Nachhaltige Funktionskeramik durch das Kalt-Sinter-Verfahren

Keramiken sind ein unverzichtbarer Bestandteil moderner Technologien mit vielfältigen Einsatzbereichen von der Bauinfrastruktur bis hin zu Hochleistungsanwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Elektronik. Ein zentraler Schritt in der Herstellung keramischer Materialien und Bauteile ist das Sintern: ein Prozess, bei dem feste, dichte und strukturell stabile Materialien unter hohen Temperaturen oft weit über 1000 C verdichtet werden. Trotz der Wirksamkeit bringt diese Methode erhebliche Herausforderungen mit sich: ein hoher Energieverbrauch mit entsprechender Umweltbelastung, begrenzte Kontrolle über die Mikrostruktur (z. B. Kornwachstum) sowie unerwünschte chemische Reaktionen zwischen unterschiedlichen Materialphasen. Diese Probleme erschweren insbesondere die Entwicklung fortschrittlicher,multifunktionaler Werkstoffe, wie etwaKeramik-Metall-Polymer- Verbundsysteme. An dieser Stelle setzt der Cold Sintering Process (CSP) an ein innovatives Niedertemperatur-Sinterverfahren, das die Verdichtung keramischer Materialien bei bisher unerreicht niedrigen Temperaturen unter 350 C ermöglicht. Dies gelingt durch den Zusatz einer chemisch aktiven Flüssigphase sowie durch Druckanwendung während des Sinterprozesses. Seit seiner Einführung im Jahr 2016 wurde CSP erfolgreich auf eine wachsende Zahl keramischer Materialien und Verbundwerkstoffe angewendet. Dennoch zeigen Studien, dass kalt gesinterte Keramiken mitunter mechanische und elektrische Eigenschaften aufweisen, die den konventionell hochtemperaturgesinterten Materialien unterlegen sind. Diese Schwächen werden häufig mit ultrafeinen Kornstrukturen bedingt durch den Einsatz von Nanopulvern und mit suboptimalen Korngrenzeneigenschaften in Verbindung gebracht. Auch das Verhalten und die Eigenschaften heterogener Grenzflächen (z. B. Metall/Keramik und Polymer/Keramik), die durch CSP entstehen, sind bisher nur unzureichend verstanden. Ziel unseres Projekts ist es, das grundlegende Verständnis der Mikrostrukturbildung,derKorngrenzencharakteristika sowieder Grenzflächenphänomene in kalt gesinterten Materialien entscheidend zu erweitern. Durch die Kombination von Expertise in der keramischen Werkstoffverarbeitung und mechanischen Charakterisierung sowie durch enge Zusammenarbeit mit internationalen Partnern kommen modernste Analyseverfahren zum Einsatz darunter Elektronenmikroskopie mit atomarer Auflösung, zerstörungsfreie optische Kohärenztomografie sowie fortschrittliche elektrische und strukturelle Charakterisierungsmethoden.DieErgebnisse dieser interdisziplinären und multiskaligen Forschungsarbeit werden nicht nur das Verständnis von CSP vertiefen, sondern auch dessen Potenzial als nachhaltige Alternative für Hochleistungsanwendungen aufzeigen. Damit wird der Weg geebnet für die Entwicklung energieeffizienter, skalierbarer Herstellungsverfahren mit dem Ziel, keramische Elektronikkomponenten der nächsten Generation und darüber hinaus zu realisieren.