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轻量化 | 弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所调研报告

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作者 : 中国（德国）研发创新联盟

更新时间 : 2023-03-24 01:42:49

轻量化｜弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所调研报告

背景

中国（德国）研发创新联盟自成立以来，一直努力促进中德两国科技创新交流与合作。在迎来中德两国建交50周年和联盟轻量化专委会成立之际，联盟正式推出《联盟调研》。《联盟调研》通过系统地介绍德国国家科学与工程院（acatech）、马克斯•普朗克学会（MPG）、亥姆霍兹国家研究中心联合会（HGF）、弗劳恩霍夫应用研究促进协会（FhG）和莱布尼茨科学联合会(WGL)五大骨干德国国家科研机构，了解德国创新思维、创新理念、创新技术、创新团队和创新成果，更进一步推进中德两国的科技创新合作。

弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所概览

弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所（Fraunhofer IKTS）是欧洲最大的陶瓷研究所, 其总部设在德累斯顿，在克洛切和黑姆斯多夫（图林根州）设有两个分所，全所共有800多名员工。研究所设备仪器齐全，拥有40000多平米的实验室和中试工厂。此外，研究所还设有多个分支实验机构，例如电池技术中心、生物能源和薄膜技术应用中心。这些实验中心专注于新技术的开发，并对其潜在应用进行重点测试。

IKTS作为科研和技术服务机构，致力于开发高性能陶瓷材料、定制工业生产工艺以及创建样件与系统。此外，在声学、电磁学、光学显微镜和激光技术领域，研究所拥有丰富的材料工程诊断及测试的专业知识，为产品和设备的质量提供了可靠保证。研究所下设九个以市场为导向的业务部门，工作涵盖陶瓷技术和组件生产，新产品的无损检测方法，以及针对新行业、产品概念等传统应用领域之外市场的陶瓷技术验证。另外，IKTS在钠离子电池和燃料电池等储能技术、无损检测技术、环境保护技术等领域均处于全球领先地位。

研究部门动态

1.材料与工艺业务部门

该部门是高性能陶瓷开发、生产、鉴定相关问题的中转站。其核心竞争力是在多年来在陶瓷材料领域的技术积累，可根据特定要求提供完备的解决方案。该部门致力于解决整个流程链中的问题，同时也充当所有其他业务部门的中心枢纽。

（1）陶瓷浆料的直接发泡

直接发泡可以生产具有封闭或部分开放孔隙的高孔隙陶瓷。孔隙可以通过各种方法直接引入到结构相中，例如通过化学作用的发泡过程或通过物理产生的蒸汽压力。通过气化或机械搅拌将气相引入使用表面活性剂的悬浮液是一种有效且环保的工艺。随后所产生的湿泡沫被填充到模具中，再进行干燥、脱模和热处理。

IKTS开发了一种泡沫发生器并获得了专利。它能够生产出发泡陶瓷浆料，与传统的转子稳定器系统相比，它在运行中几乎没有磨损。在该装置内，浆料通过多孔管被泵送，同时利用加压空气使细小的分散气泡通过管道进入浆料。之后一个静态混合器将泥浆和气泡混合成均匀的泡沫。这种泡沫的孔隙率可以通过浆液和空气的体积流量比调整，范围为30-95％。孔隙大小取决于所使用的组件（多孔管的孔隙大小和静态混合器的直径），可以在100微米和2毫米之间变化。新的泡沫发生器每小时可以生产10到300升的湿泡沫。这使得该发泡装置既适用于实验室操作，也适用于工业生产过程。

（2）高科技高温材料碳化锆

IKTS设计了一种技术上可行且价格低廉的方法，来生产高质量的碳化锆陶瓷材料。由于碳化锆具有极高的熔点（3540℃）和极低的蒸汽压力（2000℃时<10-6mbar），因此碳化锆是一种出色的高温和高真空材料，可与具有战略意义的钨、钽和钼材料媲美。目前，碳化锆主要应用于核能技术。

（3）高性能碳纳米管陶瓷复合材料的生产

由于具有较好的耐磨性、抗压强度、硬度和耐腐蚀性，高性能陶瓷用途广泛。然而，在需要良好导热性和导电性的情况下，其应用领域受到限制。碳纳米管（CNT）与陶瓷粉末的组合非常适合解决陶瓷材料的这一缺点。碳纳米管具有极高的拉伸强度（30-100 GPa）、高杨氏模量（1–1.2 TPa）、高热导率（2000–6000 W/mK）以及高电导率（106–107 S/m）。

