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Abstracts der Referate
Fabrication & characterisation of transparent ceramics for novel applications, E. Pawlowski, Schott AG
About 20 years ago the first development of transparent ceramic started, finally achieving poly-crystalline ceramic materials for laser and optical applications. It was demonstrated, that ceramic materials could overcome the main technical problem of light scattering. The established nano-powder vacuum sintering process at SCHOTT shows good potential for mass fabrication of multi-composite ceramic materials with different dopant concentrations. In comparison to conventional transparent materials optoceramics offer further benefits, which lead to a multiplicity of new applications like optical, laser, solid state lighting or scintillation. Apart from better mechanical properties and special optical properties, higher rare-earth doping levels than single crystals can be achieved, which lead to a higher conversion efficiency combined with small temperature and concentration quenching effects. In our talk we will discuss the fabrication process, the realized materials and the different applications of optoceramics.
CNC machined optics, B. Reiss, Swissoptic AG
Swissoptic as a leading manufacturer of advanced optical components and systems will report about the surface treatment of glass and ceramic optics with modern CNC machines and other deterministic technologies. One exciting example is the production of monolithic components, i.e. multifunctional components out of one piece of glass.
OC materials for lens design, B. Braunecker, SATW
Based on the preliminary optical data of various prototypes of Schott Optoceramics (large refractive index, large anomalous dispersion, speckle free transmission, etc.), their impact on the design of optical systems for imaging, projection, medicine, space, etc. will be discussed.
The challenge of failure free nanopowder processing,T. Graule, EMPA
Aggregate free synthesis and agglomerate free processing of nanopowders is achieved by advanced powder synthesis as well as colloidal processing techniques. The main issue is to overcome Van der Waals attraction forces by surface treatment and high energy dispersion techniques. Different approaches to solve the problem of aggregation and especially agglomeration are demonstrated.
Magnetic control of non-spherical ceramic particles in fluid suspensions, André R. Studart, Complex Materials, Department of Materials, ETH Zürich
We present a method to deliberately control the orientation of non-spherical nonmagnetic ceramic particles in fluid suspensions using magnetic fields as low as 1 milliTesla. To achieve magnetic response, the non-spherical particles are coated with minor contents of magnetic nanoparticles (<0.01 Vol %). This simple approach might be used for the preparation of polycrystalline ceramics and composite materials with anisotropic optical, electrical, magnetic and mechanical properties.
Super hybrid materials, J. G. Bednorz, IBM
We will present a new method, developed by T. Adschiri (Tohoku University, Sendai, Japan). By using supercritical fluids from metal salts and organic molecules, oxide nanoparticles can be produced with an organic modified surface. These organic-inorganic hybrid nanocrystals, having a high affinity to organic solvents and polymers, can be used to produce flexible ceramic films with a high filling factor. So far flexible superhybrid materials with high refractive index, high thermal/low electrical conductivity or magnetic particles could be manufactured, showing the high potential of the new fabrication method.
In der Reihe "Progress in Physics" berichten Physikerinnen und Physiker über ihre Aktivitäten an schweizerischen Hochschulen und Industrien. Jedes SPG - Vorstandsmitglied kommt zyklisch an die Reihe, einen Artikel zu acquirieren. Mit dieser Vorgangsweise wird zwar für eine gewisse thematische Breite gesorgt, aber eine Sichtung der bisherigen Beiträge zeigt, dass aus der Industrie bislang wenig kam. Das heisst aber nicht, dass die Industrie an Forschungsergebnissen nicht interessiert sei, aber sie müssen eine erste Umsetzbarkeit erkennen lassen. Wie man Innovation und Realisierung näher zusammenbringt, ist Anliegen des SATW-Forums, über dessen jüngste Veranstaltung im November 2011 im folgenden berichtet wird.
Bernhard Braunecker und Rolf Hügli (SATW)
In der 2010 gestarteten Reihe des "SATW Forums" sollen neue Erkenntnisse über ein aktuelles Technologiethema im kleinen Kreis von Experten besprochen werden. Die jeweils behandelte Technologie sollte im Ansatz neuartig, jedoch physikalisch im Labor verifiziert sein, und sie sollte noch einer industriellen Umsetzung harren, aber bereits ein attraktives Marktpotential für Produkte erkennen lassen. Von - zumindest in dieser Phase - minderer Bedeutung ist, wenn der Weg von der Laborverifizierung zum industriellen Produkt bislang noch als zu risikoreich eingeschätzt wird, da sich gerade dies durchaus als Wettbewerbsvorteil für die hiesigen Hochschulen und Industrien erweisen könnte.
