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Kontaktphänomene bei Hochgeschwindigkeitskollisionen von Nanopartikeln mit Oberflächen

Dipl.-Ing. Stephan Rennecke

(gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft unter WE 2331/12-1)

Die Untersuchung der auftretenden Kontaktphänomene bei Partikel/Wand-Kollisionen ist unabdingbar für das Verständnis einer Vielzahl von industriellen Prozessen, z.B. Coating, Förderung, Mahlen oder der Filtration. Während im Bereich von Mikrometerpartikeln eine Vielzahl von Kontaktmodellen existiert, sind bisher keine dieser Modelle für submikrone Partikel validiert. Nanopartikel zeigen eine Vielzahl neuer Eigenschaften, welche bisher nicht vollständig verstanden und daher noch nicht vorhersagbar sind. Verglichen zu makroskopischen Körpern zeigen Nanopartikel eine höhere Steifigkeit und Fließgrenze, wobei letztere sich der theoretischen Obergrenze defektfreier Einkristalle annähert. Auch haben Oberflächenkräfte einen deutlich stärkeren Einfluss auf den Kontakt. Zusätzlich stellt sich die Frage, ob kontinuumsmechanische Kontaktmodelle für Körper, welche sich in ihrer Größe atomaren Clustern annähern, überhaupt anwendbar sind.

In diesem Projekt werden die Interaktionen von Nanopartikeln mit Oberflächen bei Hochgeschwindigkeitskollisionen in einem modifizierten einstufigen Niederdruckimpaktor untersucht. Sphärische Einzelpartikel oder Partikelagglomerate werden im Grobvakuum in einem Gasjet  in Richtung eines Targets beschleunigt und kollidieren mit diesem. Durch eine Kombination von CFD und Lagrangian-Particle-Tracking werden die Parameter der Kollision, d.h. Auftreffgeschwindigkeit, -winkel und –ort, exakt aus den Prozessparametern und Partikeleigenschaften berechnet. Der Versuchsaufbau erlaubt die Bestimmung der Absprunggeschwindigkeit der Partikel nach der Kollision, der übertragenen Kontaktladung und der Partikeldeformation für sphärische Einzelpartikel. Für Partikelagglomerate können die mechanischen Eigenschaften durch die Ermittlung der Bruchfunktion, des sog. Fragmentierungsgrades, untersucht werden.

Der mit den beschriebenen Techniken gewonnene Datensatz wird die Grundlage für die Entwicklung und Validierung von analytischen Kontaktmodellen und Molecular Dynamics (MD)-Algorithmen bilden, welche in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. T. Pöschel an der FAU Erlangen (im Rahmen des DFG-Schwerpunkprogramms „Partikel in Kontakt“) erarbeitet werden. Die Modelle sollen die Grundlage für eine optimierte Prozess- und Produktgestaltung in der Verarbeitung nanoskaliger Pulver bilden.

 

Nanopartikel-Agglomerat vor der Impaktion (oben rechts) und nach dem Wiederabspringen (unten links)
CFD Modell der Gasströmung (oben) und Partikeltrajektorien (unten)
Doublet aus Silber Partikeln

Platin-Agglomerate: (links) Originalstruktur und (rechts) Struktur modifiziert durch Kurzzeit-Sintern

 

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