制造CNT陶瓷复合材料的现有技术需将陶瓷粉末与CNT混合后烧结。然而在粉末混合过程中，碳纳米管易团聚、缩短甚至分解。Fraunhofer的专利工艺允许用解聚的CNT覆盖氧化和非氧化初级陶瓷颗粒（Al2O3、ZrO2和Si3N4）。通过湿化学途径将规定浓度的催化剂颗粒沉积在陶瓷颗粒上。随后，化学气相沉积工艺使CNT从催化剂颗粒开始生长，这使得CNT在最终的复合材料中分布非常均匀。

2.能源业务部门

陶瓷固态离子导体是该业务部门的工作重点。重点应用包括常规电池、燃料电池、太阳能电池和热能系统，以及生物能源和化学能源的解决方案。

（1）基于共电解的集成power-to-X工艺的实验室规模演示

在减少工业二氧化碳排放方面，power-to-X工艺经常被提及，尤其是高温电解（固体氧化物电解，SOE），是一项极具潜力的技术。它能有效地将二氧化碳和水转化为合成气，随后制成碳氢化合物产品。基于高温电解的power-to-X工厂可以达到很高的工艺效率，因为阴极对于重整合成步骤的短链副产物（例如甲烷）具有催化活性，将这些低价值产品直接转化为合成气，从而提高碳效率。此外，它还降低了整个过程的复杂性。

为了展示集成过程中内部重整的潜力，作为Colyssy项目的一部分，该部门建立了由高温共电解和费托合成工艺相结合的电力液化实验工厂，项目由德国联邦教育和研究部（BMBF）资助。

（2）基于仿真的能源系统分析和经济性评估

在未来创新能源系统的开发中，对系统性能和经济可行性的早期预测至关重要。在IKTS，低维仿真模型被用于真实应用场景的研究，这为后续的成本分析提供了非常重要的基础信息。

能源系统模拟：可以在日常和年度模拟中考虑不同背景下用于存储、发电和供热的能源系统（使用的软件：Modelica和Matlab）。自动化工具链可以改变重要的系统参数。结果矩阵被用于尺寸标注、能量评估和基本概念开发。此外，还可以得出经济评价。

市场和成本分析：技术研究是市场和成本分析不可或缺的工具，它们构成了可持续长期项目决策的基础。有关市场潜力、目标市场结构、竞争对手、潜在客户甚至合作伙伴的信息都包含在研究中。在成本分析方面，开发团队能够考虑不同的目标，例如在开发项目期间确定电池原型的制造成本，以确定包括潜在成本在内的成本估算。

（3）优化锂固态电池的电极性能

IKTS正在开发用于氧化物、硫化物和聚合物电解质的固态电池的电极和电芯,将成像和电化学方法相结合以改善电极性能。新的工作流程可以针对性地优化电极形态。因此固态电池的开发迭代周期可以大大缩短。

（4）电池行业微观结构评估的数字化工作流程

强大而安全的电池系统对于可持续能源和移动革命至关重要。因此，当前成熟的锂离子电池（LIB）技术和全固态电池（ASSB）等新型电池的性能需要不断提高。从多模式、交叉尺度显微镜和光谱学中获得的参数对此有重大意义，例如，阴极箔中颗粒的尺寸分布、孔隙率或电极、隔膜、电解质和活性材料的界面特性。IKTS在其福赫海姆基地提供该种从显微镜到光谱学的联合观测，从宏观到纳米尺度的关联分析方法。

3.环境与过程工程业务部门

该业务部门的工作重点是常规能源和生物能源领域的工艺，水和空气的净化策略与方法，以及从残余废物中回收有价值的原材料。其中许多研究旨在实现闭环的材料循环。IKTS使用陶瓷膜、过滤器、吸附剂和催化剂来实施复杂的工艺工程系统，以实现节能分离工艺、化学转化和有价值材料的回收。

（1）基于陶瓷膜接触器提取的养分回收

氮和磷等养分是高产农业的基石，它们是通过化学手段以矿物肥料的形式生产的，成本较高。与此同时，畜牧业产生的大量含营养物质残留物并未被利用，不得不以高昂的成本进行处理。在资源节约和环境保护方面，可以从这些残留物中回收和利用有价值的养分作为矿物肥料替代品。

