Hochleistungs-Keramik: Empa geht an die Grenzen

Der Anschliff der Oberfläche von Hochleistungskeramiken gleicht einem Mosaik aus winzig kleinen Körnern. Nun nehmen Forschende der Empa die Korngrenzen in den Fokus. Damit könnten sich bei Keramiken die Grenzen von Anwendungsfeldern verschieben.

Quelle: Wikimedia Commons – eigenes Werk – Dr. Peter Tzeferis – CC BY-SA 4.0

In Steinbrüchen werden Marmorblöcke oft mit Drahtsägen herausgeschnitten. Siliziumcarbid gewährleistet in diesem Fall die abrasive Trennwirkung.

Beim Sandstrahlern schiesst eine Menge Material mit hoher Geschwindigkeit auf Oberflächen. Um den abrasiven Verschleiss möglichst klein zu halten, bestehen die Düsen oft aus Hochleistungskeramiken wie Siliziumkarbid. Auch Schlammpumpen oder Bremsscheiben und -beläge von Autos gehobeneren Klassen oder Bauteile für Motoren und Getriebe sind aus diesem Material gefertigt. Zu den herausragenden Eigenschaften wie Verschleiss- und Abriebfestigkeit zählt bei dieser Art von Keramik auch die Wärmeleitfähigkeit. 

Fast so hart wie Diamant  

Siliziumkarbid gehört bei geringem Gewicht zur Klasse der härtesten Hochleistungskeramiken und erweist sich als fast so widerstandsfähig wie Diamant. Dies zeigt der Vergleich auf Basis der Mohshärte, einer Masszahl für den mechanischen Widerstand. Das Material ist extrem hart, stossfest und sehr beständig bei Temperaturwechseln. Eine ganze Reihe von Eigenschaften weist Bornitrid auf, das damit ähnlich vielseitig einsetzbar ist wie Siliziumnitrid. 

Als Schleifmittel oder Wasserstrahlschneider von Metallen und Keramiken geeignet ist wiederum Borcarbid. Wegen der thermoelektrischen Eigenschaften eignet sich das Material für den Einbau in elektronische Geräte, die bei hohen Temperaturen betrieben werden müssen. Auch Körper- und Fahrzeugpanzerungen bestehen aus diesem keramischen Material. Und wenn bei Prozessen, die unter hohen Temperaturen ablaufen müssen, die Hitze abgeleitet werden muss, wird oft Aluminiumoxid eingesetzt. Mittlerweile sind auch hybride Produkte auf dem Markt, in denen für Optimierungen die Eigenschaften zweier Keramiken kombiniert werden. 

Andere Anwendungsfelder von Keramiken auf Basis von Ferriten sind in Transformatoren oder Antennen verbaut. Auch als Zahnersatz sind Hochleistungskeramiken die Voraussetzung für einen guten Biss. Die Zahl der Anwendungen von Keramiken mit herausragenden Eigenschaften hat sich in den vergangenen Jahrzehnten exponentiell entwickelt. Vielfältig sind auch die Verfahrenstechniken.

Physikalisch verformt 

Die Herstellung oder Veränderung von Werkstoffen erfolgt durch Sintern. Dabei werden in einem ersten Schritt Pulvermassen zunächst in die Form des gewünschten Werkstücks gepresst. Um einen minimalen Zusammenhalt der Pulverpartikel gewährleisten zu können, werden oft Bindemittel verwendet. Grundsätzlich erfolgt die Formgebung durch Pressen, Giessen oder auf plastische Weise. Das Resultat sind sogenannte Grünlinge oder Grünkörper, die im nächsten Verfahrensschritt durch Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur verdichtet und ausgehärtet werden.