Herstellung nanoskaliger Pulver und Pulvermischungen mittels Nd: YAG-Laserstrahlung und Beispiele ihrer technologischen Anwendung

Jürgen Naser

ISBN 978-3-89722-337-0
113 Seiten, Erscheinungsjahr: 2000
Preis: 40.50 €
Herstellung nanoskaliger Pulver und Pulvermischungen mittels Nd: YAG-Laserstrahlung und Beispiele ihrer technologischen Anwendung

Die Herstellung und technologische Anwendung unterschiedlicher nanoskaliger Pulver, sowohl reiner Materialien als auch von Mischungen, wurde untersucht. Die nanoskaligen Teilchen wurden dabei über die Verdampfung entsprechender Ausgangssubstanzen mittels Nd:YAG-Laserstrahlung hergestellt und mit Transmissionselektronenmikroskopie und Röntgendiffraktometrie hinsichtlich ihrer Größe und Phasenzusammensetzung untersucht. Das am Institut für Werkstoffkunde und Werkstofftechnik bereits entwickelte Herstellungsverfahren wurde im Rahmen der Arbeit hinsichtlich der Pulverausbeute verbessert, die Pulverausbeute wurde z. B. bei Al2O3 von etwa 3 g/h auf über 17g/h gesteigert. Diese Steigerung konnte durch die Konstruktion einer Aggregationskammer mit Filtersystem, die damit verbundene weitgehende Automatisierung des Herstellungsprozesses und die Optimierung der Herstellungsparameter erreicht werden.

Die Palette an hergestellten Pulvern wurde wesentlich erweitert, neben den bekannten Materialien Al2O3 und ZrO2 wurde reines Zinnoxid, Kupferoxid und Bariumtitanat verdampft. Es wurden Ausbeuten bis etwa 20 g/h und mittlere Partikelgrößen von etwa 13 nm erreicht, wobei die mittlere Größe der Pulver auf Kosten der Ausbeute auf bis zu 6 nm reduziert werden konnte.

Neben diesen reinen Pulvern wurden unterschiedliche Pulvermischungen hergestellt, unter anderem Al2O3 / Cu - Mischungen in verschiedenen Mischungsverhältnissen oder nano-skalige Pulvermischungen auf Zinnoxid- und Bariumtitanatbasis. Die Zusätze bei letzteren dienten der Steigerung und der Steuerung der Sensitivität bei der Herstellung von Gassensoren. Verglichen mit herkömmlichen in der Sensorherstellung eingesetzten Materialien konnte mit den hier vorgestellten nanoskaligen Pulvern eine Verringerung der Betriebstemperatur und eine Steigerung der Sensitiviät um das bis zu 5 fache erreicht werden.

Als weiteres Anwendungsgebiet der im Rahmen der Arbeit hergestellten nanoskaligen Pulver wird die Korngrenzenstabilisierung von Kupfer eröffnet. Dazu wurde handelsübliches mikroskaliges Kupferpulver mit nanoskaligem Aluminiumoxidpulver (1vol% und 3vol%) vermischt und anschließend stranggepresst. Es konnte gezeigt werden, daß die nanoskaligen Partikel in diesen Nanokompositen ausschliesslich auf bzw. in den Korngrenzen zu finden waren. Dadurch wurde eine korngrößenstabilisierende Wirkung selbst nach einer Wärmebehandlung nahe des Schmelzpunktes von reinem Kupfer erzielt. Die Härte der Nanokomposite war nach dem Strangpressen etwa doppelt so groß wie bei den Vergleichsproben aus reinem Kupfer. Diese große Härte blieb auch nach Wärmebehandlungen bis 750°C bestehen und sank erst dann langsam ab. Die mittels Zugversuchen ermittelten Dehngrenzen Rp0.2 zeigten ebenfalls gute Ergebnisse im Vergleich mit reinem Kupfer. Gemessen bei Raumtemperatur lagen die Werte um etwa 60%, gemessen bei 540 °C um etwa 800% über den dehngrenzen der Vergleichsproben. Darüberhinaus wurden elektrische Messungen an kaltverformten Nanokompositen durchgeführt. Es zeigte sich, daß die gute und technisch bedeutsame Leitfähigkeit von Kupfer erhalten blieb.