膜萃取是一种极具发展潜力的技术，用于从含水农业残留物中回收氨氮。该过程需要温度稳定、耐化学腐蚀和耐磨的材料。为此，IKTS正在开发基于氧化铝制成的单通道陶瓷膜接触器。耐用的防水（疏水）层是该过程中所需的一项基本组件。IKTS已成功开发出这种基于硅烷的疏水表面涂层。涂层防止陶瓷膜被水性介质润湿，并确保膜孔中稳定的气相边界。通过设置分压梯度，残留物中存在的气态氨可通过膜孔提取。该工艺的一个优点是可以选择性地回收氨氮，并且膜可以截住杂质和污染物。一些其他应用也可以通过陶瓷膜接触器实现，例如在工业过程生产氢气。

（2）评估鼓泡塔中的气体分布

经调节的沼气是一种化学储能介质，可以作为合成天然气（SNG）进入天然气管网。其先决条件是含有等量甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的沼气经过预处理以达到天然气质量，甲烷含量至少为95%。从沼气到甲烷的转化可以通过生物甲烷化来实现，其中微生物将二氧化碳和添加的氢气转化为甲烷。从技术上讲，该过程在鼓泡塔反应器中进行特别有效，因为鼓泡塔反应器不需要能源密集型组件，例如搅拌器、循环或气体分离。在“BioStore”项目中， IKTS与弗莱贝格气体技术研究所有限责任公司（DBI）合作开发和优化了适用于生物甲烷化的高效反应器。为此，DBI评估了各种鼓泡塔反应器。IKTS使用过程层析成像技术检查可变边界条件下的反应器中的气泡分布，改变压力、温度和气体流速，并测试不同的排气元件。

（3）污水污泥堆肥和菌丝体再培养材料

德国有数以万计的垃圾填埋场。为15,000公顷的未运行城市垃圾填埋场提供安全、具有生态价值且与景观相容的覆盖层至关重要。因此，垃圾填埋场运营商正在寻找潜在的材料，并寻求相应的工艺来生产垃圾填埋场替代建筑材料用于再耕作层。

IKTS与威立雅公司（Veolia Klärschlammverwertung Deutschland GmbH）、德累斯顿工业大学废物管理和循环经济研究所、Silberland特种机械和输送技术有限公司（Silberland Sondermaschinen und Fördertechnik GmbH）以及德累斯顿木材技术研究所有限公司（Institut für Holztechnologie Dresden gGmbH）一起，正在开发用于垃圾填埋场或污染的功能化再生材料，以及项目“Boden2”中的场地覆盖系统。虽然可以获得大量例如来自露天采矿的覆盖层材料或来自土壤修复厂的材料，但它们的土壤机械性能通常很差，生物活性也较低。这些特性使得难以用植被覆盖这样的基质。因此，该项目依靠如污水污泥堆肥和从食用菌生产中提取的生长介质，以永久改善土壤特性。但是这些残留物的回收利用受到法律的限制。例如，蘑菇基质只能在灭菌后使用，由于潜在的重金属污染，污水污泥只能以非常有限的方式使用。集团合作伙伴进行了大量工作，以开发一种工艺，用于调节各种原材料并将它们以最佳比例结合起来。在该项目中，IKTS负责起始材料和最终产品的分析评估、配方开发和底物混合物的生产。这些材料在萨克森州垃圾填埋场的现场测试中得到成功验证。

4.水务业务部门

水的高效利用和净化非常重要。IKTS为废水处理提供解决方案。过滤、吸附或声电化学氧化等方法组合与传统方法相比具有显著优势。此外，使用特定的传感器系统既可以提高工艺技术的效率，又可以降低工艺成本。

（1）工业水处理工艺开发试验场

高盐度工艺用水的处理和干扰物（微污染物）的去除以及由此对抗抗生素耐药性和生育障碍的传播是德国工业水管理中尤为重要的课题。为了在实践中检验新型水处理技术和前瞻性的水利用理念，IKTS与弗劳恩霍夫合作机构在比特费尔德-沃尔芬联合污水处理厂（GKW）现场搭建了实验技术与创新平台。