Die Diskussion im Forumskreis soll primär zeigen, ob auf Seiten von Hochschule und Industrie nicht nur fachliche Kompetenz, sondern auch ein gemeinsames Interesse an einer Weiterentwicklung der Technologie zur Produktreife gegeben ist, und wie die Chancen einer solchen Realisierung beurteilt werden? Letzten Endes soll ausgelotet werden, ob durch eine gemeinsame Aktion Grundlagen gelegt werden können, um neue, hochwertige Arbeitsplätze in der Schweiz mittel- bis langfristig zu schaffen.
Bei der Auswahl der Themen sollte deshalb darauf geachtet werden, dass die Technologie trotz ihrer Neuartigkeit auf einer gewissen Tradition in der Schweiz wie Miniaturisierung, Höchstpräzision, Umweltverträglichkeit aufbauen kann, um politische Akzeptanz und Verständnis in der Öffentlichkeit zu finden. Zudem erscheint sinnvoll, dass die Themen im evolutionären Sinne eine Weiterführung früherer Aktivitäten wie zum Beispiel eine Umsetzung der Nanotechnik sind. Über sie wurden in der Schweiz in den vorangegangenen Jahren sowohl auf akademischer wie industrieller Seite genügend neue Erkenntnisse prinzipieller Natur gewonnen, um die bereits angesprochenen Risiken bei einer Weiterführung zu minimieren.
Die Forumsreihe fokussiert sich somit auf drei Kernanliegen der SATW, nämlich der Früherkennung von Technologien, der Netzwerkbildung und der Gewinnung optimaler Akzeptanz der Technologie durch die Öffentlichkeit, was im Wesentlichen durch eine frühzeitige Auseinandersetzung mit ethischen Grundsätzen geschieht.
Optokeramiken
Als Thema des zweiten Forums wurde Advanced Optoceramics gewählt. Optokeramiken gehören zur Klasse der oxidisch-mineralischen Werkstoffe, die ein breites Applikationsspektrum von Hochspannungsisolatoren bis zu Medizinalanwendungen abdecken. 1987 erhielten J. G. Bednorz und K. A. Müller vom IBM Forschungszentrum in Rüschlikon den Nobelpreis für ihre Pionierarbeiten an auf Oxidkeramik basierenden Hochtemperatur-Supraleitern. In der Schweiz werden Keramiken schwerpunktsmässig bei der EMPA, an beiden ETHs, aber auch in der Industrie behandelt.
Generell zeichnen sich diese Werkstoffe dadurch aus, dass sich durch gezielte Dotierung der Keramikmatrix mit Fremdpartikeln die mechanischen, elektrischen, thermischen und optischen Eigenschaften verändern lassen. Das geschieht über einen mehrstufigen und die Nanotechnik einbeziehenden Herstellprozess. Man zermahlt die Werkstoffe zu Nanopulver, dotiert und kommt über geeignete Press- und Sinterprozesse zurück zu makroskopisch handhabbaren Proben. Da die Dopingrate beim heterogenen Nanopulver-Konvolut deutlich grösser sein kann als beim Einkristall, sind höhere Effizienzen bei bestimmten Materialeigenschaften zu erwarten.
Da jedoch das Thema "Keramik" in seiner vollen Breite eine Forumsveranstaltung überfordern würde, wurde das Thema auf die Untermenge der optischen Keramiken beschränkt. Diese, nicht zu verwechseln mit Glaskeramiken, zeigen eine hohe optische Transparenz, sind also rein äusserlich von hochwertigen optischen Glasscheiben nicht zu unterscheiden. Sie zeigen aber neben den für Keramiken typisch guten mechanischen und thermischen Eigenschaften auch weitere, für den Bau von Optikinstrumenten interessante optische Werte. Erwähnenswert sind hohe Brechzahlen, aussergewöhnliches Dispersionsverhalten und vor allem eine nutzbare Transmission vom visuellen bis in den 5-6 μm Spektralbereich, während Gläser nur bis etwa 2 μm eingesetzt werden können. Gerade für medizinische Anwendungen mit dem Erbiumlaser bei 3 μm sind somit neue Möglichkeiten denkbar.
