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. 

Quelle: Wikimedia Commons – gemeinfrei

Hochleistungskeramiken werden eingesetzt, um die abrasive Widerstandsfähigkeit von Sägeblättern für die Steinbearbeitung zu erhöhen. Bild: Bearbeitung von Kalkstein.

Grundprinzip des Sinterns ist es, zumeist körnige oder pulvrige Stoffe zu vermischen und dann durch Erwärmung miteinander zu verbinden oder zu verdichten. Grob werden zwei Fertigungsverfahren unterschieden. Die Urform bezeichnet solche, bei denen aus einem Pulver ein fester Körper hergestellt wird mit einer definierten geometrischen Form. Bei der zweiten Gruppe führen die Fertigungsprozesse dazu, dass die Eigenschaften eines Werkstoffs gezielt und dauerhaft verändert werden. Dies geschieht zumeist durch Veränderungen im submikroskopischen beziehungsweise interatomaren Bereich. Diese Veränderungen umfassen beispielsweise die Diffusion von Atomen. Oder chemische Reaktionen erzeugen Versetzungen in Atomgittern. Der Vorgang des Sinterns erfolgt meist unter hohem Druck und hoher Temperatur. 

Für die Herstellung von hexagonalem Bornitrid beispielsweise werden Pulver und Bindemittel bei einer Temperatur von 2000 Grad Celsius und einem Druck von 2000 psi gesintert (psi - pounds per square inch oder Pfund pro Quadratzoll). Mit Blick auf die Eigenschaften und Geometrien der Werkstücke läuft der Pressvorgang und das Sintern nach unterschiedlichen Verfahren ab. Eine systematische Erforschung des Sintervorgangs von Keramiken setzte in den 1950er-Jahren mit der Entwicklung der Pulvermetallurgie ein, um Metallbauteile aus Pulverformkörpern herzustellen. Im industriellen Massstab in die Fertigung integriert wurde das Verfahren dann ab den 1970e-Jahren. Aluminiumoxid, auch bekannt als Tonerde, wurde zu verschleissfester technischer Keramik veredelt für mannigfaltige industriellen Anwendungen. Seither wurde das Verfahren laufend wissenschaftlich und empirisch verfeinert. 

Körnige Struktur bleibt erhalten

Dennoch gilt, dass gesinterte Stoffe in den allermeisten Fällen nach wie vor aus mikroskopischen Partikeln der Ausgangsstoffe bestehen. Es handelt sich somit nicht um ein homogenes Material, wie das zum Beispiel durch Aufschmelzen von Metallen für eine Legierung der Fall wäre. Gesintert wird in der Regel bei Temperaturen, die unter dem tiefsten Schmelzpunkt der jeweiligen Materialien liegen. Als Analogie müsste beim Vorgehen eher von einem «Zusammenbacken» die Rede sein. Damit zeigt sich zugleich der grösste Vorteil des Sinterns: Ausgangsstoffe lassen sich zu einem neuen Werkstoff verbinden, was auf andere Weise nur sehr schwer oder gar nicht möglich wäre. Sinterprozesse durchlaufen in der Regel mehrere Phasen.

Quelle: Wikimedia Commons - eigenes Werk - Michael KR – CC BY-SA 4.0

Siliziumkarbid findet wegen der Hitzebeständigkeit vielfältige Verwendung wie bei dieser älteren Version eines Dieselrusspartikelfilters.

Zu Beginn kommt es zu einer Umordnung der Teilchen. Druck und Temperatur fördern physikalisch die Korngrenzen- und Volumendiffusion, was in der Zwischenphase noch verstärkt wird. In der Endphase nimmt das Kornwachstum noch zu, wobei sich grosse Körner kleinere Partikel sozusagen einverleiben. Dabei ist die Bildung von Riesenkörnern nicht erwünscht. Mehr und mehr fügen sich die Körner zu einem durchgehenden Material zusammen. 