该平台包括多个测试容器以及相互连接的模块化测试设施，使用灵活，用于新技术的开发、测试和转让。这些技术涉及海水淡化和工艺化学品原材料回收，以及来自比特费尔德-沃尔芬化工园区的复杂工业废水。中试规模的试验工厂包括配备了陶瓷膜的过滤工厂、用于电化学分离和回收的分子和双极电渗析系统、用于电化学彻底氧化水中难以分解成分的电解工厂，以及用于硫酸盐分离和氢气生成的电解工厂。

（2）用于水处理中陶瓷元件评估的多功能试验台

IKTS基于用二氧化钛（TiO2）催化涂覆的功能化细胞结构开发了复杂的AOP功能组件。为了将这些多功能组件进一步开发成可供实际应用的系统，IKTS研发了一个特殊的试验台。多功能试验台以独特的方式结合了膜过滤和光催化过程。所用的平面陶瓷膜是通过玻璃结合碳化硅（SiC）的多层陶瓷流延及共烧制成的。膜层使用具有窄粒度分布的商用超细晶粒SiC粉末。这使得孔隙分布分别为d50=1.5-2 µm和d50=0.2700 µm。膜结构因此处于微滤范围内。过滤以错流模式运行，平膜的进料侧连续平行溢流。通过调整错流速度，可以控制过滤过程中形成的载有颗粒的顶层。同时还可以定义进料回路和渗透回路之间的压差，即所谓的跨膜压力。进料侧产生的超压产生基本上无颗粒的滤液，然后立即进行强烈的光催化反应。催化产生的非选择性羟基自由基能够实现持久性的完全氧化，并将复杂的水成分转化为无毒和生物可回收的物质，处理后净化水通过安全阀准从系统中排出。

（3）用于去除微污染物的石墨烯

微污染物对全球水管理行业来说是巨大的挑战。这些水溶性有机物对水生环境来说是有毒的，即使是少量的污染物也不能被传统的三级污水处理技术所清除。

作为图林根研究小组“SoWas”研究小组的一部分以及与弗里德里希-席勒大学耶拿分校合作的内容，IKTS研究如何通过纳米颗粒上的吸附和氧化作用来彻底清除微污染物。为了实现这一目标，氧化剂可以通过使用超声波产生空化作用或通过使用TiO2的光催化作用被引入到这个过程中。吸附过程可以通过碳化物如石墨烯来实现。结合这些方法可以产生协同效应，微污染物质的降解率可以大大增加。

（4）用于水消毒和去除微量物质的高活性纳米结构二氧化钛过滤膜

干净的饮用水是我们现代文明中最宝贵的商品之一，随着世界人口的增长，确保其供应成为了一项巨大的挑战。不断向我们的水域输入的化肥、化学品或药物残留物，以及与之相关的难以去除的人为微量物质，正在破坏我们可用的水资源。光催化是一种很有前途的水净化工艺，它能够完全降解有机污染物，且不会产生需要处理的残留物质，但是它无法去除固体颗粒。

IKTS开发的一种全新的综合水净化方法包括将陶瓷过滤膜与光催化活性层相结合。由玻璃结合碳化硅制成的多孔过滤膜用作载体结构。这在机械结构上非常稳定，并且具有出色的耐磨性和耐腐蚀性。二氧化钛（TiO2）作为光催化剂，以纳米结构层的形式应用于陶瓷膜表面，这种纳米结构创造了一个大的光催化活性表面积。

光催化涂层的产生需要两个步骤。首先，纯钛通过技术上非常简单且易于扩展的磁控溅射工艺沉积在陶瓷表面上。随后，通过阳极氧化工艺，将致密的钛层转化为具有有序纳米孔隙的TiO2层，其中通过选择阳极氧化参数来产生具有可调形态（例如孔宽和长度）的封闭或多孔氧化物层。以这种方式生产的纳米结构二氧化钛层的光催化效果已经在实验室中得到成功证明。TiO2的短波紫外线照射会诱导形成高反应性羟基自由基，从而高效地氧化分解污染物。

5.无损检测与监测业务部门

质量、成本和时间是产品和服务能否在市场上取得成功的关键。无损检测可以显著促进产品的持续改进。IKTS将其在组件和设备监测方面数十年的经验与新型的测量技术、自动化概念和解释复杂数据的方法相结合。迄今为止，其能力远远超过了主流的无损检测技术提供商。

