Mikro-Kanalporen in Keramik für innovative Filteranwendungen

Mikro-Kanalporen lassen sich durch verschiedene Fertigungsverfahren herstellen, z. B. durch mechanische Bearbeitung (Laserbohren), Gefrierformgebung (Freeze Casting) oder Abformverfahren. Bei der Abformung durch Ausbrennen von Stoffen, auch bekannt als »Verlorene-Form-Verfahren« oder »Opferform-Verfahren«, wird ein Modell aus einem ausbrennbaren Material hergestellt. Nach der Formgebung wird das Modell verbrannt und eine Hohlform entsteht. Durch die Auswahl der Ausbrennstoffe können Materialien mit gezielt eingebrachten Hohlräumen oder definierten Poren erzeugt werden. Diese finden als innovative Werkstoffe in der Medizintechnik, der Filtertechnik oder bei der Herstellung von leichten, aber dennoch stabilen Strukturen Anwendung. Sie zeichnen sich durch eine besonders scharfe Trenngrenze sowie geringe Gegendrücke aus. 

Auf diese Weise wurden am Fraunhofer IKTS Materialien mit einheitlicher Porengröße in Form durchgängiger Kanäle erzeugt, indem Endlosfasern als Ausbrennstoffe verwendet wurden. Je nach Anwendungsfall können Poren im Bereich zwischen 4 und 100 µm generiert werden. Zur Herstellung einer besonders feinen Mikro-Kanalstruktur wurden beispielhaft die dünnsten am Markt verfügbaren Carbonfasern vom Typ Toho Tenax UMS45 verwendet. Diese Fasern mit einem Durchmesser von 4,7 µm wurden in Form gebracht und mit einer Al₂O₃-Suspension infiltriert. Die eigens entwickelte Suspension mit Partikeln im Submikrometerbereich ermöglicht die vollständige Ummantelung und Vereinzelung der Fasern. Nach dem Trocknen wurden die Bauteile gesintert und dabei die Fasern an Luft ausgebrannt. Die erhaltenen Gefüge zeichnen sich durch eine gute mechanische Festigkeit aus und enthalten durchgängige Kanäle mit Durchmessern im Größenbereich der verwendeten Fasern (Abb. 1 und 2).

Diese Arbeiten zeigen, dass sich bei Verwendung von Faserbündeln mit einer definierten Anzahl an Fasern und gleichmäßigem Faserdurchmesser eine gezielte Porenkanalstruktur mit einheitlichem Porendurchmesser und definierter Porenfläche herstellen lässt (Abb. 3 und 4).