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InnoEMat - Innovative Elektrochemie mit neuen Materialien

Elektrochemische Prozesse sind essentiell für die Herstellung von neuen Materialien und damit in fast allen Industriezweigen präsent.

Werkstofftechnologien.de

Informationen zu Bekanntmachungen, Veranstaltungen, Projekten sowie Kompetenzkarten zu Akteuren aus dem Bereich der Materialforschung

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Elektrochemische Prozesse

Sie gelten als entscheidende Schlüsseltechnologie, um den Herausforderungen des Klimawandels und der Energiewende zu begegnen.

3. InnoEMat-Statusseminar

Am 18. und 19. September 2019 fand das dritte InnoEMat-Statusseminar in Dresden statt.

Teilnehmer des 1. InnoEMat-Statusseminars in Leipzig

Positives Fazit nach erfolgreichem erstem Statusseminar am 23./24.11.2017 in Leipzig

Im Rahmen des Vorhabens ReKoPP soll eine neue umweltfreundliche Beschichtung für den Korrosionsschutz erforscht und erprobt werden. Diese Beschichtung soll insbesondere für hochfeste Stahlbauteile, die für einen Massenprozess, z.B. im Automobilbereich benötigt werden, geeignet sein. Die Beschichtung muss neben einem deutlich verbesserten Korrosionsschutz und weiteren Materialeigenschaften vor allem mit den in absehbarer Zeit in Kraft tretenden Bestimmungen aus REACH, also der Europäischen Chemikalienverordnung zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe, kompatibel sein. Bisher werden Beschichtungen aus Zink mit einem Anteil von Nickel dafür verwendet. In absehbarer Zeit wird durch die Vorschriften von REACH der Einsatz von Nickel genehmigungspflichtig werden.

Im Rahmen des Verbundprojektes soll mit Hilfe einer Computersimulation (sogenannte Multiskalen-Simulation) ein elektrochemisches Trennverfahren für die Biotechnologie etabliert werden. Bei diesem Verfahren können durch das Anlegen einer elektrischen Spannung die Materialeigenschaften der verwendeten Elektroden und damit das Trennverhalten der Anlage kontrolliert werden. Daneben bestimmt das verwendete Elektrodenmaterial auch die bauliche Realisierung in der Praxis und somit auch die damit zusammenhängenden nano-, mikro- und makroskopischen Effekte. Das Zusammenwirken auf diesen drei Skalen soll erstmals durch eine Computersimulation umgesetzt und zur Bestimmung des bestmöglichen Trennverfahrens genutzt werden.

In immer größeren Mengen gelangen Arzneimitteln, Haushaltschemikalien, Pestizide oder deren Rückstände in das Grund- und Oberflächenwasser, aus dem auch unser Trinkwasser gewonnen wird. Dies ist aufgrund der z.T. noch unbekannten Wirkungen dieser sog. „anthropogenen“ Spurenstoffe in der Umwelt problematisch. So finden sich vor allem in urbanen Ballungsräumen und in Gebieten mit intensiver Landwirtschaft immer zahlreicher verschiedene Rückstände als Spurenstoffe im Trinkwasser, einem unserer wichtigsten Lebensmittel. Obwohl diese Stoffe nur in sehr kleinen Konzentrationen vorliegen entfalten sie dennoch ungewollte biologische Wirkungen. So schädigen sie die Gewässerökologie, tragen z.B. im Falle von Antibiotika zum Entstehen multiresistenter Keime bei oder sie sind wie bei den Rückständen von Östrogenen für die Zunahme von Fertilitätsstörungen verantwortlich und belasten hierdurch unser Gesundheitssystem in immer stärkerem Maße.

Die Fertigung von Bauteilen mit komplexen innenliegenden Formkonturen für z.B. den Automobilbau, die Luftfahrt- oder Medizintechnik stellt eine erhebliche technische Herausforderung dar. Derartige Bauteile werden derzeit in zeitlich und mitunter räumlich voneinander getrennten Fertigungsstufen hergestellt. Durch die einzelnen Fertigungsschritte erhöhen sich Form- und Lagefehler, die zu einem zusätzlichen Aufwand in der Qualitätssicherung führen.

Bauteile aus Stahl werden durch galvanisch abgeschiedene Zink- oder Zink-Legierungsschichten und eine abschließende Schutzschicht wirkungsvoll vor Korrosion geschützt. Stahlrohre werden großtechnisch üblicherweise in Durchlaufanlagen mit hoher Abscheidungsgeschwindigkeit galvanisch verzinkt und anschließend mit einer dünnen Schutzschicht versehen. Die Stahlrohre werden nach der Beschichtung für viele Anwendungszwecke im Motorbau und in der Hydrauliktechnik, wie beispielsweise Komponenten für Getriebe, Steuerleitungssysteme, Verteilersysteme (siehe Abbildung) stark gebogen und auch an den Verbindungsstellen durch verschiedene Verfahren kalt umgeformt. Bei den hohen Umformgraden können die Schutzschichten teilweise aufreißen und sogar die Zinkschichten können selbst beschädigt werden. Die Korrosion tritt daher verstärkt in den stark umgeformten Bereichen der Bauteile auf und vermindert deren Lebensdauer deutlich.

Die Miniaturisierung elektronischer ebenso wie elektromechanischer integrierter Bauteile (MEMS) schreitet stetig voran. Dabei wird die für ein Bauteil benötigte Fläche nicht nur dadurch kleiner, dass die Bauelemente als solche in ihrer Größe abnehmen, sondern auch dadurch, dass sie übereinander gestapelt werden. Man spricht daher auch von der 3D-Integration. Die verschiedenen Ebenen eines solchen Systems müssen natürlich untereinander kontaktiert werden, was oft durch das Verlöten kleiner Drähte geschieht. Besser wäre jedoch eine robustere Kontaktierung, die direkt in den Herstellungsprozess implementiert werden kann. Es wäre dann möglich, die einzelnen Ebenen durch metallisierte Löcher im Chipmaterial miteinander zu verbinden.

Bei der Herstellung ihrer Produkte setzt die Chemische Industrie meist auf klassische Synthesewege. Elektrochemische Prozesse, also die direkte Umwandlung der Ausgangsstoffe in die Produkte durch die Einwirkung von elektrischem Strom, sind noch immer die Ausnahme, obwohl sie entscheidende Vorteile haben: Der Einsatz spezieller Chemikalien (Oxidations- oder Reduktionsmittel), deren Folgeprodukte nach der chemischen Reaktion wieder abgetrennt werden müssen, ist nicht mehr nötig. Elektrochemische Prozesse können über weniger Zwischenprodukte zum gewünschten Produkt führen und somit im Hinblick auf Ressourcenverbrauch umweltfreundlicher, energiesparender und kostengünstiger sein. Der elektrische Strom und die Spannung sind Größen, mit denen die elektrochemische Reaktion in einfacher Weise gesteuert werden kann. Etablierte großtechnische Anwendungsbeispiele für bedeutende elektrochemische Prozesse sind die Herstellung von Chlor und Natronlauge, von Aluminium sowie die Galvanotechnik zur Veredlung von Oberflächen. ...

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