Empa nimmt Korngrenzen in den Fokus 

Obschon sich die einzelnen Körner in der gesinterten Keramik nicht mehr voneinander trennen lassen, bleiben sie im Material bestehen als mikroskopische kristalline Partikel, die dicht aneinander liegen. Da sich die Korngrenzen physikalisch und chemisch von den einzelnen Körnern unterscheiden, sind sie für die Materialwissenschaft besonders interessant. Sie können etwa Defekte begünstigen oder aber wünschenswerte Eigenschaften hervorbringen, wie die Empa in einer Mitteilung schreibt. Michael Stuer, Forscher und Gruppenleiter im Labor für Hochleistungskeramik bei der Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt (Empa), richtet mit seinem Team den Blick daher auf die sogenannten Korngrenzen. Bereits gut erforscht ist, wie sich bei den Körnern Grösse und Dichte sowie die Art des Sinterverfahrens auf die Materialeigenschaften auswirken, nicht jedoch auf die Grenzflächen, die überall dort entstehen, wo zwei Körner aufeinandertreffen. 

Bei der Erforschung der Korngrenzen in polykristalliner Keramik handelt es sich um eine noch junge Disziplin. Mit Massen im Nanometerbereich und umschlossen von den eigentlichen Körnern, lassen sie sich nur schwer vermessen und charakterisieren. «Früher hat man Bikristalle hergestellt und untersucht, also nur zwei Körner aneinander», wird Stuer in der Mitteilung zitiert. Nun sei zu untersuchen, inwiefern sich Erkenntnisse aus Grundlagenstudien auf polykristalline Materialien anwenden lasse und welche Möglichkeiten sich für den industriellen Einsatz ergeben könnten. Das Forschungsprojekt sei allerdings ambitioniert. 

Bereits die Geometrie der Korngrenzen ist komplex. Denn je nachdem, wie die Körner räumlich zueinander angeordnet sind, entstehen unterschiedliche Arten von Grenzflächen. Zudem können Korngrenzen diverse chemische und strukturelle Beschaffenheiten aufweisen. «Es gibt nahezu unbegrenzte Möglichkeiten», sagt Empa-Forscherin Annalena Erlacher. 

Neue und bessere Anwendungen 

Um diese Vielfalt systematisch zu ordnen, forscht Erlacher mit Aluminiumoxid. Keramiken auf der Basis dieses Minerals sind sehr verbreitet und äusserst gut untersucht, was es ermöglicht, sich auf die noch wenig bekannten Einflüsse der Korngrenzflächen zu konzentrieren. Zu diesem Zweck untersucht Erlacher zunächst, wie sich eine gezielte Dotierung mit Seltenen Erden auf die Korngrenzen auswirkt. Danach will sie unterschiedliche Partikelgrössen unter die Lupe nehmen sowie den Einfluss von Druck beim Sintern besser verstehen. Ziel des Forschungsprojekts, das vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) unterstützt wird, ist die Entwicklung einer Technik der Korngrenzen. 

«Durch eine gezielte Manipulation der Korngrenzen könnte man etwa die mechanischen und die optischen Eigenschaften von Keramik kontrollieren», so Stuer. In Zukunft können die Erkenntnisse auch auf andere Keramiken übertragen werden. Allein mit dem Aluminiumoxid wären neue oder verbesserte Anwendungen in der Optik, der Mikroelektronik und der Medizin denkbar. Ausserdem wollen die Empa-Forschenden Kollaborationen auf dem noch jungen Gebiet aufbauen, um mit der Korngrenzentechnik der Hochleistungskeramik neue Anwendungsfelder zu erschliessen.

Quelle: zvg

Die Geometrie der Korngrenzen ist komplex. Und sie können chemisch und strukturell unterschiedlich beschaffen sein. Die Art der Grenzfläche variiert je nach räumlicher Anordnung der Körner.