Innovationen der QSIL

QSIL Ceramics hat seine Metallisierungskompetenzen weiterentwickelt und bietet nun eine Metall-/Keramiklösung auch für Anwendungen an, die eine verringerte Permittivitätszahl benötigen.

Es können so hochfeste, vakuumdichte Metall-Keramik Lötverbindungen zwischen Einschmelzlegierungen (z.B. 1.3981 FeNi₂₉Co₁₈) und Steatit-Keramik gefertigt werden. Steatit-Keramik hat gegenüber Al₂O₃-Keramik eine geringere Permittivitätszahl (relative Dielektrizitätskonstante). Die Wärmeleitfähigkeit der Steatit-Keramik ist etwa um den Faktor 10 niedriger als die der Al₂O₃- Keramik.

Neben den bisher angebotenen vakuumdichten Keramik-Metall-Lötverbindungen kann QSIL Ceramics seinen Kunden nun Metall-Keramik-Durchkontaktierungen von Platinlegierungen in Zirkonoxid-haltigen Keramiken anbieten. Mit dem Verfahren werden hoch feste, formschlüssige, vakuumdichte Metall-Keramik Verbindungen hergestellt.

Vorteile:

• Hohe chemische und hydrothermale Beständigkeit

• Geeignet für den Kontakt mit Lebensmitteln nach Verordnung (EG) 1935/2004 und FDA

• Konformität bezüglich Bioreaktivitätstest in vitro /Zytotoxizität gemäß USP <87>

• Einsatztemperaturen bis 500°C erprobt

• Platin besitzt sehr gute elektrische Leitfähigkeiten

Das Ziel des Forschungsvorhabens "Hochleistungsverfahren für Hochleistungswerkstoffe - Hoch²“ bestand in der maschinenseitigen und technologischen Weiterentwicklung der Funkenerosionstechnologie zur Bearbeitung von Si₃N₄- und SiC-basierten Hochleistungs­keramiken. Damit sollte den industriellen Forderungen nach höherer Produktivität bei gleichbleibender oder steigender Bearbeitungsgenauigkeit nachgekommen werden. Dazu wurden Forschungsansätze zur Parameteroptimierung und grundlegende Betrachtungen zu den keramikspezifischen Abtragsmechanismen durchgeführt - auch mit dem Ziel, eine funkenerosive Bearbeitbarkeit selbst bei geringer elektrischer Leitfähigkeit zu ermöglichen.

Gleichzeitig erfolgte im Projekt eine Weiterentwicklung der Keramiken hinsichtlich Leitfähigkeit/Halbleitereigenschaften unter Beibehaltung ihrer hochwertigen physikalischen Eigenschaften. Dabei wurden zusätzlich auch anwendungsspezifische Anforderungen betrachtet. Des Weiteren wurden Demonstratoren gefertigt, um die funkenerosive Bearbeitungsgenauigkeit dieser Werkstoffe an industriellen Beispielen zu zeigen.

Keramische Membranen zur Wasserfiltration zeichnen sich durch eine hohe chemische, thermische und mechanische Stabilität aus und sind deshalb polymeren Membranen bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit überlegen. Ein wichtiges Thema im Bereich der Abwasserbehandlung und Wasseraufbereitung ist das hohe Risiko für Abrasion und Modulverblockung. Gleichzeitig treten hohe Volumenströme auf, so dass große Membranflächen zum Einsatz kommen und preiswerte Membranen mit hoher volumenspezifischer Membranfläche benötigt werden. Im durchgeführten Projekt wurden deshalb zusammen mit den Projektpartnern keramische Membranen aus Siliziumcarbid (SiC) in Form von Waben und Hohlfaserbündeln mit hydrophoben Makroporen für die Membrandestillation und hydrophilen Nanoporen für die Nanofiltration entwickelt. Die wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele richteten sich dabei auf dünnwandige, keramische Membranen hoher Druckstabilität, angepasster Benetzbarkeit und hoher volumenspezifischer Membranfläche.

Si3N4-Keramiken erweisen sich aufgrund ihrer hohen Abriebbeständigkeit, Risszähigkeit, Hochtemperaturfestigkeit und chemischen Beständigkeit als besonders geeignet als Wälzkörper für Lageranwendungen sowie als Walzen und Rollen für die Warmumformung metallischer Halbzeuge. Dennoch zeigen sich bei besonders hohen mechanischen und tribologischen Belastungen bzw. Umformtemperaturen noch immer Probleme hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Wälzlager- bzw. Warmwalzkomponenten.

