Nanopartikel: Lasergenerierte Herstellung keramischer Nanopartikel-Aerosole

Nanopartikel zeichnen sich durch ihre geringe Größe und somit große spezifische Oberfläche aus. Eigenschaften wie die chemische Reaktivität oder die Sinteraktivität werden im Wesentlichen durch die Größen- und Oberflächenverteilungen der Partikel bestimmt. Aufgrund dieser Eigenschaften orientiert sich die Herstellung von Nanopartikeln an den Größenverteilungen und der Form der generierten Partikel.

In diesem Buch wird intensiv das LAVA-Verfahren als Herstellungsmethode behandelt. Für diesen Prozess charakteristisch ist die Entstehung der Partikel aus der Gasphase in einem Nukleations- bzw. Trägergas. Der Bildungs- und Wachstumsprozess der Nanopartikel wird durch die Mechanismen Nukleation und Koagulation erklärt. Diese im Detail zu untersuchenden Mechanismen beschreiben im Wesentlichen den Prozess der Partikelbildung aus der Gasphase des verdampften Ausgangsmaterials (Nukleation) über das Partikelwachstum in der flüssigen Phase (Koagulation) bis hin zum festen Primärpartikel bei Raumtemperatur und Normaldruck. Mit der Entstehung fester Partikel ist der Herstellungsprozess jedoch noch nicht abgeschlossen. Die entstandenen Nanopartikel können sich durch van-der-Waals-Kräfte aneinander lagern (Agglomeration). Äußere Kräfte können die Struktur der aus den hergestellten Nanopartikeln sich bildenden Agglomerate immer wieder beeinflussen und verändern. Dieser Umstand spielt vor allem bei der messtechnischen Erfassung eine essenzielle Rolle und muss bei experimentellen Messungen berücksichtigt werden. Eine eindeutige aber messtechnisch nur schwer zugängliche Eigenschaft ist die Größe der Primärpartikel. Deren Verteilungen bezüglich ihrer Größe und ihrer Oberfläche bestimmen im Wesentlichen die physikalischen Eigenschaften und chemischen Aktivitäten des Nanopulvers.

Der im Rahmen dieser Abhandlung ausführlich untersuchte Bildungs- und Wachstumsprozess von Nanopartikeln erfolgt beim LAVA-Verfahren während der Verdampfung von grobkörnigen Ausgangspulvern. Als Laserstrahlquelle dient ein Kohlenstoffdioxid- (CO2-) Laser. Als Materialien werden die technischen Keramiken Titandioxid (TiO2), Zirkoniumdioxid (ZrO2) sowie Aluminiumoxid (Al2O3) untersucht. Die aus den verwendeten Grundstoffen hergestellten Hochleistungskeramiken sind wichtige technische Materialien mit vielfältigen Einsatzfeldern in Maschinenbau, Medizintechnik und Umwelttechnologie.

Da die Größenverteilungen der Primärpartikel die physikalischen Eigenschaften und die chemischen Aktivitäten des synthetisierten Pulvers bestimmen, sollte eine Aufgabe dieser Untersuchungen sein, die Größenverteilungen der Nanopartikel reproduzierbar und unter Varianz verschiedener Prozessparameter gezielt beeinflussen zu können.