（1）移动式超声波轨道检测系统

因为铁路网络的要求不断提高，随着对高水平操作安全性的需求，检查的范围和频率都在增加，而可用于检查的时间窗口则越来越小。通过“智能维护”，一种面向条件的行动规划和轨道处理，可以有针对性地简化和加速维护过程。

轨道和道岔的状态数据，例如轨道内部的运行不规则、轨脚腐蚀或体积缺陷，通常可通过不同的无损检测系统收集。借助Vossloh Rail Services GmbH开发的SoniQ Rail Explorer（SRE）可以使用超声波轨道检测设备，该设备在单次测试运行中只使用一个测量系统记录不同的数据。各种测试数据、视频或超声波信号的组合，辅以 GPS 信号，为用户在数据分析方面提供了更高的安全性。现代数据接口可以轻松集成到数字化流程链中。

（2）用于评估浆料的垂直轴超声波测量系统

除了用于固体的无损检测外，超声波方法在液体和浆液的材料评估方面也越来越受欢迎。特别是超声波光谱学，即频率相关参数的评估，已被证明是一种非常适合评估色散材料的方法。与光学光谱学不同，它不限于半透明材料，这意味着不透明和高度填充的浆料也适用。

IKTS为一个工业项目开发了一个灵活的测量系统，以评估高固含量的浆料，可被用于电池的生产，需要根据它们的成分和机械性能进行评估。该系统可以测量与频率相关的声速和衰减系数。由此，可以推导出材料的弹（粘）性特性。当对浆料进行测试时，会发生散射等效应，从而为测量信号提供有关材料状态的附加信息，例如微观结构、粒度和浓度。通过比较不同厚度下的多次测量，可以最大限度地减少影响变量，从而有助于实现高可靠性。电池浆料的评估揭示了更多影响因素，例如使用寿命和样品的机械预处理。将来，该测量系统还将用于其他材料系统，例如印刷色浆。

（3）锂离子电池电极带在线测试

高性能且具有成本效益的储能系统是转向可再生能源的关键组成部分。通过最大限度地减少生产缺陷和由此产生的报废率，可以进一步降低锂离子电池的制造成本。在制造过程的早期阶段和进一步加工之前检测缺陷可确保尽可能高的质量和最少的废料，从而提高电池生产效率。

用于快速在线缺陷检测与孔隙率测定的LSP：

时间分辨激光散斑光度法（LSP）是近期开发的，适用于观察光学缺陷的新方法。它可以确定各种类型和尺寸的孔隙率及表面缺陷。与竞争测量方法相比，LSP的特点是结构简单且成本低廉。

LSP使用相干光源（例如激光）来照射被检查的表面。生成包含表面形态信息的独特散斑图案。这些图案由数字线扫描相机记录和进一步处理。借助图像处理和机器学习方法，可以自动识别和分类电极箔中的缺陷。

6.电子与微系统业务部门

该业务部门为制造商和用户提供了可靠且具备高成本效益的材料和制造解决方案，用以生产耐用的高性能电子元件。除了传感器和传感器系统外，另一个重点是电力电子元件以及多功能智能系统。利用创新的测试方法和系统，IKTS为整个价值链提供从材料到复杂电子系统集成的支持。

（1）用于医学成像和无损检测的印刷超声换能器

超声波换能器广泛用于医学成像和无损检测。目前的研究活动集中在提高图像分辨率、逐步小型化和增加电子密度上。相控阵已成为诊断成像的首选技术。通过这些解决方案，有源压电板被分成几个元件，可以分别激活和读取。这允许超声波束的电子扫描、转向和聚焦。超声波探头的传统制造技术基于不同的切割和安装步骤，这些步骤复杂且耗时。此外，粘合剂层以及焊盘会影响超声波发射。

IKTS最近开发了一种全新的完全基于印刷技术的超声波换能器制造路线。该技术的核心是通过丝网印刷将压电陶瓷厚膜应用于平面或管状基板。超声波换能器的性能不仅受压电陶瓷厚膜本身的影响，还受基板材料、电极设计和声匹配层的影响。IKTS已经为这种多孔基材开发了相应的材料，它直接用作阻尼声学延迟线的背衬材料。

（2）超声用于更快、更安全的牙根管治疗

根管治疗无疑是最令人不愉快的牙科治疗之一。在IPUCLEAN 项目中，IKTS与罗斯托克大学医学中心以及 Komet Dental、Werner Industrielle Elektronik和Zahntechnik Leipzig公司一起，正在开发一种用于根管治疗的智能超声系统，它可以缩短治疗时间并减少并发症。

