Neues energiesparendes Sintern von Keramik

Moderne Sinteröfen verfügen über eine hervorragende Temperatur- und Atmosphärensteuerung, bieten jedoch eine schlechte Energie- und Zeiteffizienz. Diese Probleme werden durch die Entwicklung von Schnellsinterverfahren überwunden, z. B. durch Blitzsintern, Mikrowellensintern, Funkenplasmasintern oder ultraschnelles Hochtemperatursintern. Die jüngste Methode des Schwarzlichtsinterns zeichnet sich jedoch nicht nur durch hohe Energieeffizienz und geringen Zeitaufwand, sondern auch durch ihre Einfachheit aus.

Bei dieser Methode wird die Materialoberfläche mit intensivem Blau- und UV-Licht, dem Schwarzlicht, ultraschnell erhitzt (siehe Abbildung 1a). Dadurch erhöht sich die Temperatur des Materials innerhalb von Sekunden durch ein Gleichgewicht zwischen der Absorption des Schwarzlichts und der emittierten Wärmestrahlung der Keramik selbst. Dieses Verfahren ermöglicht Heiz- und Kühlraten von 200 °C/s und Temperaturen von bis zu 1500 °C, was eine vollständige Verdichtung von keramischen Massenproben wie TiO2, BaTiO3, (Na,Bi)TiO3-BaTiO3 oder ZrO2 usw.1 in weniger als einer Minute ermöglicht (Abbildung 1b). Im Vergleich dazu dauert das Sintern solcher Proben im Ofen normalerweise zwischen 9 und 12 Stunden.

Abbildung 1, Konzept des Schwarzlichtsinterns (a) Schema zur Veranschaulichung der Hauptkomponenten und der vier Elemente der Energiebilanz. (b) Temperaturprofil während der Belichtung. (c) Versuchsaufbau mit Quarzglasführung für die gepulste Röntgenblitzlampe und einer porösen, expandierbaren Graphitplatte als Isolierung.1
Abbildung 1, Konzept des Schwarzlichtsinterns (a) Schema zur Veranschaulichung der Hauptkomponenten und der vier Elemente der Energiebilanz. (b) Temperaturprofil während der Belichtung. (c) Versuchsaufbau mit Quarzglasführung für die gepulste Röntgenblitzlampe und einer porösen, expandierbaren Graphitplatte als Isolierung.1

Obwohl der Nachweis des Konzepts für das Schwarzlichtsintern bemerkenswert gut funktioniert, ist eine umfassende Untersuchung des Einflusses der Wellenlänge des UV-Lichts, der beleuchteten Energiedichte und der Reaktion der Materialien beim Aufheizen und anschließenden Sintern das Hauptziel dieses Projekts. Das Verständnis der Wechselwirkung zwischen diesen Parametern würde eine präzise Steuerung des Verdichtungsprozesses ermöglichen und den Einsatz eines solchen Verfahrens in einem breiten Spektrum von Anwendungen erlauben. Im Rahmen dieses Projekts werden daher die Modellwerkstoffe TiO2 und BaTiO3 als verdichtete, zum Sintern vorbereitete Pulveraggregate sowie gesinterte Schüttgutproben zum Vergleich verwendet. Darüber hinaus werden Parameter wie Pulvergröße und -verdichtung, Isoliermaterial des Substrats und Abstand der Probe zur Lichtquelle untersucht.

Im Rahmen dieses Projekts lernen Sie ein neues, an der TU Darmstadt entwickeltes Schnellsinterverfahren kennen, erwerben ein breites Wissen über das Sintern von Keramik und beherrschen Techniken zur mikrostrukturellen und strukturellen Charakterisierung, z.B. Rasterelektronenmikroskop, Röntgenbeugung, und zur grundlegenden Charakterisierung elektrischer Eigenschaften, z.B. Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit von Temperatur oder Frequenz.

Wenn Sie an diesem Thema als ARL oder Bachelor-/Masterarbeit interessiert sind, wenden Sie sich bitte an:

Lovro Fulanovic,

1. Porz, L. et al. Blacklight sintering of ceramics. Mater. Horizons 9, 1717-1726 (2022).