Werkstoffe 23.04.1999, 17:21 Uhr

Keramik ist nicht so spröde

Keramische Spezialwerkstoffe geben sich hart und verschleißfest und schon lange nicht mehr so spröde, wie noch vor einigen Jahren. Das demonstrierte das Dresdner Fraunhoferinstitut IKTS auf einem eigenen Messestand in Hannover.

Obwohl heute „Ceran“-Kochfelder, künstliche Gelenkimplantate oder auch Spiralbohrer aus gesinterten keramischen Spezialwerkstoffen relativ kostengünstig und in jeder benötigten Stückzahl hergestellt werden können, sind die Einsatzfälle immer noch realitiv eng definiert. Die Keramik als massenhafter Ersatz von Metall oder Kunststoff wird auch in absehbarer Zeit nicht auf der Tagesordnung stehen, wenngleich die anwendungsnahe Forschung die Materialeigenschaften immer weiter in gewünschte Richtungen optimiert.
Derartige Arbeiten laufen im Fraunhofer-Institut Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe (IKTS) in Dresden auf Hochtouren. „Keramik ist bekanntlich hart, aber auch sehr spröde, deshalb liegt eine der wohl wichtigsten Zielrichtungen unserer Arbeit in der Suche nach feineren Ausgangsmaterialien (Aluminium- oder Siliciumoxid), die sich dennoch möglichst gleichmäßig, daß heißt ohne Fehlerstellen verteilen lassen“, berichtet Dr. Udo Gerlach, stellvertretender Leiter des IKTS.
Mit den Keramikwerstoffen dieser neuen Generation lassen sich defektarme Keramiken mit Korngrößen in den Nanometerbereich erzeugen, die besonders hart sind und sich unter anderem für den Einsatz als extrem beanspruchbare Schleifmittel eignen. Dazu kommen flexible Formgebungsverfahren oder druckloses Sintern, mit denen sich dieses Material heute zu sehr dünnen Werkzeugformen verarbeiten läßt, weil die Bruchfestigkeit mehr als doppelt so hoch ist, wie bei herkömmlichen Sinterwerkstoffen.
Die neue Keramik, die bereits erfolgreich zum Weltpatent angemeldet wurde, hat mittlerweile auch in der Wirtschaft und Medizin breite Anwendung gefunden, so bei der Hamburger Hermes Schleifmittel GmbH & Co, die mehr als ein Dutzend Werkzeugtypen damit ausrüstet oder der Cerasiv GmbH, Plochingen, die vor allem bei künstlichen Hüftgelenken aufgrund der feineren Oberflächenbeschaffenheit dieses Material nutzt. „Der Reibungskoeffizient kann um bis zu 90 % verringert werden“, berichtet Udo Gerlach, so daß sich die Nutzungsdauer der künstlichen Gelenke von bisher nur zehn bis 15 Jahren erheblich verlängern dürfte.
Solche überaus breit begehrte Keramikstoffe sind jedoch ein Glücksfall für die Entwickler, in der Regel verläuft die Entwicklung wie auf der IKTS-Versuchsanlage eher für den sehr speziellen Einsatzfall. Zwar verbinden sich die Einzelkristalle bei den Versuchsbedingungen optimal, doch für eine großtechnische Erzeugung wäre der Aufwand unvertretbar. „Wir ermitteln dann in der Regel für einen ganz bestimmten Einsatzzweck die geeignetste Keramik aus den unzähligen Kombinations- und Herstellungsmöglichkeiten und optimieren deren Herstellungstechnologie“, so Gerlach. Damit entstehen immer neue Verfahren, mitunter auch mit fundamentalen Eigenschaftsänderungen. So geschehen in Dresden, als das Ausgangsgranulat mit einem wachsähnlichen Bindemittel in Form gebracht wurde, das beim Sintern ausbrennt. Damit lassen sich auch komplizierte Formen herstellen, so daß auf diese Weise hergestellte Spiralbohrer nicht mehr aus einer Rundform geschliffen werden müssen. Auch Einpritzdüsen lassen sich so mit geringem Nacharbeitsaufwand präzise herstellen.
Weitere vielversprechende Methoden sind das isostatische Pressen, bei der die Form durch Gummistempel mit diversifizierten Kraftrichtungen entsteht oder auch ein kontinuierlicher Sinterprozeß im Durchlauf-Ofen, der bislang nur für einfache Keramiken eingesetzt werden konnte, jetzt jedoch auch für Spezialwerkstoffe genutzt werden soll.
Wie unterschiedlich die Ansprüche der Industrie an Hochleistungskeramiken sein können, zeigen die seit einigen Jahren am Markt befindlichen, immer weiter modifizierten Schaumkeramiken, deren Porosität vor allem in der Chemie genutzt wird. „Der Trend geht auch hier zu Werkstoffen mit immer mehr Festigkeit durch das Einbringen von Glas oder Metall in die Hohlräume. Dazu kommen noch weitere Vorteile der Keramik, etwa die Widerstandsfähigkeit in aggressiven Medien und Temperaturbeständigkeit bis zum Hochglutbereich, wie sie Filter in Metallschmelzen benötigen“, sagt Gerlach. Auch eine direkte Beheizung dieser Medien etwa durch die mitunter sehr aggressiven Reaktionsgase in Trocknern ist mit diesen Keramiken möglich, indem die elektrische Widerstandswärme, etwa von Siliciumcarbid, genutzt wird. Die denkbaren Anwendungen sind freilich noch viel weiter zu fassen: Auch Membran- und Tiefenfilter, Katalysatorträger, Wärmetauscher oder Brennerelemente lassen sich mit solchen porösen Keramiken herstellen.

