Entwicklung neuer oxidischer Wärme - Forschungszentrum Jülich

42 5.2 Auswahl geeigneter Werkstoffklassen5.2 Auswahl geeigneter Werkstoffklassen5.2.1 ÜberblickNeben der Entwicklung neuer Wärmedämmschichtmaterialien wurde auch intensiv versucht, dasStandardmaterial YSZ im Hinblick auf die Hochtemperaturbeständigkeit zu verbessern. Ein Ansatz istdabei die Reduzierung des Sinterns im YSZ durch Verwendung von YSZ-Qualitäten mit geringenVerunreinigungsgehalten ([ 108], [79], s. Kap. 4.3.4). Jedoch stößt dieses Vorgehen auf natürlicheGrenzen. Auch Versuche in YSZ oder CeO 2 Oxide mit geringer Löslichkeit zu zusetzen, war mit denverwendeten Zusätzen wenig erfolgreich [109]. Der Zusatz von Al 2 O 3 ergab in gesinterten Probenkeinen nennenswerten Effekt auf die Dichte, es trat jedoch eine Kornverfeinerung ein. 10 Gew.-% TiO 2in YSZ ergab sogar eine Erhöhung der Sinterraten in plasmagespritzten Schichten. Mit Al 2 O 3 dotierteCeO 2 -Schichten sinterten deutlich schneller als YSZ-Schichten. Entscheidend für dieses Konzept istdie richtige Auswahl der Zusätze. Neuere eigene Arbeiten zeigen dabei vielversprechendeErgebnisse, die jedoch nicht im Rahmen dieser Arbeit präsentiert werden [110].Die geringe Phasenstabilität von plasmagespritzten YSZ-Schichten oberhalb 1200 °C wird durch dieVerwendung neuer Dotierungen zu verbessern versucht. Besonders interessant erscheint dabei dieDotierung mit Sc 2 O 3 , durch die eine deutliche Verbesserung der Phasenstabilität und auch desKorrosionsverhaltens gegenüber Vanadiumverbindungen erreicht wird ([ 111], [112]). Auch diverseandere Seltenerdoxide wurden getestet, es konnte aber wie bereits in Kap. 4.3.1 erwähnt, in Ofentestskeine Verbesserung gegenüber YSZ gefunden werden [9]. Vielfach untersucht wurde auch das CeO 2 -ZrO 2 System ([113], [114], [115]). Nachteile dieser Systeme liegen in der Instabilität des CeO 2 unterreduzierenden Bedingungen bei Temperaturen oberhalb 1100°C und den hohen Sinterraten.Ein attraktiv erscheinendes System ist YSZ dotiert mit Oxiden mit fünfwertigen Kationen, speziellTa 2 O 5 und Nb 2 O 5 [116]. Ausgewählte Zusammensetzungen zeigen eine ausgezeichneteTemperaturstabilität bei 1400 °C [117]. Eine ursprünglich erwartete Reduzierung der thermischenLeitfähigkeiten gegenüber der von YSZ konnte jedoch nicht erreicht werden [118]. Die erstenZyklierergebnisse von plasma-gespritzten Schichten sind vielversprechend, jedoch erscheinen hoheSinterraten eher kritisch.Eine deutliche Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit wurde in PVD-YSZ-WDS durch den Zusatzvon Seltenerdoxiden erreicht [119]. Zusätze von 4 Mol % Nd 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Er 2 O 3 oder Gd 2 O 3 ergabenRaumtemperatur-Wärmeleitfähigkeiten zwischen etwa 0.85 und 1.05 W/m/K gegenüber dem Wert derReferenzschicht von etwa 1.65 W/m/K. Zhu und Coautoren berichten über die Bildung sogenannterNanocluster bei der Dotierung von YSZ mit Seltenerdoxiden, die dann zu deutlich reduziertenthermischen Leitfähigkeiten führen [120]. Die thermische Stabilität dieser Materialien erscheint besserals die von YSZ. Jedoch müssen weitere Untersuchungen, z.B. zum Zyklierverhalten, das Potentialdieser Werkstoffe unter Beweis stellen.Verlässt man die Zirkonoxid basierten Materialien, ergibt sich ein breites Spektrum von Kandidaten,das im folgenden aber durch die in Tabelle 6 gegebenen Kriterien eingeschränkt werden kann.Bei der Materialauswahl wurden metallische sowie nicht-oxidische keramische Materialien ausGründen des bei den hohen Temperaturen und bei dem vorliegenden Sauerstoffpotential zuerwartenden Oxidationsangriffs in einem frühen Stadium als untauglich eingestuft (Kriterium 1, Tabelle