Keramische Materialien
Das Labor für Keramische Materialien bildet die gesamte Prozesskette der Herstellung technischer Keramik im Prototypmassstab ab. Eine grosse Bandbreite relevanter Keramischer Werkstoffe und Herstellungsverfahren ist Gegenstand der Entwicklungen.
Die fachlichen Schwerpunkte des Labors liegen in der Entwicklung innovativer keramischen Formgebungsmethoden und Synthese massgeschneiderter keramischer Materialien für den anspruchsvollen Einsatz in der Maschinentechnik, Energie-, Medizin- oder chemischen Technik. Dazu steht eine umfangreiche und universell nutzbare, moderne Infrastruktur zur Verfügung.
Herstellung von Keramiken
Wir verfügen über in vielen Jahren gewachsenes Knowhow und Equipment, um die gesamte Prozesskette der Herstellung von Keramiken zur Anwendung in Maschinenbau, Medizinaltechnik, Elektrotechnik oder Verfahrenstechnik vom Labormassstab bis zum vorseriellen Prototyp abzubilden. Unsere langjährige Erfahrung und Labor- und Technikums-Ausstattung erlaubt es uns, flexibel auf die jeweiligen Anfragen unserer industriellen Partner zu reagieren und jeweils geeignete Lösungen auszuwählen und umzusetzen.
Die Herstellung von Keramiken beginnt mit der Auswahl der Rohstoffe. Im Bedarfsfall verfügen wir über das chemische Knowhow, Partikel, Pulver oder Granulate mit spezifizierter Zusammensetzung selbst zu synthetisieren. Dazu verwenden wir Festkörperreaktionen, Fällungsreaktionen, kolloidale Prozesse bis hin zu Mikrofluidiktechniken.
Häufig müssen die Partikeloberflächen für die weitere Verarbeitung chemisch modifiziert werden. Wir besitzen langjährige Erfahrung in der Auswahl geeigneter Prozessadditive wie Dispergiermittel, Plastifizierhilfen, Entschäumer, Bindemittel usw.
Für Beschichtungen, harzbasierte additive Fertigungsverfahren, Giessformgebung, Spritzguss oder zur Herstellung polymerabgeleiteter Keramiken entwickeln wir eigene Formulierungen und Bindemittelrezepturen.
Wir beherrschen alle in der Keramik gängigen Formgebungsmethoden, d.h. Gipsguss, Spritzguss, Folienguss, Gel Casting, Pressen, Extrudieren vom Labor- bis zum Technikumsmassstab. Wir verfügen beispielsweise über zwei industrielle Spritzgussanlagen, eine Roll-to-roll Beschichtungsanlage und Doppelschneckenextruder in verschiedenen Dimensionen und Leistungsklassen.
Darüber hinaus spielen additive Fertigungsmethoden / 3D-Druck in den letzten Jahren eine bedeutende Rolle bei der Umsetzung von Entwicklungsprojekten. In unserem Labor für die Additive Fertigung von Keramiken sind alle relevanten Technologien verfügbar – DLP Digital Light Processing, SLA Stereolithographie, Pulverdruck / Binderjetting, MEX Granulat-Mikroextrusion. In Studentenprojekten entwickeln wir kontinuierlich neue innovative Verfahren zur additiven Herstellung von Keramiken.
Keramische Beschichtungen gehören mit Ausnahme von Gasphasenabscheidungen ebenfalls zu unserem Portfolio. Wir beschäftigen uns mit polymerabgeleitete Keramikbeschichtungen, Sol-Gel-Beschichtungen, Emaillen und Glasuren.
Schliesslich gehört zur Keramikherstellung per Definition der Sinterprozess in Hochtemperaturöfen. Wir können maximale Sintertemperaturen bis 1800 °C, bei Bedarf unter Vakuum, Schutzgas oder anderen Gasen realisieren.
Charakterisierung
Die Basis der Entwicklung neuer keramischer Materialien, Anwendungen und Systeme ist eine den jeweiligen Fragestellungen angepasste analytische Ausstattung. Das Labor für Keramische Materialien verfügt über ein umfassendes Methodenportfolio zur Charakterisierung von Rohstoffen, Halbzeugen und Produkten.