Das Forschungsprojekt „RoLiCer“ hat es deshalb zum Ziel, Si₃N₄-Keramiken für Walz- und Wälzlagerprozesse mit besonderer Hinsicht auf die anwendungspezifischen Beanspruchungen gezielt zu optimieren und sowie Modelle und Berechnungsmethoden zu entwickeln, mit denen konkrete Vorhersagen zur Zuverlässigkeit und Lebensdauer im Anwendungsfall möglich werden. Weiterhin sollen anhand von Simulationsarbeiten, der Untersuchung von Werkstoffproben als auch Laststandversuchen unter Anwendungsbedingungen grundlegende Erkenntnisse zum Werkstoff­versagen und Rissfortschritt in Abhängigkeit von Werkstoffgefüge und Einsatzbedingungen, zur Adhäsion und den Vorgängen in der Kontaktzone zwischen Keramik und Metall als auch zur keramikgerechten Auslegung der Komponenten gewonnen werden.

Die beschriebene Forschungsarbeit wird gemäß der Finanzhilfevereinbarung Nr. 263476 im Zuge des Siebten Rahmenprogramms der Europäischen Union RP7/2007-2013 gefördert.

In dem Projekt wurde eine keramische Werkstoff- und Konstruktionslösung zur Substitution der bisherigen Graphit-Stütztiegel in der Hot Zone der mc-Si-Kristallzüchtung entwickelt, mit der eine signifikante Reduzierung des Verunreinigungs-Eintrags in die Si-Schmelze erreicht werden kann. Dies ermöglicht es, qualitativ hochwertigere Si-Wafer für die Photovoltaik herzustellen als bisher. Anhand der anwendungsspezifischen Anforderungen erfolgte zunächst Auswahl und Weiterentwicklung geeigneter Keramikwerkstoffe. In einem nächsten Schritt wurde ein modulares Stütztiegel-Konstruktionskonzept erarbeitet, welches die schrittweise Aufskalierung der entwickelten Technologie auf Technikum-Versuchsgrößen G1 und G2, sowie anschließend ein Upscaling auf industrielle Produktionsgrößen erlaubt. Anhand von Prototypen der Größe G1 konnten die positiven Ergebnisse der Vorab-Materialtests bestätigt werden.

Im Rahmen eines vom BMBF geförderten Projektes, wurden zwei ZTA-Mischoxidkeramiken auf der Basis von Rohstoffen mit einer Korngröße im Submikrometerbereich entwickelt. Die neuen Materialien zeichnen sich durch deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften im Vergleich zu dem bereits vorhandenen Standard ZTA-Material AZ 90 aus.

Die Vorteile:

• Mindestens um den Faktor 3 verbessert Verschleißfestigkeit
• > 20% höhere Biegefestigkeit gegenüber Standard ZTA-Werkstoff AZ 90
• > 10% höhere Bruchzähigkeit
• Hohe Oberflächengüte bereits Ra-Werte nach Feinschliff ≤ 0,1 μm (Rz ≤ 1,0 μm

Geeignet für Anwendungen, bei denen neben einer hohen mechanischen und Verschleißfestigkeit eine hohe Härte und Steifigkeit gefordert ist, wird der Einsatz des AZ 90 F empfohlen (z.B. Mühlenbauteile, Auskleidungen, Verschleißschutz beim Wasserstrahlschneiden, Gleitlager). Liegt der Anforderungsschwerpunkt bei einer sehr hohen mechanischen Festigkeit, guter Zähigkeit und einer hervorragenden Oberflächengüte ist die Verwendung des AZ 75 F als preislich interessante Alternative zu reinen ZrO₂-Werkstoffen zu empfehlen (z.B. Messer, Rührscheiben, Ventilsitze und Kugeln).

Ab dem 21. März 2021 gilt die Änderung der Bewertungsgrundlage für Kunststoffe und andere organische Materialien im Kontakt mit Trinkwasser. D.h. ab diesem Datum haben Unternehmer und sonstige Inhaber von Wasserversorgungsanlagen sicherzustellen, dass für Neu-Anlagen oder die Instandhaltung von Anlagen für die Gewinnung, Aufbereitung oder Verteilung von Trinkwasser ausschließlich solche organischen Materialien verwendet werden, die den Anforderungen dieser Bewertungsgrundlage entsprechen. Hier stoßen oftmals verbaute Kunststoffe wie auch andere organische Materialien in Anlagen an Ihre Grenzen und keramische Werkstoffe können die zukunftssichere Lösung sein.

Konzentrierte Solarenergie (CSP), auch bekannt als solarthermische Elektrizität (STE), ist eine vielversprechende Technologie, da sie die reichlich auf die Erde einfallende Sonnenenergie direkt nutzbar macht. Nach einer groben Schätzung stehen insgesamt 85 Petawatt an Sonnenenergie für terrestrische Sonnenkollektoren zur Verfügung, was mehr als das 5000-fache des derzeitigen weltweiten Strombedarfs von etwa 15 Terawatt ausmacht.

Das Hauptziel dieses Projekts bestand darin, die Kosten der konzentrierten Solarenergie erheblich zu senken, um den Weg für ihre verdiente Wettbewerbsfähigkeit auf dem Strommarkt zu ebnen. Insbesondere wurde der Wirkungsgrad der Anlage bei der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie verbessert. Der Beitrag von FCT bestand in der Entwicklung und Herstellung einer keramischen Receivereinheit, die höhere Betriebstemperaturen ermöglicht. Außerdem wurden Keramikkomponenten für das Hochtemperatur-Wärmetauschersystem geliefert.

