Funktionskeramiken mit erhöhter spezifischer Oberfläche (MEMoRIAL-M2.5)

Offenzellige keramische Schäume können durch verschiedene Prozesse hergestellt werden; Schäume für industrielle Anwendungen werden überwiegend nach dem Replika-Verfahren erzeugt. Dabei wird ein offenporiges Schaumtemplat mit keramischem Schlicker beschichtet, in einem Pyrolyseschritt ausgebrannt und anschließend einem Sinterprozess zur mechanischen Konsolidierung der porösen Keramik unterzogen.
Prozessbedingt bleibt an den Stellen, die vormals das Polymertemplat einnahm, eine Struktur aus hohlen Stegen zurück. Einerseits führt dies als Kombination aus Spannungsüberhöhung an spitzen Kanten und Rissen und der resultierenden "Hohlstruktur" zu deutlich reduzierten mechanischen Festigkeiten; andererseits kann die zusätzliche innere Oberfläche genutzt werden, um Aktivkomponenten zu beherbergen.
Im Rahmen dieses Projekts soll in einem ersten Schritt die große innere Oberfläche der Hohlstege zugänglich gemacht werden, indem die Stege mit Zugangsporen ausgestattet werden. In einem zweiten Schritt soll die dann zugängliche innere Oberfläche der Schaumstege mit Aktivkomponenten beladen werden.
Erste Ergebnisse von Untersuchungen der Mikrostruktur von aus hoch porösen Ausgangsstoffen hergestellten Schäumen zeigen, dass die Stegporosität maßgeblich von solchen Prozessparametern wie Sintertemperatur und -dauer beeinflusst wird. Abbildung 1. zeigt beispielhaft die Mikrostruktur eines aus hoch porösem Aluminiumoxid hergestellten Keramikschaums.

MEMoRIAL-M2.5 | Preparation and characterisation of ceramic foams

Background
Ceramic foams produced by the replica technique have many advantages due to their structure and material properties, but have a comparatively small surface area (compared to, e.g., fixed-bed reactor fillings). Furthermore, the potential of the production-related hollow strut was found to be expandable.

Objective
>> Increase of the actively usable surface of replica ceramic foams while maintaining the mechanical strength

Methods
Replica technique, sacrificial materials, Sol-gel-alumina powder, demixing, freeze casting

Results
Through a combination of replica process and freeze processing, ceramic foams with at least doubled proportion of open strut porosity and a compressive strength around 1 MPa were produced.
The prepared specimens (total porosity ~ 90%), were extensively characterized in terms of strut porosity, width of pore and material lamellae, pore volume, object-surface to object-volume ratio and compressive strength. The most important process parameters for achieving stable and highly porous foams were identified as freezing temperature, solid content and amount of thickening agent.
In addition, it was shown that the foam supports, which contained additional pores, can be coated with a high load of zeolite MFI.

Conclusions
The newly developed process has expanded the application range of replica ceramic foams, as the disadvantage of a comparatively small surface area was eliminated while maintaining sufficient mechanical strength.

Orignality
To the best of our knowledge, this approach has not been performed or studied in detail by anyone else in the way presented here.
The contribution of the work is seen as very profitable in terms of the use of replica ceramics as supports for active materials, for example, in catalysis applications.

Keywords
replica technique, ice templating, freeze casting, alumina foams, hierarchial porosity, zeolites