Die Analytik der Zusammensetzung umfasst die Kristallstrukturanalyse und mineralogische Zusammensetzung von Pulvern und Keramiken (Röntgenbeugung XRD) sowie der chemischen Zusammensetzung (EDX im SEM, Hochdruckaufschlussmethoden mit anschliessender ICP-OES-Analytik). Zusätzlich verfügen wir bei Bedarf über eine umfassende spektroskopische Ausstattung (UV-VIS, IR, Raman, XPS).
Zur Untersuchung der morphologischen Eigenschaften und Partikelgrössenverteilungen von Pulvern stehen verschiedene Partikelanalysegeräte zur Verfügung - Laserbeugung, DLS, nass, trocken, Mikroskopie, SEM, Siebanalyse, Gasadsorption BET. Die Entwicklung von Dispersionen, Pasten und plastischen Massen wird bei Bedarf durch rheologische Untersuchungsmethoden unterstützt.
Grundlage für das Verständnis von Trocknungs-, Entbinderungs- und Sinterprozessen ist die thermische Analyse. Wir verwenden Simultanthermoanalyseanlagen DTA / DSC / TG mit gekoppelter Gasanalyse (IR, MS) sowie Dilatometer (horizontal, vertikal, optisch). Zusätzlich besteht die Möglichkeit der thermischen Analyse von Phasenumwandlungen im XRD mittels eines einsetzbaren Ofens bis 1600 °C (im Vakuum) sowie mittels spezieller Lichtmikroskope.
Die mechanischen Kennwerte von Keramiken sind auf Grund der speziellen Eigenschaften technischer Keramiken – hohe Festigkeit bei gleichzeitig spröde brechendem Verhalten – mit angepassten Prüfverfahren und statistischen Methoden (Weibullstatistik) zu prüfen und zu untersuchen. Dazu stehen ebenfalls verschiedene Prüfeinrichtungen und Werkzeuge zur Verfügung.
Die technischen Eigenschaften von Keramiken werden durch Mikrostruktur und Defekte bestimmt. Wir verfügen über langjährige Erfahrung in Probenpräparation und Elektronenmikroskopie.
Weitere anwendungsspezifische Untersuchungsmethoden betreffen beispielsweise die Charakterisierung von Oberflächen (Konfokalmikroskopie, AFM), Porosität und Permeabilität, elektrische Leitfähigkeit etc. Eine umfassende Auflistung der am IMPE verfügbaren analytischen Infrastruktur finden Sie hier.
Anwendungen
Technische Keramik wird in einer grossen Bandbreite für industrielle Anwendungen als Funktionsmaterial eingesetzt. Dank unserer langjährigen Erfahrung in Zusammenarbeit mit unseren industriellen Partnern aus verschiedensten Branchen können wir einen weiten Bereich von Anwendungsgebieten abdecken. In der Vergangenheit haben wir beispielsweise Projekte in folgenden Gebieten erfolgreich bearbeitet:
Die chemische Verfahrenstechnik bietet ein breites Anwendungsfeld für hochspezialisierte und massgeschneiderte Keramiken, z.B. für Anwendungen in Katalyse, Separation (Membranen, Filter), oder Adsorption (Abb). In den letzten Jahren wurden verschiedene Projekte in den genannten Gebieten erfolgreich umgesetzt, beispielsweise zur additiven Fertigung von keramischen Destillationskolonnen, massgeschneiderten Diaphragmen für pH-Sensoren, Luftfiltern zur Partikel- und Virenfiltration oder Entwicklung von additiv gefertigten CO2-Adsorptionskörpern.
Im Bereich der Materialien für die Energietechnik wurden in der Vergangenheit verschiedene Projekte der SOFC Brennstoffzellentechnologie bearbeitet sowie im Bereich der elektrochemischen Speicherung Anodenmaterialien für Lithiumakkus entwickelt.
Für Anwendungen in der Medizinaltechnik konnten wir beispielsweise Dentalimplantate mit osseofunktionelle Oberflächen entwickeln oder auch etwas exotischere Anwendungen wie Targets für Radionuklidtherapie realisieren.
Maschinenbau ist ein klassisches Anwendungsfeld von Hochleistungskeramik auf Grund der besonderen Eigenschaften dieser Materialien. Wir unterstützen unsere Partner in Materialauswahl und Produktentwicklung bis hin zur Produktion von Vorserien mittels keramischem Pulverspritzgussverfahren. Beispiele für derartige Entwicklungspartnerschaften sind die Entwicklung von keramischen Heizelementen, keramischen Isolatoren für die Schweisstechnik oder keramisch gebundener Schleifscheiben.