Keramikbeschichtungen konnten lange Zeit nur durch Sintertechniken bei mehr als 1.000 °C erzeugt werden. Ein noch junges Sprühverfahren, die aerosolbasierte Kaltabscheidung, ermöglicht ihre Herstellung jedoch schon bei normalen Raumtemperaturen. Sie ist daher für industrielle Anwendungen hochattraktiv. Ingenieurwissenschaftler der Universität Bayreuth sind an der Weiterentwicklung dieser Technologie international führend beteiligt.
Mit aerosolbasierter Kaltabscheidung erzeugte Keramikschicht auf einer porösen gasdurchlässigen Elektrode, wie sie für Brennstoffzellen benötigt wird.
Jörg Exner
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. Dafür wird zunächst ein trockenes keramisches Pulver mithilfe eines Trägergases in ein Aerosol, das heißt in eine Mischung aus Gas und festen Partikeln, überführt. Anschließend wird das Aerosol in einer Vakuumkammer durch eine Düse auf mehrere 100 m/s beschleunigt und auf das zu beschichtende Material gelenkt. Beim Aufprall brechen die winzigen Keramikpartikel auf. Die dadurch entstehenden, wenigen Nanometer großen Bruchstücke besitzen frische aktive Oberflächen. Sie bilden fest haftende dichte Beschichtungen mit einer Dicke zwischen einem und 100 µm.
"Dank ihrer dichten Feinstruktur weisen die Beschichtungen bereits direkt nach dem Aufsprühen hervorragende mechanische Eigenschaften auf. Sie sind außerordentlich hart und besitzen eine gute chemische Beständigkeit“, erklärt Dr.-Ing. Jörg Exner, der Erstautor der Studie, der die Forschungsarbeiten zur PAD an der Universität wesentlich vorangetrieben hat. Wie sich allerdings herausgestellt hat, bleiben funktionelle Eigenschaften der Beschichtungen, insbesondere die elektrische Leitfähigkeit, ohne weitere Schritte unzureichend. In ihrer neuen Studie berichten die Bayreuther Ingenieurwissenschaftler jetzt aber über erfolgreiche Wege zur Optimierung.
Kristalline Strukturen sind dabei von entscheidender Bedeutung. Der heftige Aufprall der Keramikpartikel 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. Wir konnten zeigen, dass die hierfür erforderlichen Temperaturen in der Regel weitaus geringer sind als beim konventionellen Sintern. Die Vermeidung dieser extrem hohen Temperaturen macht ja 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“, so Exner.