AG Sol-Gel Beschichtungen - Institut für Gesteinshüttenkunde der
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AG Sol-Gel Beschichtungen - Institut für Gesteinshüttenkunde der
Institut für Gesteinshüttenkunde Lehrstuhl für Keramik und Feuerfeste Werkstoffe Univ.-Prof. Dr. rer. nat. R. Telle Sol-Gel-Beschichtungen Arbeitsgruppe Sol-Gel-Beschichtungen Der Sol-Gel Prozess ist ein etabliertes Verfahren zur Herstellung keramischer Werkstoffe über nasschemische Routen und stellt damit eine bedeutende Alternative zu der klassischen Festkörpersynthese dar. Bei dem Prozess werden anorganische sowie metallorganische Ausgangsmaterialien in Lösung gebracht, und durch Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen kolloidale Lösungen und Dispersionen erzeugt, welche als Sole bezeichnet werden. Der enorme Vorteil liegt in der optimalen Durchmischung der Ausgangsmaterialien auf molekularer Ebene. Dadurch lassen sich Materialsysteme definierter Zusammensetzung realisieren, deren Reaktionskinetik gut steuerbar ist. Aufgrund der sehr geringen Korngrößen ist es möglich, die auf diesem Wege hergestellten Keramikpulver bei geringeren Temperaturen und mit kürzeren Haltezeiten dicht zu sintern. Dies bringt nicht nur einen verringerten Energiebedarf mit sich, sondern eröffnet auch neue Einsatzgebiete in niedrigeren Temperaturbereichen. Der Fokus der Arbeitsgruppe Sol-Gel Beschichtungen ist auf die Entwicklung neuartiger Beschichtungsmaterialsysteme und verfahrenstechnische Neuerungen gerichtet. Dieses Potential ermöglicht die Lösung aktueller wissenschaftlicher Fragestellungen, als auch die Optimierung industrieller Anwendungen. Das Beschichten von Werkstoffen liefert verbesserte und neue Eigenschaften mit denen vielfältige Anwendungsbereiche bedient werden können. Durch den Sol-Gel Prozess ergeben sich Beschichtungstechnologien die das Abscheiden von keramischen Schichten unterschiedlichster Morphologie und Struktur ermöglichen. So lassen sich durch Sol-Gel-Komposite Schichtdicken im µm-Bereich per Spraycoating applizieren, die durch den Einsatz von Porogenen eine gezielte Porositätsverteilung aufweisen (Abb.2). Je nach Material und Form der zu be- Abb. 2: Eingefärbte REM-Aufnahme Schichtsystems mit Aluminiumkorrosion eines EBC- schichtenden Objekte werden bei diesem Schritt die geeigneten Parameter für das jeweilige Beschichtungsverfahren ermittelt. Die Oberflächenspannung und Viskosität der Sole, deren Haftung auf dem Substrat und die gewünschte Schichtdicke sind hierbei ausschlaggebend. Abbildung 2 zeigt eine Oberflächenschutzschicht (Enviromental Barrier Coating, EBC) mit Aluminiumschmelzkorrosion. Abb. 1: Sprühbeschichtung im Technikumsmaßstab Ein weiteres Forschungsgebiet der Arbeitsgruppe bildet die Synthese langzeitlumineszierender keramischer Pigmente über die Sol-GelMethode. Die Luminophore sollen als Farbpigmente in Glasuren eingesetzt werden. Das Syntheseverfahren ermöglicht dabei gegenüber der üblichen Festkörpersynthese eine kontrollierte, rohstoffschonende Dotierung mit Seltenerden, welche auf den entsprechenden Gitterplätzen die Phosphoreszenz bewirken. Entscheidend ist dabei die stöchiometrisch exakte Zusammensetzung der synthetisierten Phasen um eine Emission im gewünschten Spektralbereich zu erzielen (s. Abb.3). besonderem Interesse ist der Einsatz von SolGel-Dünnschichten zur Steigerung der Hochtemperatur-, Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit, als auch die Entwicklung einer Sol-GelKomposit Dickschicht, welche in Form eines Topcoats den hauptsächlichen Temperaturabfall von der Oberfläche zum Substrat bewirkt (s. Abb.4). Abb. 4: Schema des geplanten TBC-Systems Abb. 3: Grün und Blau emittierende Luminophore während und nach Anregung Eine weitere Herausforderung bildet die Wechselwirkung zwischen Pigment und Glasur während der Wärmebehandlung. Hier gilt es eine Art Schutzbarriere für die Luminophore zu entwickeln, die bereits im Sol-Gel-Prozess mit generiert werden soll. Der Einsatz von Sol-Gel-Schichten in Wärmedämmschichtsystemen (Thermal Barrier Coating, TBC) wird aktuell im Rahmen eines weiteren Projektes erforscht. Die Anwendung soll hier auf Turbinenschaufeln erfolgen. Von Über die Wahl geeigneter Precursoren und Füllstoffe sowie eine kontrollierte Synthese und Wärmebehandlung sollen keramische Monolagen sowie gradierte Multilagen mit optimierten Gefügen eingestellt werden. Die Ausprägung der Phasen, die Schichtdichte sowie Schichtdicke haben einen entscheidenden Einfluss auf funktionelle Eigenschaften wie z.B. Gasdichtigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und Abrieb. Hier kommen die hohe Rohstoffreinheit sowie geringe Partikelgrößen zu Gute. Je nach angestrebter Funktion werden die aufgetragenen Schichten anwendungsnahen mechanischen, thermischen und thermochemischen Tests unterzogen. Zur Ermittlung der thermischen Stabilität unter verschiedenen Bedingungen werden Versuche zur Hochtemperatur- und Temperaturwechselbeständigkeit durchgeführt. Die Schutzwirkung von erzeugten Schichten gegenüber korrosiven Medien, wie zum Beispiel Metall- oder Schlackeschmelzen, wird anhand diverser thermochemischer Versuche geprüft. Institut für Gesteinshüttenkunde Lehrstuhl für Keramik und Feuerfeste Werkstoffe Ansprechpartner: Mauerstraße 5, 52064 Aachen Tel.: 0241-80-94968 Fax: 0241-80-92226 www.ghi.rwth-aachen.de Dipl.-Chem. Dawid Mosz Tel.: 0241-80-94948 Fax: 0241-80-92226 E-Mail: [email protected]