同步旋转和平移：

与已建立的系统相比，新系统把轴向方向上的平移运动叠加在牙齿锉刀的旋转运动上，同时对根管进行处理，可以省去目前为避免牙锉失效所需要的清洁步骤。为了产生平移运动，其使用了IKTS专门为满足这些要求而开发的压电陶瓷堆叠致动器。传统的含铅和无铅压电材料的适用性正在研究中。关于换能器设计，一个特殊的挑战在于工作电压很低，这就需要致动器堆栈的各个层非常薄。

从实验室原型到功能演示机：

作为第一步，IKTS开发并测试了实验室原型。用激光测振仪研究振荡行为。基于这些结果，设计并构建了一个功能演示器。主要的挑战是根据需要使组件小型化，这需要例如基于电路板的微型滑环的定制开发，使用微型弹簧探针接触压电陶瓷致动器并测量齿锉的穿透深度，目前正在评估演示机。这种情况下，在断裂试验中已经发现小直径的齿锉具有更长的使用寿命。未来计划进一步开发控制电子设备，以根据其在根管中的穿透深度实现牙齿锉刀的最佳振荡行为。此外，在系统上市前还需要进一步小型化。

（3）具有成本效益的铜-氮化硅复合材料作为电力电子电路板

结构化金属陶瓷基板是电力电子元件的重要组成部分。现有的解决方案，如直接键合铜-氧化铝（DBC）或活性金属钎焊铜-氮化铝基板（AMB）无法满足未来的要求，无法充分发挥新型碳化硅SiC的潜力。一种解决方案是使用具有优异机械性能的氮化硅（Si3N4）陶瓷制成的复合材料。这使得金属化陶瓷基板能够用于电力电子组件，并显著提高对主动和被动热循环的稳定性。

在联合项目CuSiN中，IKTS及其合作伙伴正在使用活性金属钎焊技术（AMB）开发可靠的高性能铜-氮化硅（Cu-Si3N4）基板。通过多线切割烧结Si3N4块制成的厚度<320µm的陶瓷Si3N4基板已经显示出较好的导热率和强度。其基础是含氧量极低的Si3N4粉末与无铝添加剂的结合。该项目的新颖之处在于可以将尺寸高达5x7英寸的致密Si3N4基板烧结成均匀且孔隙率极低的微结构。

（4）铜互连结构的微机械原位实验

微电子设备中非常小的布线层[后端（BEoL）层]的附着力测试方法对于现代微电子结构的制造和可靠性测试至关重要。因此，IKTS开发了一种基于原位纳米压痕的SEM方法。它能够研究尺寸仅为几微米的类似产品的铜通孔结构——因此首次分析了单个工业制造通孔的界面。

7.材料与过程分析业务部门

IKTS提供全面的测试、鉴定和分析，以控制材料特性和生产过程。作为经过多次认证和审核的服务提供商，IKTS致力于材料基础分析及应用相关问题的解决，并支持先进测量技术的发展。

（1）硬质合金的热物理性质与微观结构的关系

碳化钨钴硬质合金具有高硬度和良好的断裂韧性，因此被广泛用作切削刀具材料。随着切削速度的提高以及难切削材料的增加，对此类刀具的要求也随之提高。除了机械性能外，刀具材料的导热性等其他性能也特别重要，因为在切削过程中局部会出现高温。

尽管在WC-Co硬质合金的研究中，微观结构和硬质合金成分之间的基本关系因技术相关特性而为人所知，但仍然非常需要进行基于模型的预测以专门定制特性。挑战在于粒子内和粒子间界面特性的影响。传统的最先进模型也无法较好地描述这些影响。现代结构详细数值建模方法是一种有效的替代方法。

IKTS通过连接商业、开源和内部开发的建模工具（GeoDict、ANSYS、CCBuilder、FiPy、Mathematica）为此类分析平台开发了工作流程，并通过将其应用于WC的热导率示例进行了测试和验证。

（2）基于人工智能的陶瓷材料定量微观结构分析

陶瓷材料的质量和性能在很大程度上取决于它们的微观结构。在定量微观结构分析中，必须正确识别晶界。这些边界数据对于平面和线切割方法的可重复性是必不可少的。在实践中往往采用人工检测晶界，成本高、时间消耗量大。

