Erzeugung 3D-strukturierter Kanalsysteme in keramischen Bauteilen auf Basis textiler Strukturen: CHANNELTEX (seit 2014)

Ziel des Vorhabens ist die kostengünstige, reproduzierbare Herstellung von definierten textilen 2D- und 3D-Strukturen und die Entwicklung eines Verfahrens zur Abbildung von Kanalsystemen und Hohlräumen mit hoher Dimensionsgenauigkeit in keramischen Elementen sowie deren optionale Funktionalisierung. Die Kombination von Textil- und Keramiktechnologie ist innovativ und bildet die Grundlage für ein großserientaugliches Fertigungsverfahren für kostengünstige, reproduzierbare und dimensionsgenaue 3D-strukturierte keramische Kanalsysteme. Diese können dann  in verschiedensten Anwendungsgebiete wie z. B. kühl- oder heizbare Trägerkörper, elektrisch neutrale Einhausungen für Chips, mikrostrukturierte keramische Katalysatoren, Filter sowie Bauteile für die Mikroreaktortechnik zum Einsatz kommen.

Materialsynthese: Herstellung von keramischen Kanalsystemen

Durch das Einbringen von textilen Gewirken in keramische Matrizes und mittels Sticktechnologie auf keramische Grünfolien oder wasserlösliche Vliese werden hohle Kanalstrukturen erzeugt. Die dabei eingesetzten synthetischen Garne dienen als Platzhalter. Über die Textilstrukturen kann die Komplexität der Kanäle beliebig gestaltet werden. Durch den anschließenden keramischen Brennprozess fallen zusätzliche Fertigungsschritte weg, Fügeprozesse werden eingespart. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Art Kanalstrukturen einfach herzustellen sind. Die fluidischen Anschlüsse an das System vor dem Brennprozess sind jedoch schwierig zu realisieren.

Die einfache nachträgliche Funktionalisierung der Hohlräume durch Reaktionen mit Gasen oder Flüssigkeiten erlaubt eine Anpassung der Oberflächeneigenschaften der Hohlräume an die gewünschte Anwendung und zusätzlich ein weiteres Einbringen funktionaler Elemente.

Materialcharakterisierung: Charakterisierung der 3D-Kanalstrukturen

Schema eines Messstands.Die strukturelle Charakterisierung der erzeugten Kanalstrukturen erfolgte mittels Rasterelektronenmikroskopie und Computertomographie. Die Oberflächenladung wurde mittels Strömungspotentialmessungen charakterisiert.

Funktionsprüfung

Die Funktionsprüfungen stehen noch aus. In Abhängigkeit der Funktionalisierung der Kanaloberflächen können unterschiedliche Funktionen der Strukturen getestet werden. Werden die Kanalstrukturen leer belassen, können sie als kostengünstig herzustellende integrierte mikrofluidische Strukturen für "Lab-on-a-Chip"-Anwendungen verwendet werden. Damit lassen sich mittels biologischer Moleküle Biosensoren oder durch andere chemisensitive Materialien Sensoren in solche "Lab-on-a-Chip"-Systeme integrieren. Werden die Hohlräume nachträglich mit porösem Material gefüllt, lassen sich Mikroreaktorplattformen (bei Füllung mit Katalysatoren), Mikrogaschromatographen (bei Füllung mit einer stationären Phase), oder Mikrokonzentratoren für Gassensorikanwendungen (bei Füllung mit einem Absorbens) realisieren. Das Einbringen von Metall in die Hohlräume durch stromloses Abscheiden ("electroless plating") erlaubt die Herstellung von vergrabenen Heizelementen, z. B. von Mikroheizplatten zum Heizen von Metalloxid-Gassensoren (Taguchi-Sensoren).

Struktur-Funktions-Beziehung

Die Ermittlung von Struktur-Funktions-Beziehungen stehen noch aus.

Aktuelle Fragestellungen

Die aktuellen Fragestellungen sind die Funktionalisierung der erzeugten Kanalstrukturen mittels Silanisierungen, stromloser Metallabscheidung und Füllung der Kanäle mit Adsorbentien mit daran nachfolgender Funktionsprüfung. Im Anschluss sollen dann Struktur-Funktionsbeziehungen aufgeklärt werden.


Kooperationen

Die Arbeiten werden in Kooperation mit dem Sächsischen Textilforschungsinstitut e. V. STFI Chemnitz und dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS durchgeführt.

Finanzierung

Die Finanzierung des Projekts erfolgt von 2014-2017 über die AIF im Rahmen des Vorhabens „ChannelTex - Erzeugung 3D-strukturierter Kanalsysteme in keramischen Multilayer-Bauteilen auf Basis textiler Strukturen“ (AIF 18513).

Ausgewählte Publikationen

  1. C. Hecker, P. Arki, Y. Joseph, Elektrokinetische Sensoren für die Überwachung von Filtrationsprozessen und mikrofluidischen Anwendungen, 12. Dresdner Sensor-Symposium 07.-09.2015.