Kolloidale Herstellung nanoskaliger Keramik

Der Einsatz von keramischen nanoskaligen Pulvern (Pulver mit einer Korngröße kleiner als 100 nm) eröffnet die Möglichkeit, dichte keramische Werkstoffe bei niedrigen Sintertemperaturen herzustellen. Von Interesse ist dies zum Beispiel bei der Herstellung von keramischen Schichten im Bereich der Funktionswerkstoffe. Da die Sintertemperatur für nanoskalige Pulver bis zu mehreren 100°C unter der für mikrokristallines Pulver liegen kann, werden manche Substrat-Film-Kombinationen somit erst ermöglicht. Voraussetzung für das Dichtsintern sind Grünkörper mit möglichst kleinen Poren und enger Porenverteilung. Kolloidale Herstellungsverfahren (z.B. Schlickerguß, Foliengießen oder Siebdruck) können diese Anforderungen erfüllen, da sie im Vergleich zum Trockenpressen zu homogener gepackten keramischen Grünkörpern führen. Dabei müssen jedoch die einzelnen Schritte des kolloidalen Herstellungsverfahrens (Dispergieren, Formgebung, Trocknen und Sintern der Grünkörper) sicher beherrscht werden. Im Herstellungsverfahren eingebrachte Defekte (z.B. Agglomerate, Poren) können im allgemeinen nicht mehr beseitigt werden und wirken sich nachteilig auf das Endprodukt aus. In dieser Arbeit wurden an den Systemen SiO2/Polyetylenimine (PEI) und CeO2/Polyacrylsäure (PAA) systematische Untersuchungen zur Stabilisierung wäßriger nanopartikulärer Schlicker, zu deren rheologischen Eigenschaften und Formgebung vorgenommen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden nicht nur praxisrelevante Richtlinien für den Einsatz von nanoskaligen Pulvern bei der kolloidalen Herstellung von keramischen Werkstoffen erarbeitet, sondern gleichzeitig auch Skaleneffekte beim Übergang von Submikrometer-Pulvern zu nanoskaligen Pulvern aufgeklärt.

The use of ceramic nanopowders opens the possibility to manufacture dense ceramic materials at low sintering temperatures. This is of interest for example in the area of ceramic layers in functional materials. Since the sintering temperature for nanopowders can be several hundred degrees lower than for microcrystalline powders, some combinations of substrate and film are now possible. A prerequisite for manufacturing dense ceramic materials are green bodies with small pores and a narrow pore size distribution. With regard to these requests colloidal processing (e.g. slip casting, tape casting or screen printing) is superior to dry pressing, because it leads to more homogeneous ceramic green bodies. However the single steps of colloidal processing (dispersing, forming, drying and sintering of the green bodies) must be controlled exactly. Defects caused by the manufacturing process (e.g. agglomerates, pores) cannot be eliminated and reduce the quality of the final product. In this work the stabilization of aqueous nanoslurries, their rheological properties and the shaping of the slurries were investigated systematically using the systems SiO2/Polyetyleneimine (PEI) and CeO2/Polyacrylic Acid (PAA). Both practical guidelines for the colloidal processing of nanopowders were compiled and scale effects were elucidated.