BMBF NanoMatFutur Nachwuchsgruppe: Multikomponentige, äquiatomare Oxide als Hochleistungsmaterialien für zukünftige Wärmedämmschichten (MEO-TBCs)

In der BMBF NanoMatFutur Nachwuchsgruppe MEO-TBCs werden in drei aufeinanderfolgenden und gekoppelten Promotionsprojekten neuartige Materialien aus der Klasse der Hochentropie-Oxide hinsichtlich deren Verwendung für zukünftige Wärmedämmschichten untersucht. Ziel des Projektes ist die Entwicklung neuer, hochtemperaturstabiler Materialien für zukünftige Wärmedämmschichten. Derartige Wärmedämmschichten schützen beispielsweise die metallischen Werkstoffe in den heißesten Zonen von Flugturbinen.

Aktuell bestehen die Wärmedämmschichten aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ). Das Material vereint viele vorteilhafte Eigenschaften, die für die Verwendung als Wärmedämmschicht unerlässlich sind, wie z.B. eine niedrige Temperaturleitfähigkeit, hohe Zähigkeit und hohe thermozyklische Stabilität. Im Langzeiteinsatz ist YSZ allerdings nur bis 1200 °C stabil. Mit neuen, auch bei höheren Temperaturen stabilen Materialien könnte die Betriebstemperatur der Turbinen erhöht und damit deren Effizienz gesteigert werden. Dies bedeutet einen geringeren Treibstoffverbrauch sowie geringere CO₂-Emissionen, und damit einen maßgeblichen Beitrag im Hinblick auf Ressourcenschonung und Klimaschutz.

Eine in diesem Zusammenhang vielversprechende, neue Materialklasse sind multikomponentige, äquiatomare Oxide (MEOs). Diese sind durch den Aufbau aus mindestens 4-5 verschiedenen Kationen in äquiatomarer Konzentration gekennzeichnet und liegen einphasig in einfachen Kristallstrukturen vor. Dadurch erhält das Kristallgitter eine außergewöhnlich hohe Konfigurationsentropie, welche die Struktur insbesondere bei hohen Temperaturen stabilisiert. Darüber hinaus lassen erste Untersuchungen vielversprechende Eigenschaften dieser Materialklasse hinsichtlich deren Verwendung als Wärmedämmschichten vermuten, beispielsweise niedrige Temperaturleitfähigkeiten sowie ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten wie YSZ.

Um das Potential der MEOs hinsichtlich der genannten Anwendung genauer zu untersuchen, werden zunächst Keramiken mit systematisch variierter Zusammensetzung synthetisiert und thermophysikalisch sowie thermochemisch charakterisiert. Gleichzeitig soll dabei eine reproduzierbare Syntheseroute für phasenreine MEOs etabliert werden. Die vielversprechendsten Kandidaten werden anschließend in den darauffolgenden Doktorandenprojekten weiteren relevanten Untersuchungen hinsichtlich der mechanischen Stabilität, Korrosionsbeständigkeit und Thermozyklenstabilität unterzogen. Ziel ist die industrielle Umsetzung der Ergebnisse durch die Fertigung von Wärmedämmschichten mit aktuellen Standardverfahren.