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Sensoren aus piezoelektrischen Faserstoffen für die Luftfahrt

Ein noch sehr junges Einsatzfeld sind piezoelektrische Faserstoffe aus Keramik, die als Sensoren in Leichtbaukonstruktionen, also beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt eingestzt werden können. Sensoren auf der Basis von Blei-Zirkonat-Titanat-Fasern können bereits heute plötzliche Druckereignisse in elektrische Signale umwandeln und lassen sich problemlos in Bauteile wie Flugzeugflügel einbauen.
Als Ursache, warum sich Hochleistungskeramik nur in sehr kleinen, wenn auch zahlreichen Schritten in der Praxis durchsetzt und allenfalls für Ventile von Hochleistungsmotoren, Dichtungsringe in Armaturen oder einzelne schmierstoffarme Kugellager oder Zahnräder in der Lebensmittelindustrie, aber kaum für größere Bauteile eingesetzt werden, sieht der Wissenschaftler einerseits in den noch vergleichweise höheren Preisen der gesinterten Materialien, andererseits vor allem aber in Vorurteilen und Gewohnheiten.
„Neue Werkstoffe stoßen immer auf das Problem, daß für sie zunächst über viele Jahre und Jahrzehnte Referenzen gesammelt werden müssen, um als Stand der Technik anerkannt zu werden“, meint er. Über die Präsentation auf der Hannover Messe hinaus wollen die Forscher auf dem Industrietag am 6. Mai in Dresden deshalb zeigen, wie vielfältig die Praxisreife besonders von Werkzeugwerkstoffen bereits heute ist.
Wie weit Hochleistungskeramiken auch in den Alltag vordringen, beweisen nicht zuletzt die „Ceran“-Kochfelder der jüngsten Generation, die nach erfolgreichen Tests in Dresden jetzt bei der Elektro-Gerätebau GmbH Obererdingen gefertigt werden und die eine Messepremiere erleben. Auf der nunmehr 3 mm dicken Keramikplatte werden die Heizelemente direkt in Dickschichttechnik aufgebracht, so daß die bisher üblichen Wärmeverluste zum Aufheizen der Glaskeramikplatte wegfallen. Die Stromersparnis soll bei rund 30 % liegen. „Während viele herkömmliche Materialien weitgehend ausgereizt sind, stehen wir bei den Keramiken erst an einem Anfang, und gerade das verspricht eine große Zukunft“, sagt Gerlach.
MANFRED SCHULZE
Temperaturfeste Schaumkeramik wird vor allem von der Chemie für Filter, Wärmetauscher, Brennelemente oder Katalysatorträger genutzt.
30 % weniger Energie braucht dieses Kochfeld. Seine in Dickschichttechnik aufgebrachten Heizelemente senken den Aufheiz-Wärmeverlust.

Ein Beitrag von:

  • Manfred Schulze

    Manfred Schulze ist freier Journalist für Fachzeitungen Energie, Logistik, Technologie.

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