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Beschichten Keramikbeschichtung bei Raumtemperatur einfach aufsprühen

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Bisher konnten Keramikbeschichtungen nur durch Sintertechniken bei mehr als 1000 Grad Celsius erzeugt werden. Ein neu entwickeltes Sprühverfahren ermöglicht dies nun bereits bei Raumtemperatur.

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Mit aerosolbasierter Kaltabscheidung erzeugte Keramikschicht auf einer porösen gasdurchlässigen Elektrode, wie sie für Brennstoffzellen benötigt wird.
Mit aerosolbasierter Kaltabscheidung erzeugte Keramikschicht auf einer porösen gasdurchlässigen Elektrode, wie sie für Brennstoffzellen benötigt wird.
(Bild: Universität Bayreuth/Jörg Exner)

Ingenieurwissenschaftler der Universität Bayreuth unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Ralf Moos haben die Technologie des Sprühverfahrens, einer aerosolbasierten Kaltabscheidung, weiterentwickelt. In der Zeitschrift „Advanced Materials“ haben sie deren Vorzüge vorgestellt und zeigten, wie die funktionellen Eigenschaften der Keramikschichten im Hinblick auf High-Tech-Anwendungen optimiert werden können.

Keramikschichten auf unterschiedliche Materialien aufbringen

Mit der aerosolbasierten Kaltabscheidung (Powder Aerosol Deposition, PAD) lassen sich dichte Keramikschichten auf sehr verschiedene Arten von Materialien aufbringen, wie etwa auf Stahl, Glas, Silizium oder sogar auf Kunststoff.

Schema der aerosolbasierten Kaltabscheidung.
Schema der aerosolbasierten Kaltabscheidung.
(Bild: Universität Bayreuth)

Und so funktioniert das Verfahren:

  • 1. Zunächst wird ein trockenes keramisches Pulver mithilfe eines Trägergases in ein Aerosol, das heißt in eine Mischung aus Gas und festen Partikeln, überführt.
  • 2. Anschließend wird das Aerosol in einer Vakuumkammer durch eine Düse auf mehrere 100 Meter pro Sekunde beschleunigt und auf das zu beschichtende Material gelenkt.
  • 3. Beim Aufprall brechen die winzigen Keramikpartikel auf. Die dadurch entstehenden, wenige Nanometer großen Bruchstücke besitzen frische aktive Oberflächen. Sie bilden fest haftende dichte Beschichtungen mit einer Dicke zwischen einem und 100 Mikrometern.

Funktionale Eigenschaften der Beschichtung beeinflussen

Die Beschichtungen weisen direkt nach dem Aufsprühen folgende mechanische Eigenschaften:

  • sie sind außerordentlich hart und
  • besitzen eine gute chemische Beständigkeit

Die Wissenschaftler fanden allerdings heraus, dass ohne weitere Schritte die funktionellen Eigenschaften der Beschichtungen, insbesondere die elektrische Leitfähigkeit, unzureichend bleiben. In ihrer neuen Studie haben die Bayreuther Ingenieurwissenschaftler dies optimiert.

Technologie bietet hohes industrielles Potenzial

Dabei sind kristalline Strukturen von entscheidender Bedeutung. Der heftige Aufprall der Keramik-Partikel auf den Materialien verursacht Strukturdefekte in den entstehenden Bruchstücken.

Darunter leiden nicht nur die elektrische Leitfähigkeit, sondern auch weitere Funktionseigenschaften. „Durch eine Nachbehandlung mit Wärme, dem sogenannten Tempern, lassen sich diese Defekte fast vollständig beheben“, erklärt Dr.-Ing. Jörg Exner, der Erstautor der Studie, der die Forschungsarbeiten zur PAD an der Universität wesentlich vorangetrieben hat. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Temperaturen hierfür weitaus geringer sind als beim konventionellen Sintern. Extrem hohe Temperaturen zu vermeiden, macht gerade die aerosolbasierte Kaltabscheidung so attraktiv. „Es bleibt deshalb dabei: Diese Technologie bietet ein sehr hohes industrielles Potenzial, insbesondere wenn qualitativ hochwertige Keramikschichten gefragt sind“, resümiert Exner.

Welche keramischen Werkstoffe für welche Anwendung?

Von den beabsichtigten technologischen Anwendungen hängt es ab, welche keramischen Werkstoffe jeweils aufgesprüht werden:

  • Für Kondensatoren eignen sich dielektrische Keramiken
  • für Sensoren werden elektrisch leitfähige Funktionskeramiken bevorzugt
  • in Hochtemperatur-Brennstoffzellen kommt Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid zum Einsatz

Selbst Lithiumionen-Batterien lassen sich damit herstellen.

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