Entwicklung und Herstellung poröser Funktionsmaterialien

Wir entwickeln Kapillarsuspensionen (CapS) mit maßgeschneiderten und anforderungsspezifischen Porositäten und Festigkeiten. Damit realisieren wir Poren- und Werkstoffgradienten sowie komplexe Geometrien, die den Massenan- und -abtransport optimieren und die Effizienz der Energiewandlung erhöhen.

Am Fraunhofer IWM steht eine durchgängige Entwicklungskette zur Verfügung, bestehend aus der Herstellung von Kapillarsuspensionen, dem 3D-Druck von porösen Funktionsmaterialien aus den Kapillarsuspensionen, dem Funktionsnachweis daraus realisierter Generatoren zur Energiewandlung und dem Transfer in verschiedenste Anwendungsgebiete.

Kapillarsuspensionen sind die ideale Methode, um geordnete Strukturen von 100 Nanometern bis 100 Mikrometern zu kontrollieren. In Kombination mit Techniken zur additiven Fertigung sind multi-hierarchische Meta-Strukturen realisierbar, welche die Kontrolle und Gestaltung neuer Bauteilgeometrien ermöglichen.

Kapillarsuspensionen sind ternäre Materialsysteme, die aus einer partikulären, festen Phase von mikroskaligen, sinterfähigen Partikeln, einer Hauptflüssigkeit und einem kleinen Teil einer nicht mischbaren Sekundärflüssigkeit bestehen. Die Sekundärflüssigkeit bildet flüssige Brücken zwischen den Partikeln, was zur Bildung eines selbstorganisierten Partikelnetzwerks führt. Durch dieses Partikelnetzwerk ist es möglich, offene Porositäten im Bereich von wenigen bis hin zu hunderten Mikrometern einzustellen und somit eine zusätzliche Hierarchie-Ebene der Metastrukturierung zu erzeugen. Die Kapillarsuspensionen lassen sich zudem einfach mittels Flüssigformgebung verarbeiten – einem Prozess, der sich gut hochskalieren lässt.

Außerdem lassen sich durch den charakteristischen Scherverdünnungseffekt der Suspensionen Viskositäten einstellen, die für den Direct-Ink-Writing-Prozess erforderlich sind. Somit können poröse Strukturen nun auch mittels 3D-Druck, welcher eine Metastrukturierung im Bereich von etwa 100 μm bis hin zur Bauteilgröße erlaubt, verarbeitet werden.

Kontrollierte poröse Strukturen sind entscheidend für eine Reihe von Anwendungen, wie zum Beispiel poröse Transportlagen in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren, poröse Nickel-Schäume für die Umwandlung von Nitrat zu Ammoniak, poröse Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien oder additiv gefertigte thermoelektrische Generatoren.

Leistungen

Entwicklung und Optimierung von Kapillarsuspensionen
Kapillarsuspensionen können sowohl für keramische und als auch für metallische Funktionsmaterialien entwickelt werden. Hier ist die Partikelgröße und Morphologie entscheidend und der Anwendungsfall ausschlaggebend. Die Suspensionen können mit verschiedenen Produktionstechniken weiterverarbeitet werden. Dementsprechend müssen die rheologischen Eigenschaften der Suspensionen eingestellt und für den Prozess optimiert werden.

Etablierung von Prozessrouten

Suspensionsbasierte Methoden eignen sich ideal für industriell skalierbare Prozessrouten zur Herstellung von komplexen Bauteilgeometrien. Einerseits können durch 3D-Druck mit geringem Aufwand komplexe Prototypen oder Einzelanfertigungen erzeugt werden. Nassformgebung oder Spritzguss erlaubt die massenhafte Herstellung von vorgegebenen Bauteilen oder Geometrien, mit Tape-Casting können flächige Bauteile oder Folien erzeugt werden und die Replika-Methode erlaubt die Nachbildung komplexer Strukturen.

Einstellung der Prozessparameter

Die Prozessparameter eignen sich zur gezielten Herstellung multi-hierarchischer poröser Strukturen. So können Porositätsgradienten oder kontrollierte Porositäten und Porengrößenverteilungen eingestellt werden. Die Kombination verschiedener Methoden erlaubt die gezielte Strukturierung über mehrere Größenskalen hinweg.

Entwicklung neuartiger Herstellungsverfahren

Für die Entwicklung formstabiler, passgenauer und mechanisch belastbarer poröser Sinterbauteile können spezielle Herstellungsverfahren entwickelt werden. Diese erlauben die Herstellung von Sinterbauteilen mit besonders hoher Passgenauigkeit und Formstabilität.

Materialmodifikation

Durch die Modifikation der Bestandteile der Kapillarsuspensionen können auch die resultierenden Bauteile chemisch verändert werden. Dies erlaubt Dotierung und Variation der chemischen Zusammensetzung im Bereich der Kontaktstellen der Partikel und der Partikeloberflächen. Auf diese Wiese können die Funktionseigenschaften wie thermische oder elektrische Leitfähigkeit, sowie dielektrische und elektromechanische Eigenschaften der Materialien und Bauteile beeinflusst werden.

Charakterisierung

Die Porosität, mechanische Festigkeit und Mikrostruktur von porösen Bauteilen und Materialien können über viele Größenskalen hinweg charakterisiert und quantifiziert werden. Mit Hilfe von KI-unterstützten Methoden können auch statistische Aussagen getroffen werden. Zur Verfügung stehen eine große Bandbreite an Charakterisierungsmethoden.

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