16. Systematische Prozeßsynthese mit Hilfe mathematischer Methoden

Abstract

Aus Nanopartikeln aufgebaute Werkstoffe konnen sich in wesentlichen Parametern signifikant von Werkstoffen rnit groberem Gefiige unterscheiden bm. konnen sogar uber neuartige, fur die betreffende Werkstoffklasse untypische Eigenschaften verfugen. Daher ist gegenwartig weltweit ein Trend zur Enhvicklung von Technologien zur Erzeugung nanoskaliger Pulver zu erkennen. Durch mechanisches Mahlen sind Pulver mit TeilchengroBen unter 100 nm im allgemeinen nicht mehr herstellbar. Deshalb werden Nanopartikel typischenveise uber gesteuerte Keimbildungs-und Wachstumsprozesse aufgebaut. Im Falle keramischer Nanopulver spielen hier Gasphasenprozesse eine wesentliche Rolle, da sie hohe Reinheit mit guter Steuerbarkeit des Herstellungsprozesses zu verbinden gestatten. Neben reaktiven Verfahren werden auch Verdampfung und Rekondensation hierfur genutzt. Dafur sind Laser in besonderem MaBe geeignet, da sie nicht nur in der Lage sind, die Verdampfungsbedingungen auch fur hochtemperaturstabile Keramiken zu realisieren, sondern auch in einfacher Weise eine Steuerung von raumlicher Ausdehnung und Zeitverhalten der Pro-zeRzone ermoglichen.Letztgenannter Weg wurde hier beschritten, wobei insbesondere untersucht wurde, inwieweit sich in der Literatur bereits bekannte Ergebnisse fur oxidische Keramikpulver hinsichtlich der Pulverausbeuten optimieren und auf nichtoxidische Materialien ubertragen lassen. Hierzu wurde ein C0,-Hochleistungslaser (bis 4 kW) eingesetzt, der sowohl kontinuierlich als auch gepulst betrieben werden konnte. Der Laserstrahl wurde auf der Oberflache eines relativ zum Strahl permanent bewegten Targets, das aus grobkornigem Keramikpulver oder gesinterter Keramik bestand, fokussiert. Das verdampfte Material wird durch einen variabel einstellbaren Tragergasstrom sehr schnell aus dem heil3esten Bereich der ProzeRzone abtransportiert, so daB durch tjbersattigung induzierte homogene Keimbildung auftritt, die zur Ausbildung sehr feiner, vorrangig kugelformiger Partikel rnit Durchmessern zwischen 10 und 100 nm fuhrt, wie sie auf der Abbildung fur Zirkonoxid zu sehen sind.Dabei ist die PartikelgroBenverteilung uber Laserintensitat, Betriebsweise des Lasers und Geschwindigkeit des Tragergasstromes steuerbar. Die Einzelpartikel sind typischenveise nur in Ausnahmefallen uber Feststoffbriicken verknupft; die leicht redispergierbaren Agglomerate wurden durch elektrostatische Abscheider und an Prallblechen abgeschieden.Fur oxidische Pulver (ZrO,. Al,O,), die unter Normalatmosphare oder reinem 0, hergestellt wurden, konnten auf diese Weise Verdampfungsraten von etwa 100 glh realisiert werden, wobei eine Erhohung der Verdampfungsrate erwartungsgemafi rnit einer Verschiebung der TeilchengroBenverteilung zu groReren Durchmessern verbunden ist. Das Verarbeitungsverhalten solcher Pulver und die Eigenschaften daraus herstellbarer Keramiken werden exemplarisch vorgestellt.Im Falle nitridischer Pulver (AlN, Si,N,, TiN), fur deren Herstellung eine Verdampfung unter Stickstoffatmosphare erforderlich ist, konnten sogar Verdampfungsraten bis zu...