近年来，现代基于AI的图像处理方法已经在具有复杂视觉问题的各种用例中证明了它们的价值。它们在材料科学领域越来越受欢迎。

IKTS开发了一种基于卷积神经网络（CNN）的深度学习方法用于检测晶界。这种方法基于一个数据集，该数据集由待分析材料的微观结构图像和相应的手动标记晶界组成。为CNN选择了边缘分割领域的特殊架构。CNN使用特定的、专门开发的损失函数进行训练。广泛的自动超参数调整有助于找到最佳超参数，从而影响 CNN 的最终性能。

（3）以硅藻为填料的金属基复合材料

硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，主要由化石硅藻壳组成。它可以大规模提取并用作制造复合材料。如果尺寸达100微米的圆柱形硅藻壳可以均匀地嵌入金属基体中，则可以使这种复合材料获得特定的机械性能。

复合材料的微观结构分析：

这种复合材料的设计需要详细了解所用硅藻的几何形状和机械性能。使用各种成像方法对复合材料进行全面的3D分析。X射线纳米层析成像技术可以对单个硅藻进行高分辨率的三维成像。结合原位加载测试可以确定单个硅藻壳的力。该数据是伴随项目进行材料模拟的起点。一方面，可以模拟硅藻壳形成的孔隙内部和周围的应力分布。另一方面，可以直接从断层扫描数据创建大型FE模型。可以通过软件生成具有不同填料含量的模型来估计机械性能。

硅藻壳的预处理：

首先必须清洁硅藻土，湿法筛分优于干法筛分，因为它可以去除更多的碎片和异物。然后将以这种方式制备的硅藻与铝粉混合，并通过放电等离子烧结（SPS）加工成固体复合材料。除了粉末冶金生产，熔体冶金工艺也在测试中。在这个过程中，硅藻以液态与金属基质混合。

8.机械与汽车工程业务部门

高性能陶瓷是工厂工程、建筑以及汽车工程的关键部件。由于其突出的特性，高性能陶瓷通常是唯一可行的解决方案。该业务部门提供耐磨零件、工具以及高性能陶瓷、硬质合金和金属陶瓷制成的部件。基于光学、弹性动力学和磁效应的组件以及工厂监控测试系统也是该部门的工作重点。

（1）用于高压电机绕组绝缘的聚合物陶瓷

电机的电磁利用率和资源效率可以通过增加电流负载来提高。这种方法的局限性在于绕组绝缘材料的最高允许温度，合成绝缘材料的低导热性以及绕组、主绝缘和叠片铁芯之间的多个气隙而导致的热传输减少。

一个受德国联邦经济事务和气候行动部（BMWK）工业研究协会（AiF）工作组资助的研发项目已经成功地开发出具有更高热稳定性和导热性的聚合物陶瓷复合系统，用于电机中的绕组浸渍。该复合材料由聚硅氧烷基质和陶瓷填料组成，例如氧化铝、氮化铝和氮化硼。填料颗粒的表面改性使其可以实现高达40vol-%的填充度。该复合材料具有糊状初始系统的所需足够流动性，可实现快速和完整的浸渍。与传统的浸渍系统（例如聚酯酰亚胺）相比，聚合物-陶瓷浸渍系统的导热性提高了四到六倍。

（2）一种由具有成本效益的赛隆陶瓷制成的新型铣刀

镍基合金因其在高温下的耐腐蚀和抗氧化性而被用于许多行业，例如汽车、航空航天、化工厂工程和发电。然而，它们出色的性能也使高效加工变得更加困难。加工这些合金时会产生高温，因此需要新型刀具解决方案。陶瓷制成的工具很有发展前景，赛隆陶瓷即使在高温下也表现出高硬度，因此在铣削镍基合金时能够实现高切削速度。

在IGF的项目中，IKTS开发了一种通过水性工艺路线制备的α/β-sialon。α/β赛隆切削材料（80:20）的硬度（HV10）为18.5 GP，4点弯曲强度为σ0 = 785 MPa，威布尔模量为 m = 19，断裂韧性为 5.2 MPa m1/ 2（SEVNB）。IKTS已使用这种赛隆材料生产立铣刀毛坯。