Teilnehmerkreis und Symposiumsablauf
Die Veranstaltung wurde am 24. November 2011 zusammen mit der EMPA an ihrem Standort in Dübendorf durchgeführt. Die Organisatoren waren J. G. Bednorz / IBM, B. Braunecker / SATW, P. Gröning & T. Graule / EMPA und H. P. Herzig / EPFL. Die 30 Teilnehmer kamen von Ceramet, EMPA, EPFL, ETHZ, Fisba, IBM, Lasag, Leica Geosystems, Lonza, Metoxit, Micos, RUAG Space, Schott Forschungszentrum Mainz, Schott Schweiz, Silitec, Swissoptic, SwissLaserNet, Trumpf und Uni Bern. Das Symposium war zweiteilig gegliedert. Nach sechs einführenden Kurzreferaten wurde in der Teilnehmerrunde diskutiert, welche Auswirkungen die Ergebnisse für die Schweiz haben könnten?
Thematische Strukturierung
Die Referate wurden in drei Blöcken präsentiert. Im ersten Teil berichtete E. Pawlowski / Schott über den neuesten Stand der Herstellung von Schott-Opto-Ceramic Prototypen SOC. Anschliessend B. Reiss / Swissoptic über Ergebnisse bei der Oberflächenbearbeitung verschiedener SOC - Proben mit modernen CNC-Maschinen und schliesslich B. Braunecker (früherer Entwicklungsleiter - Optik bei Leica Geosystems), welche neuen Optiksysteme denkbar wären, wenn es die Materialien kommerziell gäbe. Im zweiten Teil erläuterte T. Graule / EMPA die hohen Ansprüche und die komplexen Abläufe bei der Materialherstellung, während A. Studart / ETHZ über neueste Forschungsergebnisse mit multifunktionalen Keramiken berichtete. Im dritten Teil referierte J. G. Bednorz über eine neue und Aufsehen erregende Methode aus Japan, bei der das zu dotierende Keramikmaterial dünne Polymerfolien sind, die interessante optische Eigenschaften zeigen, aber vermutlich auch für andere Anwendungen im Solarbereich oder für Batterien geeignet sein könnten.
Fazit
Die Veranstaltung zeigte, dass der vorgestellte Prozessansatz, der höhere Dopingraten des zu Nanopulver verarbeiteten Trägermaterials mit "intelligenten" Fremdatomen wie Seltenen Erden ermöglicht, nicht nur zu verbesserten aktiven (Laser-) und passiven (Linsen-) Optiksystemen führt, sondern auch zu höheren Effizienzen bei Röntgendetektoren und LED-Lichtquellen. Die erforderlichen technischen Herstell- & Bearbeitungsprozesse sind zweifelsohne noch herausfordernd, aber mit dem in der Schweiz vorhandenen Wissen bei EMPA und den teilnehmenden Firmen durchaus machbar.
Die an den ETHs betriebene Forschung an multifunktionalen Werkstoffen ist höchst aktuell, da durch geeignete Behandlungsmassnahmen Keramiken nicht nur wie Halbleiter in ihren photonischen Eigenschaften eingestellt werden können, sondern zusätzlich noch in den mechanisch-thermischen Parametern. Schliesslich wies die von J. G. Bednorz aufgezeigte Methode der Massenproduktion dotierter Polymere auf eine kostengünstige Mannigfaltigkeit an Anwendungen hin.
Die Veranstaltung wurde von den Teilnehmern mehrheitlich mit "sehr gut" beurteilt und scheint somit einem Bedürfnis entsprochen zu haben. Während die Industrievertreter die Informationen über die Technologiefortschritte begrüssten, bekamen die Hochschulvertreter in der Diskussionsrunde wertvolle Hinweise über mögliche Anwendungsgebiete. Es zeigte sich, dass verschiedene Firmen sich bilateral über ihre Intentionen und Fortschritte austauschen wollen, und es wurde von nahezu allen Teilnehmern der Wunsch nach einer Diskussionsplattform und einer Folgeveranstaltung geäussert.
Im Abbe-Diagramm liegen links unten die Gläser mit niederer Brechzahl und schwacher Dispersion, rechts oben die hochbrechenden, aber leider auch mit starker Dispersion versehenen Gläser. Für den Optikdesign ideal wären Gläser in der Gegend des Bildes von Ernst Abbe. Nur beginnen die Gläser nahe einer magischen Linie auszukristallisieren, was sie technisch unbrauchbar macht. Anstatt nun gegen die Kristallisierung vergeblich anzukämpfen, macht es mehr Sinn, gleich auf Keramiken zu setzen und diese in ihren optischen Eigenschaften gleichwertig zu Gläsern zu machen. Die Blasen im Diagramm zeigen Bereiche von Optokeramiken, wo in guter optischer Qualität bereits Prototypen vorliegen, und die sich in ihrer Transmission, in den Teildispersionen, etc. voneinander unterscheiden.
[Veröffentlicht: Mai 2012]