Trägersubstrate aus einkristallinem Aluminiumnitrid (AlN) sind ideal für die Abscheidung von halbleitenden (AlGaIn)N-Schichten, die u.a. als Basis für leistungsfähige und langlebige UV-Leucht- und Laserdioden gebraucht werden. Die großen Vorteile dieser Bauelemente kommen bislang jedoch nicht zum Tragen, da einkristalline AlN-Wafer nur sehr aufwändig und teuer an Forschungsinstituten für deren Eigenbedarf produziert werden können. Der wesentliche Grund hierfür ist das Fehlen geeigneter hochtemperatur- und korrosionsstabiler Tiegelmaterialien, welche sowohl den hohen Anforderungen des AlN-Einkristall-Züchtungsverfahrens als auch den wirtschaftlichen Vorgaben genügen.

Im geplanten Projekt befassen sich deshalb die FCT Ingenieurkeramik GmbH (FCT) zusammen mit dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) in Berlin mit der Entwicklung von refraktären keramischen Werkstoffen und Kompositwerkstoffen sowie der zu ihrer Herstellung geeigneten Hochtemperatur-Verdichtungstechniken, mit dem Ziel, einsatzfähige Tiegelwerkstoffe und -komponenten für eine industrielle Fertigung von einkristallinen AlN-Wafern zu entwickeln.

Die beschriebene Forschungsarbeit wurde durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.

Im Rahmen des Projektes wurden bei FCT Schaumkeramiken mit einstellbarer Porosität als Graphitersatz für die Züchtung hochperfekter, defektarmer AlN-Einkristalle entwickelt. Die Arbeiten umfassten die Entwicklung geeigneter Technologien für die Urformgebung von Schaum-Vorkörpern, deren anschließende Sinterung als auch Versuche zur Variation von Porosität und Porenstruktur. Die finalen Schäume aus Tantalnitrid sind frei von Kohlenstoff, besitzen eine hohe chemische und thermische Stabilität im Bereich um 2200°C, einen relativ hohen elektrischen Widerstand. Sie wurden am IKZ zudem unter züchtungsnahen Bedingungen getestet, um daraus die für den geplanten Einsatz notwendigen Kriterien für die Keramik als Wärmeisolation und Graphitersatz zu evaluieren.

In Hinsicht auf die mechanischen Eigenschaften fordern einige Bereichen der Technik keramische Werkstoffe mit hoher Festigkeit, Bruchzähigkeit und Steifigkeit. Zudem sollte für die thermischen Eigenschaften ein kleiner bis sehr kleiner Wärmeausdehnungskoeffizient, eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit, ein gutes Thermoschockverhalten aber auch hohe Korrosionsbeständigkeit realisiert werden um dort ein erweitertes Einsatzpotential zu generieren. Siliciumnitrid ist hierfür weitgehend geeignet, obwohl die Wärmeleitfähigkeit intrinsisch durch Sinteradditive und Verdichtungsparameter nicht allzu hoch eingestellt werden kann. Werkstoffe mit Wärmeleitzahlen über 100 W/mK zeigen meist eine deutlich reduzierte Festigkeit und Bruchzähigkeit. Hier soll der neuartige Kompositwerkstoffansatz zum Tragen kommen und zur weiteren Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit führen. Durch Zusatz von Diamanten soll ein Kompositwerkstoff und ein entsprechendes Herstellungsverfahren entwickelt werden, woraus ein keramischer Werkstoff mit einer signifikant höheren Wärmeleitzahl bei gleichzeitig hoher Festigkeit und einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hervorgeht.

Verbundwerkstoffe wie faserverstärkte Keramiken und Kunststoffe bieten viele Vorteile gegenüber den monolithischen Materialien und halten mehr und mehr Einzug im Automobilbau. Die keramische Bremse und der Einsatz von CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff) in Strukturbauteilen sind dabei nur zwei Beispiele. Die wirtschaftliche und serientaugliche spanende Bearbeitung dieser Werkstoffe ist dabei noch ungelöst. Eine kurze Bearbeitungsdauer bei hoher Oberflächengüte ohne Nachbearbeitung und ohne Schädigung des Werkstücks bei gleichzeitig hoher Standzeit des Werkzeugs sind wie immer die Wünsche. Das Ziel des Projektes ist es, dies mit perfekt aufeinander abgestimmten Schneidstoffen (Hartmetall, Keramik oder PKD), Beschichtungen (idR Diamant) und einer Ultraschallanregung des Werkzeuges zu erreichen. Hierdurch sollen höhere Schnittgeschwindigkeiten mit reduzierten Bearbeitungskräften und reduziertem Werkzeugverschleiß kombiniert werden.