尽管存在磨损现象，例如积屑瘤形成，赛隆立铣刀在粗铣过程中仍展现了非常长的刀具寿命。在使用赛隆刀具进行粗铣时，即使是在铣削过程中因粘附的铬镍铁合金切屑脱落而导致的切削刃和崩刃也是可以接受的。因此，与硬质合金刀具相比，其可以实现更高的金属去除率。新的赛隆立铣刀在第一次试运行中表现非常出色。IKTS开发的具有成本效益的赛隆材料与完美的陶瓷切削刃设计相结合，可提高镍基合金的加工效率。

9.生物与医疗技术业务部门

IKTS利用陶瓷材料在牙科领域、内假体植入物以及手术器械的开发方面提供高性能材料及解决方案。在经过认证的实验室中，该部门使用最好的设备来检查生物材料和人造材料之间的相互作用，从而促进材料、分析和诊断技术的发展。为实现这一目标，该部门使用了一些最独特的光学、声学和生物电学方法。

（1）用于颌骨置换的混合可降解生物陶瓷

颅面部骨缺损通常与美观和功能障碍有关。到目前为止，自体骨移植物，例如来自腓骨或骨盆的骨骼，已经可以用于重建。然而，这些仅能简单修复并再现面部颅骨的解剖结构。

“Hybrid-Bone”项目旨在开发个性化、精确匹配、机械稳定的骨替代材料。混合支架的可降解部分与生长因子的结合刺激了骨再生。混合骨骼由增材制造的承重支撑结构组成，该结构填充并包围着多孔泡沫。泡沫用作细胞向内生长的可生物降解的结构。

使用的生物陶瓷材料是可降解的磷酸三钙（TCP）和生物惰性氧化锆。选择CerAM VPP（陶瓷增材制造光聚合）工艺用于使用TCP-ZrO2复合材料增材制造和制造可承受压力的支撑结构。其提供了专门构造的孔，用于随后在骨骼中进行螺钉固定。陶瓷泡沫是通过冷冻发泡工艺制备的。这种TCP冷冻泡沫具有开放且相互连接的孔隙。这使得它可以被身体降解，同时在同一位置形成新骨。

基于体外分析的混合测试支架已被证明具有良好的生物相容性,该项目的最终目标是生产个性化的人类颚骨，以供患者使用。

（2）具有高强度和精度的薄壁陶瓷基台

种植牙是一个不断增长的市场。随着患者对健康和美学的意识越来越强，越来越多的牙医开始提供这种服务。

在与种植体制造商Moje Keramik-Implantate GmbH & Co KG的联合项目中，IKTS的研究人员和工程公司ILMCAD – Ingenieurbüro Ilmenau GmbH正在尝试开发一种技术，用于制造由氧化锆（TZ3Y）制成的薄壁基台（牙种植体和修复体之间的连接部分）。这种陶瓷材料具有许多优点：它具有生物相容性，仅产生极少的斑块积聚，导热性低，并且由于良好的软组织附着性而在美学上令人满意。此外不会因过敏反应而对健康造成危害。

（3）急性炎症后新骨形成——体外评估

IKTS的生物材料分析小组建立了一个体外模型，展现了炎症条件下新骨的形成。组合模型的基础包括两种人类细胞类型：巨噬细胞作为急性炎症的主角，以及间充质干细胞（hMSC），它们经历新骨形成的基本过程——成骨分化。

在该模型中，巨噬细胞首先被极化为促炎亚型，从而产生炎症环境。该过程的特点是促炎细胞因子的分泌，除其他症状外，还会导致患者发烧，以及患处发红、肿胀。hMSCs被添加到炎症环境中，随后进行成骨分化。再基于细胞外基质的产生以及钙的沉积验证和检查成骨分化的性能。在测试材料（活性物质或生物材料）的研究过程中，巨噬细胞的极化为测试项目的免疫调节特性提供了重要信息。因此，首先分析炎症的增加或减少。此外，还评估了通过免疫调节活性hMSC 消退炎症。第二步，根据hMSC在炎症条件下的成骨分化表现评估新骨物质的形成。该过程可以根据有关测试项目的问题进行调整。

预算和收入

弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所（Fraunhofer IKTS）2021年的总预算为8330万欧元，相比2020年⾼出770万欧元。年度投资额达到1770万欧元。得益于多个联邦州的大力支持，IKTS在图林根州投资760万欧元，在萨克森州和巴伐利亚州投资1000万欧元，用于基础设施的扩建。2021年IKTS共获得了5890万欧元的外部收入。

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