Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Mit Hilfe moderner Werkstoffe der technischen Hochleistungskeramik, wie „Low Temperature Cofired Ceramics“ (Glas/Keramik Verbundmaterial) und „High Temperature Cofired Ceramics“ (quasi - glasfreie Keramik) können innovative mikroreaktorische Lösungen geschaffen werden.
Mit der Möglichkeit zur Integration von optischen Fenstern in die Keramik können zum einen photochemische Synthesen oder zum anderen eine online-Prozessanalytik realisiert werden. Ausgehend von den Produktanforderungen erfolgt in einer typischen Abfolge von geometrischem Entwurf, Optimierung anhand analytischer bzw. numerischer Modellbildung nebst Simulation und der Fertigung von Versuchsmustern die Entwicklung.
Die Integration von sensorischen Elementen (bspw. Temperatur- und Drucksensoren) und von funktionalen Strukturen zur Temperierung (bspw. elektrische Heizer) erweitert die Funktionalität des mikroreaktorischen Bauteils.
Die im Keramikchip ablaufende Reaktion erfordert die Zuleitung des fluiden oder gasförmigen Edukts bzw. die Ableitung des Produkts. Da der keramische Aufbau Prozesstemperaturen bis 900°C ermöglicht, ist für die Fluidzuführung und für die Kontaktierung der funktionellen Strukturen (Sensoren, Heizelemente) gleichermaßen eine hochtemperaturstabile Aufbau- und Verbindungstechnologie erforderlich.
Zwar können anhand des Layouts der Keramikchips die Fluidikanschlüsse von der Reaktionszone thermisch entkoppelt werden, andererseits sollten auch höhertemperaturstabile Fügeverfahren wie Glas-, Metalllote, Keramikkleber oder Dichtringlösungen (Viton) zum Einsatz kommen. Eine Optimierung des Reaktordesigns kann nach folgenden Kriterien erfolgen:
- Auswahl des Keramikmaterials hinsichtlich der Kompatibilität mit dem Fluid,
- Auslegung des Reaktors auf spezifizierte Innendrücke,
- Reduktion von Druckverlusten im Flowfield,
- monolithische Integration von Mischerstrukturen und Reaktionskanälen und
- Integration von sensorischen Komponenten wie Druck- und Temperatursensoren sowie aktiveTemperierung durch in die Keramik eingebettete Heizerstrukturen.
Technische Kenndaten
- mikrosystemfähiges Chipdesign (planarer Aufbau, laterale Dimensionen maximal 100 x 100 mm, Dicke < 3 mm),
- hochtemperaturstabiles Chipmaterial (300°C/ 600°C und höher),
- interne geometrische Strukturierung (Kanäle zum Aufbau von Mischerstufen < 100x100 µm2, Reaktionsräume, Druckverlust < 0,4 bar),
- interne Kanäle genügen Antihaftbedingungen für Nanopartikel (Ra < 10 µm),
- temperaturstabile, thermisch entkoppelte Medienports / Fluidikanbindung
- integrierte Detektionsfenster (Borosilikatglas)
Leistungsangebot
- Entwicklung von keramischen Reaktoren für die Mikroreaktionstechnik
- Erarbeitung des Fertigungsprozesses
- Musterfertigung
- Technologietransfer