Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC

Institutsleiter: Prof. Dr. Gerhard Sextl Das ISC erforscht und entwickelt seit 25 Jahren neue Materialien. Die Spezialität ist das Sol-Gel-Verfahren, mit dem nanoskalige Werkstoffe erhalten werden. Im Bereich Nanotechnologie zeichnet sich das ISC durch folgende Kernkompetenzen aus: Herstellung von Nanopartikeln für den Einsatz in Katalyse, Elektrorheologie und Medizintechnik; Herstellung von Kompaktmaterialien, Dünnschichten und Fasern über strukturelle und funktionelle Anwendungen sowie Herstellung von nanoporösen Materialien und Membranen. Die stoffliche Vielfalt umfaßt dabei Keramik, Glas und Hybridpolymere (ORMOCER®e)

Was steckt dahinter?  Die gesamte Wertschöpfungskette von der Vorlaufforschung bis zum  Transfer in wirtschaftlich verwertbare Ergebnisse

Supramolekulare Systeme als Vorstufen für Mullit-Keramiken (3Al2O3·2SiO2) Ausgangssituation Der Einsatz supramolekularer Vorstufen für keramische Materialien ist ein neuer Ansatz. Er ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Anforderungen bestimmter Formgebungsverfahren erfüllt werden müssen, deren Umsetzung mit den klassischen Verfahren der Keramikherstellung nicht realisierbar ist. Dies kann z.B. die Herstellung von Langfasern oder von Schichten sowie der Matrixaufbau für keramische Komposite sein. Somit eröffnet sich ein neuer pulverfreier Weg, Keramiken für vielfältigste Anwendungsbereiche wie etwa auch für den Flugzeugbau zu synthetisieren. Die Chemie der Supramoleküle beschäftigt sich, eingebunden in einen interdisziplinären Rahmen, mit der Synthese und Erforschung der Eigen-schaften molekularer Gebilde mit komplexer Architektur. Die aufbauenden Bestandteile der Supramoleküle werden durch intermolekulare, nichtkovalente Bindungen zusammengehalten und organisiert. Problemstellung Durch Beschichtung von Fasern und Infiltration von Fasergeweben mit supramolekularen Vorstufen soll ein volloxidisches, faserverstärktes Bauteil (CMC) mit mullitischer Matrix der Zusammensetzung 3Al2O3·2SiO2 hergestellt werden, das sich durch dauerhafte Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen auszeichnet. Der Matrixaufbau erfordert vergleichsweise niedrige Aufarbeitungstemperaturen von maximal 1300°C, um die Fasern nicht irreversibel zu schädigen. Ein solches CMC-Bauteil kann in Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken seinen Einsatz findet. Synthese und Charakterisierung Da supramolekulare Systeme im chemischen Sinne an Sol-Gel-Verfahren anknüpfen können, sind lösliche und kolloidale Metallakoholate geeignete Ausgangsverbindungen. Im Falle löslicher Edukte wird eine molekular-disperse Route verfolgt, bei der die Mischung der Edukte auf molekularer Ebene erfolgt. Beim Einsatz kolloidaler Edukte werden nanometergroße Al- und Si-haltige Partikel verwendet. Mit Hilfe verschiedner Charakterisierungsmethoden, wie Röntgendiffraktometrie, z-Potentialmessungen, Festkörper- und Flüssigphasen-NMR-Spektroskopie, lassen sich supramolekulare Struktureinheiten in den Vorstufen nachweisen. Die Umwandlung zu Mullit erfolgt bei der molekulardispersen Syntheseroute bei 990°C, bei der kolloiddispersen ist die Umwandlung nach einer Temperaturbehandlung bei 1300°C abgeschlossen. Anwendung Die Dornier GmbH Friedrichshafen testet den Einsatz der supramolekularen Vorstufen für den Aufbau volloxidischer CMC-Bauteile: Nextel®610- Fasern und -Fasermatten, die aus polykristallinem Al2O3 bestehen, werden mit den Vorstufen beschichtet, getränkt, laminiert und nachinfiltriert. Es zeigt sich, daß sowohl mit der molekulardispersen als auch mit der kolloidaldispersen Vorstufe uni- und bidirektionale Prepregs und Laminate hergestellt werden können. Projektpartner Das Projekt "Supramolekulare Vorstufen für Mullit-Keramiken", das vom BMBF unterstützt wird, wird in Zusammenarbeit mit der Johann-Wolfgang-von Goethe-Universität Frankfurt, der Friedrich-Schiller-Unversität Jena und der Dornier GmbH Friedrichshafen bearbeitet.

