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Fakultät für Ingenieurwissenschaften

Lehrstuhl Keramische Werkstoffe – Professor Dr.-Ing. Walter Krenkel

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OFC

Arbeitsgruppe Pulvertechnologie

Leitung: Dipl.-Ing. Georg Puchas

Konzept

Schwerpunkt der Forschungsarbeiten des Lehrstuhls bei der Herstellung pulverkeramischer Werkstoffe ist der Bereich Aufbereitung und Formgebung. Hierbei kommt es auf ein sehr präzise abgestimmtes Verhältnis zwischen verfahrenstechnischer Durchführung und den für die jeweiligen Prozessschritte optimierten organischen Additiven an. Der Lehrstuhl leistet Beiträge zu der gesamten Prozesskette von der Synthese polymerer Additive, der Modifizierung von Partikeloberflächen, über die Weiterentwicklung von Formgebungsverfahren bis hin zur Optimierung von keramischen Formteilen. Dabei steht immer die Wechselwirkung zwischen anorganischen Partikeloberflächen und den organischen Prozessadditiven im Mittelpunkt der Aktivitäten. Die Untersuchungen werden mit einer Vielzahl von Messmethoden zur Charakterisierung der jeweiligen Verfahrensschritte begleitet, um einerseits ein grundlegendes Verständnis der komplexen Vorgänge zu erarbeiten und andererseits Ansatzpunkte für die Optimierung industrieller Prozesse zu entwickeln.


Forschungsgebiete

GranulationEinklappen
Granalien zur Herstellung keramischer Formkörper

Pulver werden im Allgemeinen granuliert, um die Dosierbarkeit und den Transport oder die staubfreie Lagerung zu erleichtern. Bei der keramischen Verfahrenstechnik ermöglicht die Granulation die Pressformgebung von keramischen Produkten wie Gleitlagern aus Siliziumcarbid oder Dichtscheiben aus Aluminiumoxid. Während der Granulation können organischen Komponenten wie Binder, Presshilfsmittel, Schmiermittel, Feuchtespeicher zugegeben werden, welche die Rieselfähigkeit, das Fließverhalten oder die Verpressbarkeit des Granulats entscheidend verbessern. Angewendet werden nach Abwägung von technischen und wirtschaftlichen Kriterien sowohl thermische als auch mechanische Granulationsverfahren (z.B. Mischagglomeration und Wirbelschichtgranulation). Insbesondere die Wirbelschichtgranulation ist geeignet um, ausgehend von keramischen Suspensionen, homogene Granulate flexibel in Kleinstmengen im Labor oder im Tonnenmaßstab in der Produktion herzustellen. Zudem können auf die Granulate funktionelle Beschichtungen beispielsweise aus temperatursensitiven Stoffen über die Wirbelschicht aufgebracht werden. Dazu wurden am Lehrstuhl mit Hilfe von organischen Additiven maßgeschneiderte Granulate aus ausgewählten keramischen Rohstoffen mittels Wirbelschichtgranulation in Kleinserie für industrielle Anwendungen aufbereitet.

Oxidkeramische Verbundwerkstoffe (OFC)Einklappen
Mikrostruktur eines oxidfaserverstärkten Aluminiumoxids

Strukturwerkstoffe für den Langzeiteinsatz (> 10.000 h) bei Temperaturen oberhalb von 1000 °C unter korrosiven Bedingungen werden als Schlüsselkomponenten für Entwicklungen in der Energiewandlung in Gasturbinen, für den Ofen- und Chemieanlagenbau oder in der Luftfahrt angesehen. Oxidkeramische Verbundwerkstoffe (OFC), bestehend zumeist aus Fasern aus Aluminiumoxid und Matrices aus Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid können diese Anforderungen erfüllen. Die guten massespezifischen thermomechanischen Eigenschaften sowie die inhärente Oxidationsbeständigkeit des Werkstoffs sind bei vielen Anwendungen entscheidende Vorteile. Im Falle der oxidkeramischen Verbundwerkstoffe sind die keramischen Fasern zumeist in eine poröse Matrix eingebettet, um das quasi-duktile schadenstolerante Bruchverhalten zu realisieren. Aus diesem Grund muss bei der Fertigung von OFC die Synthese der Matrix besondere Beachtung finden. Kolloidale, d.h. Schlicker-basierte Formgebungsprozesse wie Freeze-Casting und Gel-Casting sind z.B. für die Synthese von oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffen prädestiniert, da durch den Formgebungsprozess das Matrixdesign eingestellt werden kann. Das Gefüge der Matrix, wie z.B. die Partikelanordnung oder Porosität bestimmen wiederum maßgeblich die mechanischen Eigenschaften des Verbunds.

Die am Lehrstuhl neu entwickelten und patentierten Prozessierungsmöglichkeiten von oxidkeramischen Verbundwerkstoffen wie eine Wasser-basierte Prepregtechnologie werden bereits im industriellen Umfeld getestet und haben großes Potenzial zukünftig in der industriellen Fertigung von OFC Anwendung zu finden. Durch die Entwicklung von neuartigen Matrices auf Basis von Yttrium-Aluminium-Granat konnte die Korrosionsbeständigkeit nochmals verbessert werden.

CharakterisierungEinklappen

Mit Hilfe von organischen Additiven lassen sich verschiedene Problemstellungen beim Processing von keramischen Pulvern lösen. Entscheidend ist die genaue Kenntnis über die Wechselwirkungen zwischen Pulveroberfläche und der oberflächenaktiven Substanz. Begleitend zu allen projektbezogenen Arbeiten hat der Lehrstuhl hierfür in den letzten Jahren eine umfassende Messmethodik aufgebaut. Ein verbessertes Verständnis lässt sich mit der Elektroakustischen Schallanalyse (ESA) und rheologischen Messmethoden (Rotations- und Oszillationsviskosimetrie) erlangen. Beide Messmethoden können bei hohen Feststoffkonzentrationen angewandt werden. Ergänzend kann die Partikelgrößenverteilung an verdünnten Suspensionen bestimmt werden. Des Weiteren sind im Verlauf der Prozesskette das genaue Verständnis des Entbinderungsverhaltens von organischen Additiven sowie das Schwindungsverhalten und die Phasenentwicklung beim Sintern des Grünkörpers notwendig, um Sinterzyklen festzulegen. Um die Zusammenhänge zwischen Sinterverhalten, Gefüge und Eigenschaften zu erforschen, stehen Anlagen für thermogravimetrische Messungen mit FT-IR Kopplung, ein Dilatometer sowie ein Röntgendiffraktometer mit Hochtemperaturkammer bis 1200 °C zur Verfügung. Die gesinterte Keramik kann abschließend umfassend mittels Rasterelektronenmikroskopie und allen gängigen mechanischen Prüfungen charakterisiert werden.


Verantwortlich für die Redaktion: Dr.-Ing. Carolin Spatz

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