Transparente Keramik, stärker als Gorilla-Glas

Transparente Keramik, stärker als Gorilla-Glas

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Teaserbild-Quelle: Forschungszentrum Jülich/Hiltrud Moitroux

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben ein neues Beschichtungsverfahren entwickelt, das gezielt die mechanischen und optischen Eigenschaften transparenter Keramiken verbessert. Damit konnten sie den Bruchwidertand verdoppeln.

Dank einer hauchdünnen Beschichtung wird die Oberfläche einer transparenten Keramik zusammengepresst. Das behindert die Bildung von Rissen.
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Forschungszentrum Jülich/Hiltrud Moitroux

Dank einer hauchdünnen Beschichtung wird die Oberfläche einer transparenten Keramik zusammengepresst. Das behindert die Bildung von Rissen.

Wegen ihrer besonderen Stabilität können transparente Keramiken in Bereichen genutzt werden, in denen herkömmliches Glas an seine Grenzen stösst – zum Beispiel in der Industrie als kratz- und hitzebeständiges Sichtfenster in Hochtemperaturöfen. Weil sie ausserdem für kurz- und langwellige Strahlung durchlässig sind, eignet sich das Material auch für Linsen in der UV-Lithografie oder für Sensoren im Bereich der Infrarot-Bildgebung. Als Material für optische Linsen sind sie des Weiteren interessant für Kameras und Smartphones.

Schwierige Herstellung

Die Herstellung transparenter Keramiken ist jedoch schwierig; sie erfordert hohe Temperatur und genau definierte Bedingungen, da sonst Defekte im Material auftreten können. Diese wiederum führen dazu, dass die Festigkeitswerte oft weit unter den theoretisch möglichen Grenzen liegen. „Schon kleinste Unregelmässigkeiten an der Oberfläche können dazu führen dass Risse entstehen, die sich bei bestimmten Belastungen – etwa beim Biegen – erweitern, sodass das Bauteil bricht“, wird Olivier Guillon in einer Mitteilung zitiert. Er ist Leiter des Bereichs Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung. Deshalb haben er und sein Team über eine funktionelle Beschichtung nachgedacht. Ziel sei es gewesen, das Konzept von verstärkten Gläsern erstmals auf transparente Keramiken zu übertragen. „Ähnlich wie bei Gorilla-Glas, das in Mobiltelefonen weit verbreitet ist, soll die Oberfläche von transparenten Keramiken durch das Aufbringen einer dünnen Schicht eines anderen Materials stabilisiert werden.“ Durch dieses als Vorspannen bekannte Verfahren sei eine deutliche Verbesserung sowohl der mechanischen als auch der optischen Eigenschaften zu erwarten.

Weniger Risse dank Zusammenpressen der Oberfläche

Um ihr Konzept zu erproben, wählten die Wissenschaftler eine transparente Keramik aus Zirkondioxid. Mit Hilfe sogenannter Gasphasenbeschichtung brachten sie auf die erhitzte Oberfläche eine nur wenige Mikrometer dünne Schicht aus Yttriumdioxid auf. Martin Bram, Leiter der Arbeitsgruppe, erklärt: „Durch die unterschiedlichen thermischen Eigenschaften der beiden Materialien – Zirkondioxid dehnt sich bei Erhitzung stärker aus als Yttriumdioxid – entsteht beim Erkalten der Beschichtung eine hohe Druckspannung.“ Diese sorge dafür, dass die Oberfläche des Bauteils zusammengepresst werde, womit die Bildung von Rissen behindert werde. Entsprechend wird die so behandelte Keramik stabiler und seine Oberfläche beständiger gegen Zerkratzen. Das Verfahren verbessert auch die optischen Eigenschaften, denn sie verringert die Lichtreflexionen auf der Oberfläche, wodurch mehr Licht in die Keramik dringen kann.

Einfach für Massenproduktion anwendbar

Die neue Methode verdoppelt oder verdreifacht sogar den Bruchwiderstand von transparenten Keramiken. Diese Werte liegen laut Mitteilung weit oberhalb des Bruchwiderstands von vorgespannten Gläsern. Je nach Wahl und Kombination der Materialien, Schichtdicken und Prozessparameter liessen sich ausserdem gezielt mechanische und optische Eigenschaften maximieren, heisst es weiter. Das Verfahren kann also theoretisch als Nachbehandlung auf fertige Werkstücke angewandt werden, benötigt nur eine geringe Menge an Material und lässt sich innerhalb von Stunden durchführen, wodurch es sich für die industrielle Massenproduktion eignet. (mt/pd)