Entwicklung von Funktionsschichten auf Glas und Glaskeramik

Mit den Verfahren des Thermisches Spritzens können auch auf Glaswerkstoffen Funktionsschichten für unterschiedliche Anwendungen appliziert werden. Einige Beispiele werden hier vorgestellt.

In einem vom BMBF geförderten Verbundprojekt wurde zusammen mit der Firma SCHOTT AG Mainz ein verbessertes Konzept zur Ozonerzeugung entwickelt. Industrielle Ozonisatoren erzeugen Ozon, basierend auf einem Patent von Werner Siemens, durch Barriereentladung im Luftspalt zwischen zwei Elektroden. Davon ist eine mit einem Dielektrikum ausgestattet. Von der Entladungsdichte hängt die Effizienz der Ozonerzeugung ab. Um diese zu verbessern, wurden neuartige Dielektrika entwickelt, welche über das thermische Spritzen zusammen mit der Elektrode auf einem Borosilikat- Glasträger appliziert werden (Bild 1). Gegenüber dem herkömmlichen Konzept konnte die Effizienz in der Ozonerzeugung in Abhängigkeit des applizierten dielektrischen Werkstoffes um bis zu 34 % gesteigert werden (Bild 2).

Bild 1: Aufbau der modifizierten Ozonisatorröhre mit thermisch gespritzter Elektrode und dielektrischer Schicht.

Bild 2: Experimentelle Ergebnisse aus einem Labor - Ozonisator. Effizienz der Ozonerzeugung in Abhängigkeit der Energiedichte für zwei dielektrische Keramiken sowie zum Vergleich das herkömmliche System aus reinem Borosilikatglas.

Weitere Anwendungen sind Solarabsorberschichten für die Solarthermie. Hierbei können sowohl das Absorbermaterial als auch der Lichtreflektor über das thermische Spritzen appliziert werden. Es stellt eine technologische Alternative zu etablierten Dünnschichtverfahren dar (Bild 3).

Bild 3: Konzept beschichteter Glasröhren zur Wärmegewinnung in solarthermischen Anlagen. Der innenliegende Absorber ist ebenfalls beschichtet.

Das letzte Beispiel behandelt die Entwicklung direkt beheizter Kochfelder. Hierbei soll die Strahlungsheizung unter dem CERAN Kochfeldes durch eine effizienter arbeitende Direktbeheizung ersetzt werden. Einen Prototyp hat das IFKB zusammen mit der SCHOTT AG Mainz entwickelt (Bild 4).

Bild 4. Konzept des direkt beheizten Kochfeldes.

Auf die Glaskeramik wird zunächst eine Isolatorschicht und darauf der Schichtheizleiter appliziert (Bild 5). Die Isolation ist notwendig, da die Glaskeramik bei höheren Temperaturen elektrische leitend wird und einen Kurzschluss verursachen würde. Außerdem ist die keramische Zwischenschicht auch notwendig um eine ausreichend gute Anbindung des höher dehnenden Heizleiters zu gewährleisten. Hier kommen schließlich Materialien mit sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zum Einsatz.

Bild 5: Links: Aufbau des Verbundschichtsystems bestehend aus Isolator (Al2O3) und Heizleiter (NiCr). Rechts: Am IFKB hergestellter Prototyp auf einer CERAN© Glaskeramik Platte.

Die vorgestellten Ergebnisse waren Ausgangspunkt für viele weitere Beschichtungen auf gläsernen und glaskeramischen Trägern für unterschiedliche Anwendungen. Interessant sind hierbei auch halbleitende Keramiken aus TiO_x, sowie metallkeramische Composite-Schichten, welche direkt auf der Glaskeramik zur Haftung gebracht werden können (Bild 6).

Bild 6: Beispiele für unterschiedliche leitfähige Schichtsysteme auf glaskeramischen Trägern. Leitfähige Keramiken können dabei auch ohne Haftvermittler direkt appliziert werden.