Eine widerstandsfähigere leitfähige Keramik zu niedrigeren Kosten

Durch die systematische Weiterentwicklung von Standardverarbeitungstechniken haben die A*STAR-Forscher ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Aluminiumoxid-Keramik-Verbundwerkstoffs entwickelt – ein strapazierfähiges Material, das in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt wird.

Aluminiumoxid (Al2O3) ist einer der am häufigsten verwendeten Rohstoffe. Er widersteht Temperaturen von über 2.000 Grad Celsius, und seine kristalline Form, der so genannte Korund, ist nach Diamant eines der härtesten natürlichen Materialien der Welt. Es ist auch sehr preiswert und kann in großen Mengen hergestellt werden, so dass es kein Wunder ist, dass es seinen Weg in eine Vielzahl von industriellen Anwendungen gefunden hat, von Füllstoffen in Farben, Sonnenschutzmitteln und Kosmetika bis hin zu Schleifmitteln, Gasreinigung, Katalyse, fortschrittlicher Filtration, Keramik und Verbundwerkstoffen.

Aluminiumoxid ist ein ausgezeichneter elektrischer Isolator. In einigen Anwendungen, wie beispielsweise der Katalyse und der fortgeschrittenen Filtration, könnte die Fähigkeit zur Elektrifizierung des Materials jedoch erhebliche Vorteile bringen. In der Wasserfiltration beispielsweise ist Aluminiumoxid als langlebige Filtrationsmembran vielversprechend, die herkömmliche Polymermembranen übertrifft – aber nur, wenn die Membran zur Vermeidung von Fouling elektrifiziert werden kann.

Das Mischen von Aluminiumoxid mit leitfähigem Titannitrid (TiN) ist bekannt als leitfähiges keramisches Verbundmaterial, hat aber bisher teure oder komplexe Verarbeitungstechniken erfordert. Wei Zhai und Kollegen vom Singapore Institute of Manufacturing Technology haben nun die industriellen Standardverarbeitungsmethoden angepasst, um ein wesentlich kostengünstigeres Ergebnis zu erzielen.

„Wir haben ein neuartiges Verarbeitungsverfahren entwickelt, um elektrisch leitfähige Al2O3-TiN-Verbundwerkstoffe herzustellen, indem wir Kugelmahlen und reaktives Sintern kombinieren, beides typische Verfahren für die Pulververarbeitung“, erklärt Wei.

Das Geheimnis ihres Erfolgs war das Kugelmahlen von Pulvern aus Al2O3 und Ti, nicht aus TiN, und dann das Erwärmen (Sintern) der gebildeten Form unter Stickstoff, um den endgültigen leitfähigen Verbundstoff zu erhalten.

„Ti-Pulver ist viel dehnbarer als TiN, wodurch die Pulverpartikel im Mahlprozess gestreckt werden können“, sagt Wei. Ihr Team fand heraus, dass die Form der Ti-Partikel und nicht ihre Ausgangsgröße der Hauptfaktor war, der die Menge an TiN bestimmte, die benötigt wurde, um die Leitfähigkeit zu erreichen. „Das reduziert die Menge an Ti, die benötigt wird, um die elektrische Leitfähigkeit zu erreichen, was wir theoretisch vorhergesagt haben.“

Das Team konnte einen leitfähigen Verbundwerkstoff mit nur 15 Prozent TiN herstellen und durch den Einsatz kleinster Ti-Partikel eine nennenswerte Verschlechterung der gewünschten mechanischen Eigenschaften des Materials verhindern.

Mehr Informationen:
Wei Zhai et al. Ti Reaktives Sintern von elektrisch leitfähigem Al2O3-TiN-Verbundstoff: Einfluss von Ti-Partikelgröße und Morphologie auf elektrische und mechanische Eigenschaften von Materialien (2017). DOI: 10.3390/ma1012131348

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