiligen Porositäten und Zellgrößen starke Veränderungen zeigen, ohne dass eine Störung des Strukturübergangs auftritt. Die Vergrößerung der Zellweite geht vielmehr mit einer kontinuiertichen Anpassung der Zellwand- bzw. Stegdicke und der Zellfenster einher. Erste Anwendungen solcher Strukturen wurden für die autotherme Dampf-Reformierung, die Immobilisierung von Mikroalgen und die Steueaing von Plasma- und Glimmentladungsprozessen eingeleitet. Das hier untersuchte Direktschäumungsverfahren ist auch für andere Pulversysteme als die untersuchten Keramiken anwendbar. Die Herstellung von Aluminiumschäumen wurde mit dem Ziel verfolgt, Substrate herzustellen, die für eine direkte Synthese und Oberflächenreaktion zur Zeolithbeschichtung eingesetzt werden können. Zinkschäume wurden mit dem hier untersuchten Verfahren hergestellt, die als Anodenkomponenten in der Zink-Luft-Batterie Verwendung finden könnten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Novel open cell aluminium foams and their use as reactive support for Zeolite crystallization. J. Porous Mat
Barg, S., Soltmann, C., Schwaab, A., Koch, D., Schwieger, W. and Grathwohl, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10934-010-9359-3) - Zellularkeramik aus autarken Schäumungsprozessen keramischer Suspensionen. Teil 1: Keramische Zeitschrift 2 (2007) 88 - 93. Teil 2: Keramische Zeitschrift 4 (2007) 260 - 265
Lavrentyeva, O. und Grathwohl, G
- Cellular ceramics by direct foaming of emulsified ceramic powder suspensions. J. Am. Ceram. Soc. 91, 9 (2008) 2823 - 2829.
Barg, S., Soltmann, Ch., Andrade, M., Koch, D. and Grathwohl, G.
- Verfahren zur Herstellung offenporöser, anorganischer Bauteile und Verfahren zur Herstellung offenporöser, anorganischer Bauteile mit geschlossener Porosität in der äußeren Schicht. DE 102008058417, 21.11.2008
Barg, S., Koch, D. und Soltmann, Ch.
- New cellular ceramics from high alkane phase emulsified suspensions (HAPES). J. Europ. Ceram. Soc. 29 (2009) 2439 - 2446
Barg, S., Guzi de Moraes, E., Koch, D. and Grathwohl, G.
- Processing and properties of graded ceramic filters. J. Am. Ceram. Soc. 92 (2009) 2854 - 2860
Barg, S., Koch, D. and Grathwohl, G.
- Oxygen feed membranes in autothennal steam-reformers - a robust temperature control. Fuel, 89(2010)1257-1264
Hüppmeier, J., Barg, S., Baune, M., Koch, D., Grathwohl, G. and Thöming, J.
- Processing of open porous zirconia via alkane phase emulsified suspensions for plasma applications. Int. J. Appl. Ceram. Tech.
Ewais, E. M. M., Barg, S., Grathwohl, G., Garamoon, A. A. and Samir, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/j.1744-7402.2010.02521.x)