Ansprechpartner Dipl.-Chem. D. Sporn, Telefon 0931/4100-400, E-Mail: sporn@isc.fhg.de Dipl.-Ing W. Glaubitt, Telefon 0931/4100-406, E-Mail: glaubitt@isc.fhg.de

REM-Aufnahme (20-fach) einer infiltrierten Fasermatte im Grümzustand

Volloxidische faserverstärkte Mullitkeramik: Aus infiltrierten Fasermatten hergestelltes Laminat im gebrannten Zustand (Temperaturbehandlung bei 1300°C).

Nanoskalige Antireflexschichten auf Flachglas

An allen transparenten Materialien wird ein Teil des einfallenden Lichtes reflektiert. Die Reflexion beruht bauf der abrupten Änderung des Brechungsindexes an der Grenzfläche zweier Medien. Durch submikrostrukturierte Oberflächen kann die Reflexion wesentlich verringert werden. Die Oberflächenstrukturen, die kleiner sind als die Lichtwellenlänge, können visuell nicht wahr genommen werden - die Strukturen bewirken einen kontinuierlichen Übergang des Brechungsindexes an der Oberfläche und verringern dadurch die Reflexion. Innerhalb des Fraunhofer Verbundprojektes "Optisch-funktionale Oberflächen", an dem das ISC beteiligt ist, wird eine Vielzahl technologischer Ansätze verfolgt, um Oberflächen zur Reflexionsverringerung zu strukturieren. Dies schafft die Voraussetzung für individuelle Lösungen. Poröse Sol-Gel-Schichten Periodische Mikrostrukturen (Mottenaugen) Stochastische Mikrostrukturen Alle drei Ansätze zeigen vielversprechende Ergebnisse. So konnte beispielsweise durch poröse Sol-Gel-Schichten auf Weißglas die visuelle Transmission auf 99,5 % und die solare Transmission auf nahezu 97% erhöht werden. Die am Fraunhofer ISC entwickelten porösen Sol-Gel-Schichten ermöglichen eine kostengünstige und breitbandige Entspiegelung von Glas. Über ein Tauchbeschichtungsverfahren lassen sich poröse Schichten herstellen, die sich in idealer Weise als Ein-schicht- Interferenz-Entspiegelung eignen. Sowohl der Brechungsindex als auch die Schichtdicke läßt sich mit diesem Verfahren sehr genau einstellen. Gemeinsam mit der Flabeg, einem Tochterunternehmen der Pilkington AG, und Merck KGaA wird die industrielle Produktion großflächig entspiegelter Glasscheiben vorbereitet. In einer klein-technischen Versuchsanlage können bereits entspiegelte Scheiben der Größe 1 m × 1 m hergestellt werden. Erste Tests von Solaranlagen mit entspiegelter Abdeckung zeigen eine deutliche Erhöhung des Systemwirkungsgrads.

Mit porösen anorganischen Schichten teilweise entspiegelte Glasscheibe.

Reges Interesse zeigten die Besucher der Hannover Messe 2000 für das entspiegelte Solarmodul vom Fraunhofer ISC.

