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.
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