Titanoxide – elektrische Alleskönner

Forschung aktuell

© Fraunhofer IKTS
Illustration der zahlreichen spezifisch elektrischen Widerstände von Titanoxiden bei Raumtemperatur.
© Fraunhofer IKTS
Verbund aus TiO2 (außen) und Ti4O7 (innen).

Am Fraunhofer IKTS werden Titanoxide für kundenspezifische Anwenderanforderungen angepasst, daraus Komponenten hergestellt und diese umfassend getestet. Titanoxide zeichnen sich durch eine außergewöhnliche Variabilität bei der Verbin­dung mit Sauerstoff aus. Neben dem in vielen Produkten wie Wandfarben, Kosmetika, Papier oder Katalysatorträgern ge­nutztem Titandioxid (TiO2), gibt es zahlreiche weitere Oxide des Titans. Deren variable Zusammensetzung reicht von Ti2O bis zum TiO2. Hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften senken bereits ein kaum messbares Sauerstoffdefizit des TiO2 oder minimale Dotierungen den Widerstand von 1012 Ωcm auf Werte von 105–103 Ωcm. Der Wechsel zu strukturell anderen

Titanoxiden wie Ti4O7 führt zu elektrischen Widerständen von 10-2–10-3 Ωcm. In Bild 1 wird der Rahmen von 15 Größenord­nungen beim elektrischen Widerstand für die verschiedenen Titanoxide illustriert. Außerdem lassen sich mit Titanoxiden ebenso nichtlineare Verläufe beim Spannungs-Strom-Verlauf über Dotierungen einstellen. Die elektrische Permittivität ist frequenzabhängig und mit Werten von 60–800 herausragend hoch. Bereits bei Temperaturen über 500 °C kommt es zu einer signifikanten Sauerstoffionenleitung. Nicht zuletzt sind photo­katalytische Effekte insbesondere mit der TiO2-Modifikation Anatas technisch nutzbar.

Elektrotechnische Anwendungen

Dieses außergewöhnlich vielfältige Variantenspektrum bietet die Chance für zahlreiche technische Anwendungen: Zu nennen sind spezielle Elektrodenwerkstoffe, thermoelektrisch aktive Werkstoffe, Varistorenwerkstoffe, katalytisch aktive Substanzen, elektrische Leiter, Halbleiter, Isolatoren oder Sauerstoffsensoren. Für die verschiedenen Anwendungen gibt es neben der elekt­risch-funktionalen Eigenschaft sehr unterschiedliche Anforde­rungen hinsichtlich Verdichtung, Festigkeit oder Oxidationsbe­ständigkeit. Durch gezielte Variation der Verfahrensparameter kann die Keramik als dichter, hochfester oder als poröser und gasdurchlässiger Werkstoff hergestellt werden. Die höchste Oxidationsstabilität erreicht TiO2, dass bis ca. 1500 °C in Luft eingesetzt werden kann. Suboxide sind bis 400 °C oxidations­stabil. Zudem sind Titanoxide gegenüber nahezu allen anderen chemischen Verbindungen sehr beständig. Die elektrischen Ei­genschaften können auf alle Anforderungen adaptiert werden. Beispielsweise lassen sich Verbunde aus Titandioxid und Sub­oxiden herstellen, die isolierende und leitende Bereiche in einem monolithischen Bauteil verbinden (Bild 2).

Leistungs- und Kooperationsangebot

  • Anpassung von Titanoxiden auf spezielle Anwenderanforde­rungen
  • Herstellung von kundenspezifischen Titanoxidkomponenten
  • Durchführung von werkstofflichen und anwendungsbezogenen Untersuchungen und Testung