Entspiegelung durch Mottenaugenstrukturen

Einige nachtaktive Motten, nach denen der Effekt benannt wurde, nutzen diese Art der Entspiegelung, um Reflexionen von Restlicht zu unterdrücken und sich so zu tarnen. Tatsächlich ist die Cornea dieser Motten mit einer Struktur versehen, die eine Periode von weniger als 250 nm und einer Strukturtiefe von über 200 nm aufweist. Am Fraunhofer ISC entwickelte ORMOCER®-Schichten (anorganisch- organische Copolymere) lassen sich im Prägeverfahren strukturieren und ermöglichen so die Entspiegelung transparenter Medien, wie Glas und Kunststoff. Periodisch strukturierte ORMOCERe erhöhen die visuelle Transmission von Glas auf über 98%. Die Modifizierungsmöglichkeiten der ORMOCER® gestatten es, weitere Oberflächeneigenschaften in die Schicht zu integrieren, wie z.B. schmutzabweisend und antistatisch. Die Mikrostrukturen können in einem preiswerten Prägeprozeß oder im Spritzguß abgeformt werden. Prägeversuche haben gezeigt, daß sich die Strukturen in verschiedene Materialien abformen lassen. Mottenaugenstrukturen lassen sich durch ein Heißprägeverfahren in PMMA abformen. Diese Technik des Fraunhofer IWM erhöht die visuelle Transmission einer PMMA-Platte auf 99,0 %. Über holographische Belichtung lassen sich periodische Mikrostrukturen erzeugt, die anschließend in einem Galvanisierungsprozeß auf einen Nickelmaster abgeformt werden können. Mit dem Belichtungsstand des Fraunhofer ISE können Mottenaugenstrukturen mit einer Periode unter 220 nm auf Masterplatten bis zu einem Durchmesser von 40 cm hergestellt werden. Aus diesen Mastern können durch Replikation großflächige Master erzeugt werden. Die Entspiegelungswirkung erstreckt sich vom sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums bis in den solaren Bereich. Durch diesen Wirkungsgrad, der erheblich über den von kommerziellen Schichten hinausgeht, ergibt sich auch ein breiter gefächertes Anwendungsgebiet. Die materialschonende schnelle UV-Härtung ermöglicht auch die Anwendung auf vielen transparenten Kunststoffen. Bei vielen Abdeckungen aus Kunststoff wirken sich Reflexionen störend aus. Sie führen zu Falschlichteffekten, vermindern den Kontrast von Displays oder erschweren das Ablesen einer Anzeige. Mit Hilfe periodischer Mikrostrukturen, sogenannter Motten-augenstrukturen, lassen sich diese Reflexionen unterdrücken. Der im Fraunhofer Verbund Optisch-funktionale Oberflächen gelungene technologische Durchbruch, künstliche Mottenaugenstrukturen preiswert herstellen zu können, führt zu zahlreichen Produktentwicklungen für entspiegelte Kunststoffbauteile. Gemeinsam mit der Robert Bosch GmbH wird die Entspiegelung von transparenten Abdeckungen im Automobil bis zur Serienreife geführt. Zusammen mit der Firma Fresnel Optics GmbH werden optische Komponenten durch Mikrostrukturen entspiegelt. Anwendungsgebiete Geräte- und Instrumentenabdeckung Bildschirme Sonnenkollektoren Verglasung Glas und Kunststoff Die Vorteile für den Anwender Spektral breitbandige Entspiegelung Geringe Abhängigkeit vom Einfallswinkel Kostengünstige Herstellung Beschichtung von Substraten mit komplizierter Geometrie

Ansprechpartner Dr. K. Rose, Telefon 0931/4100-626, E-Mail: rose@isc.fhg.de Dr. J. Kappel, Telefon 0931/4100-518, E-mial: kappel@isc.fhg.de

Elektromikroskopische Aufnahme einer geprägten Submikron-Struktur im ORMOCER®, die einen Gradienten in der optischen Brechzahl bewirkt.

