Teilprojekt C02 – Sonderforschungsbereich 1368: Sauerstofffreie Produktion

Ausgangslage

Schematische Darstellung einer zirkulierenden Wirbelschicht mit mehreren Plasmazonen.

Metallische Pulver kommen in zahlreichen Fertigungsverfahren (z. B. Fügeprozesse, Additive Fertigung, Beschichtung) als Zusatz- und Ausgangswerkstoffe zum Einsatz, deren im vorliegenden SFB geplante sauerstofffreie Verarbeitung eine vorherige Desoxidation erfordert. In diesem Projekt sollen gasgetragene Partikel durch plasma-induzierte chemische Prozesse in reduzierenden Gasen (Wasserstoff und Silan in Inertgas) von ihren Oxidschichten befreit werden. Um einen gut skalierbaren Prozess zu realisieren, soll die Desoxidation in einer Wirbelschicht durchgeführt werden. Im Gegensatz zu Flugstromreaktoren ermöglicht die Wirbelschicht höhere Konzentrationen und Verweilzeiten, bei gleichzeitig kontrollierten Bedingungen. Dabei wird die Desoxidation in einer zirkulierenden Wirbelschicht durchgeführt, um die zu desoxidierenden Partikel immer wieder an und oder durch die reaktiven Plasmazonen durchzuführen. Nach erfolgreicher Desoxidation werden die Partikel aus der Wirbelschicht über einen Zyklonabscheider ausgetragen und für den Versand vorbereitet oder direkt in einen entsprechenden Weiterverarbeitungsschritt eingeführt.

Ziele

Die zentralen Ziele des Projekts sind das Verständnis der Wechselwirkung von plasma-aktivierten reduzierenden Gasspezies mit den Oberflächen von gasgetragenen Partikeln bei deren Desoxidation sowie die technische Umsetzung der Pulver-Desoxidation im Labormaßstab. Dabei wird die Forschungshypothese verfolgt, dass bei der Desoxidation von gasgetragenen Partikeln in der Wirbelschicht Transportlimitierungen der reaktiven Gasspezies, wie sie in Schüttungen und an ausgedehnten Oberflächen auftreten, vermieden werden können. Durch die uneingeschränkt zugänglichen Partikeloberflächen in der Wirbelschicht soll eine homogenere Reduktion erreicht werden. Zusätzlich sollen im Vergleich zu Pulverschüttungen die Reaktionszeiten für eine komplette Desoxidation erheblich reduziert und somit der Durchsatz erhöht werden. Die Desoxidation findet in diesem Teilprojekt ausschließlich an der Partikeloberfläche und nicht im Partikelvolumen statt.

Veröffentlichungen

Zeitschriftenbeiträge, begutachtet

Olszok, V., Bierwirth, M., Weber, A. P. (2023): Creation of Gases with Interplanetary Oxygen Concentration at Atmospheric Pressure by Nanoparticle Aerosol Scavengers: Implications for Metal Processing from nm to mm Range, ACS Applied Nano Materials 6, pp. 1660–1666
DOI: 10.1021/acsanm.2c04585
Szafarska, M., Olszok, V., Holländer, U., Gustus, R., Weber, A. P., Maus-Friedrichs, W. (2023): Gas Phase Reaction of Silane with Water at Different Temperatures and Supported by Plasma, ACS Omega 8, pp. 8388–8396
DOI: 10.1021/acsomega.2c07209
Bierwirth, M., Olszok, V., Wollmann, A., Weber, A. P. (2022): A new coupling setup of DMA, CPC and sp-ICP-MS with increased versatility, Journal of Aerosol Science 163, p. 105983
DOI: 10.1016/j.jaerosci.2022.105983
Plack, A., Bierwirth, M., Weber, A. P., Gunkelmann, N. (2022): Experimental and atomistic study of high speed collisions of gold nanoparticles with a gold substrate: Validation of interatomic potentials, Journal of Aerosol Science 159, p. 105846
DOI: 10.1016/j.jaerosci.2021.105846
Bierwirth, M., Gensch, M., Weber, A. P. (2021): Influence of the Impaction Angle on the Triboelectric Charging of Aerosol Nanoparticles, Chemie Ingenieur Technik
DOI: 10.1002/cite.202000196

Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

Aslan, N., Bierwirth, M., Wollmann, A., Olszok, V., Weber, A. P. (2023): Desoxidation von gasgetragenen Pulvern, In: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (Hg.): Tagungsband 4 . Symposium Materialtechnik. Düren: Shaker Verlag.
DOI: 10.21268/20230711-5
ISBN: 978-3-8440-9105-2
Szafarska, M., Gustus, R., Maus-Friedrichs, W., Olszok, V., Weber, A. P. (2023): Untersuchung der Reaktivität von gasförmigem Silan und Wasser bei verschiedenen Temperaturen, In: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (Hg.): Tagungsband 4 . Symposium Materialtechnik. Düren: Shaker Verlag.
ISBN: 978-3-8440-9105-2