Funding: DFG SPP 2289

Contact: Marc Weirich

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung und die Beschreibung eines Hetero-Aggregationsprozesses verschiedener submikroner Partikel durch Mischen und Desublimation in einer Überschall¬strömung. Mit den generierten Partikeln sollen maßgeschneiderte Oberflächen¬beschichtungen hergestellt werden. Sowohl die Partikelgenerierung als auch die Oberflächen¬beschichtung soll mit experimentellen und theoretischen Analysen untersucht werden. Zu diesem Zweck werden Hetero-Aggregate in der Gasphase durch einen heterogenen Desublimations¬prozess hergestellt. Ein pulverförmiges Material wird in der Gasphase durch einen leistungsstarken Rohrofen sublimiert, bevor das Gasgemisch in einer Lavaldüse zu einer Überschallströmung expandiert wird. Durch die starke und plötzliche Druck- und Temperaturabsenkung wird die Gasphase übersättigt und das aufgegebene Material desublimiert an Keimpartikeln. Diese Keimpartikel werden im Rückströmgebiet der Lavaldüse, durch die Bereiche größter Übersättigung geführt. Das Mischverhalten der Komponenten, sowie deren Form und Größe bestimmt das Ergebnis des Aggregationsprozesses. Es werden Experimente mit TiO2, Al2O3, SiO2 und Hydroxylapatit (HO) als Keimpartikel und Kupfer-Phthalocyanin, Paliogen Rot L4120 und Silber als Beschichtungsmaterial durchgeführt. Die erzeugten Heteroaggregate werden entsprechend ihrer Größenverteilung mittels Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) und Rasterelektronen¬mikroskopie (REM) charakterisiert. Zusätzlich wird die Partikelform während der Experiment mit einem 3D- Light Scattering Sensor online bestimmt. Dazu wird die aerodynamische Fokussierung, zur Einbringung einzelner Partikeln in das Messvolumen des Sensors und die Laserstrahl¬führung überarbeitet. Um online Messungen durchzuführen wird die Hardware des Messsystems aufgerüstet. Die Messfähigkeit des Systems wird durch Messreihen mit diversen Testaerosolen, z.B. Salzkristalle, Polystyrol Monosphären und SiO2 Agglomerate nachgewiesen. Das komplexe Strömungsverhalten wird durch skalenübergreifende Simulationen mit CFD und der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) untersucht. Das Deformations- und Bruchverhalten wird mit Nanoindentation gemessen und mit der DEM simuliert. Die formulierten Hetero-Aggregate werden in diesem Projekt für die Erzeugung von heterogenen Beschichtungen durch einen strahlbasierten Abscheidungsprozess verwendet. Die funktionellen Eigenschaften der Oberfläche werden durch Nanoindentation der erzeugten porösen Beschichtungen bestimmt.