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Heteroaggregation feiner Partikel in der Überschallströmung für die maßgeschneiderte Oberflächenbeschichtung

Sublimiertes Material B tritt durch die Lavaldüse mit Überschallgeschwindigkeit in die Expansionskammer ein. Durch Desublimation aufgrund von Druck- und Temperaturabnahme und Zugabe des Keimmaterials A aggregieren die Materialen in einer core-shell Struktur. Lange Verweilzeiten aufgrund von Strömungsrückführung (gelb-grüne Strömungslinien) sorgen für wiederholte Oberflächenstrukturierung.
Sublimiertes Material B tritt durch die Lavaldüse mit Überschallgeschwindigkeit in die Expansionskammer ein. Durch Desublimation aufgrund von Druck- und Temperaturabnahme und Zugabe des Keimmaterials A aggregieren die Materialen in einer core-shell Struktur. Lange Verweilzeiten aufgrund von Strömungsrückführung (gelb-grüne Strömungslinien) sorgen für wiederholte Oberflächenstrukturierung.

Projektleitung:

Professor Dr.-Ing. Sergiy Antonyuk
Technische Universität Kaiserslautern

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung und die Beschreibung eines Hetero-Aggregationsprozesses verschiedener Submikronpartikel durch Mischen und Desublimation in einer Überschallströmung für maßgeschneiderte Oberflächenbeschichtungen mit experimentellen und theoretischen Untersuchungen. Zu diesem Zweck werden Hetero-Aggregate in der Gasphase durch einen heterogenen Desublimationsprozess hergestellt. Ein pulverförmiges Material wird in der Gasphase durch einen leistungsstarken Rohrofen sublimiert, bevor das Gas in einer Lavaldüse zu einer Überschallströmung expandiert wird. Durch die starke Druck- und Temperaturabsenkung wird die Gasphase übersättigt und dieses Material desublimiert an Keimpartikeln, die in einen Rückströmungsbereich der Expansionskammer gegeben werden und so in den Bereich der größten Übersättigung transportiert werden. Das Mischverhalten der Komponenten, sowie deren Form und Größe bestimmt das Ergebnis des Aggregationsprozesses. Die erzeugten Heteroaggregate werden entsprechend ihrer Größenverteilung mittels Scanning Mobility Particle Spectrometer (SMPS) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) charakterisiert. Der 3D- Light Scattering Sensor wird für die Online-Messung der Partikelform verwendet. 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 formulierte Hetero-Aggregate werden in diesem Projekt für die Erzeugung von Hetero-Beschichtungen der Substrate durch einen strahlbasierten Abscheidungsprozess verwendet. Die funktionellen Eigenschaften der Oberfläche werden durch Nanoindentation der erzeugten porösen Beschichtungen bestimmt.