Technologiezentrum für Oberflächenveredelte Produkte (T_O_P) ausgegründet

Aufbauend auf den langjährigen Erfahrungen des Fraunhofer ISC auf den Gebieten Beschichtungsverfahren zur Veredelung von Oberflächen, Produktverbesserung, Technologieumsetzung, Prüftechnik und Qualitätssicherung wurde das Technologiezentrums für Oberflächenveredelte Produkte (T_O_P) ausgegründet. Das Ziel von T_O_P ist die Überführung von neuen Werkstoffen zur naßchemischen nichtmetallischen Oberflächenveredelung von Bauteilen in die industrielle Anwendung. Dabei werden in enger Kooperation mit den Know-how-Trägern der Beschichtungsgruppe der ORMOCER®-Abteilung und der Abteilung Keramik des ISC Gesamtlösungen für industrielle Kunden erarbeitet. Grundlage sind die Ergebnisse der Materialforschung und Entwicklung des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC auf dem Gebiet der anorganischen Schichtmaterialien sowie der anorganisch-organischen Hybridpolymersysteme (ORMOCER®e). Für den Transfer in Unternehmen wird im T_O_P der Beschichtungsprozeß, jeweils auf den konkreten Anwendungsfall bezogen, in seiner Gesamtheit entwickelt. Der Anwender erhält damit Beschichtungswerkstoff, Beschichtungsverfahren und Prüftechnik sowie Qualitätssicherung aus einer Hand. T_O_P steht für die Beschichtungstechnik in die industrielle Serienfertigung: Planung des Fertigungsablaufs Konzepierung und Bau der gesamten verfahrenstechnischen Einrichtungen Integration des Beschichtungsprozesses in der Fertigung Ausarbeitung eines Qualitätssicherungskonzeptes Schulung der Mitarbeiter vor Ort Die T_O_P-Mitarbeiter legen großen Wert auf eine strategische Zusammenarbeit mit den Kunden, um Innovationen in marktgerechte und wirtschaftlich erfolgreiche Lösungen schnell umzusetzen. Das Leistungsspektrum reicht von der Lackherstellung über die Anfertigung einzelner Muster bis zur Serienbeschichtung im Lohnauftrag. Bei der Prototypenbeschichtung im Kundenauftrag wird eine Gesamtlösung, bezogen auf ein konkretes Bauteil und seine Einsatzbedingungen, erarbeitet. Diese Gesamtlösung beinhaltet die Lackoptimierung, die Beschichtung und die genaue Prüfung der geforderten Eigenschaften. Die spätere wirtschaftliche Fertigung wird bei der Entwicklung stets berücksichtigt. Im Lohnauftrag werden Bauteile bis zu einer Größe von 1 m 2 für Kleinserien oder SonderanfertigungeMn beschichtet. Werden an die Bauteile hohe optische Anforderungen gestellt, können die Beschichtungen im T_O_P unter Reinraumbedingungen durchgeführt werden. Die Qualitätssicherung beginnt im T_O_P mit der Überprüfung der eingesetzten Rohstoffe. Die kontinuierliche Prozeßüberwachung der Lackherstellung und des Beschichtungsprozesses stellt eine gleichbleibend hohe Qualität sicher. Moderne Meß- und Regeltechnik erfaßt, überwacht und steuert die Prozesse. Zur Bestimmung der Material und Schichteigenschaften ist das T_O_P mit modernen Meß- und Prüfgeräten ausgestattet. Zur Qualitätsverbesserung und Qualitätssicherung werden mit diesen Geräten Material- und Schichteigenschaften bestimmt, die zusammen mit den erfaßten Prozeßdaten Basis für eine ständige Optimierung und Absicherung des Beschichtungsprozesses sind.

Ansprechpartner Dr. B. Möller Telefon 0931/4100-600, E-Mail: moeller@isc.fhg.de