Werkstoffe 25.02.2000, 17:24 Uhr

Keramik macht Visionen greifbar

Spröd, schwer formbar, teuer? Keramik von heute ist anders. Mit auf den Einsatz maßgeschneiderten Eigenschaften löst sie Probleme, die Ingenieure früher gar nicht anzupacken wagten.

Relativ still im Hintergrund entwickeln sich die Keramiken schon längst nicht mehr. Hochleistungskeramik hat sich in den letzten Jahren zahlreiche neue Einsatzgebiete erobert. Die Materialwissenschaftler denken inzwischen sogar über völlig neue – spektakuläre – Wege nach, wie Mitte Januar auf dem Kolloquium „Vision Keramik 2000+“ im Dresdner Fraunhofer- Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe (IKTS) diskutiert wurde.
Einer der wichtigsten neuen Trends ist das molekulare Bio-Engineering. Wolfgang Pompe vom Institut für Werkstoffwissenschaft der TU Dresden sieht ein interessantes Anwendungsfeld, etwa beim Knochenersatz durch Keramiken. „Biocere“ sollen es lebenden Zellen leicht machen: Der Natur nachempfundene Fibrillen aus porenbildenden Folien, hergestellt aus Kollagen und Hydroxylapatit-Keramik, bieten ein Gefüge, in die die Körperzellen hineinwachsen und damit einen festen Verbund zwischen natürlichem Gewebe und Ersatz bilden.
Biologische Strukturen können jedoch auch noch völlig anderes als „Tool“ bei der Keramikherstellung genutzt werden. Interessant sind beispielsweise die biochemischen Andockstellen von Proteinen oder der Erbsubstanz DNS: „Die Struktur der Erbsubstanz bietet z.B. an der Base Guanin einen solchen spezifischen Bindungsplatz für Metallionen, so dass wir in der Nanostruktur der DNS einen metallischen Draht wachsen lassen können“, berichtet Pompe. Denkbar sei sogar das gezielte Zusammenfügen von DNS-Segmenten zu molekularen Steckverbindungen für Nanodrähte.
Peter Greil, Institut für Werkstoffwissenschaften in Erlangen-Nürnberg, will biomorphen Keramiken ebenfalls durch einen technischen Umbau bekannter biologischer Strukturen neue Einsatzmöglichkeiten erschließen. Er sieht vor allem Holz mit seiner Faserstruktur als ideale Ausgangsbasis, z.B. für keramische Hochleistungsfilter: Zunächst wird mit Pyrolyse eine Kohlenstoffphase erzeugt, in die dann gasförmiges Siliziumoxid gebracht wird, das sich reaktiv in den alten Zellwänden abscheidet. Die erzielte Porengröße und Materialeigenschaft kann durch die Wahl der Holzart und des Gases variiert werden, erklärt Greil. „Wir wissen noch nicht warum, aber die biologischen Strukturen der Zellwände werden durch einen ,Gedächtniseffekt“ später in den Formen der Keramik wieder sichtbar.“ Das könne unter anderem bei der Nachahmung von Wirkprinzipien des Lotuseffektes genutzt werden, weil sich auch Blattoberflächen nach dem ähnlichen Prinzip keramisch nachempfinden lassen.
Auch im Bereich der „intelligenten Bauteile“ haben sich Keramiken inzwischen als besonders geeignet erwiesen. Das gilt vor allem für die piezo-elektrischen Verbindungen, die durch die sich selbst – und dadurch auch mit ihnen verbundene Bauteile – verformen. Bereits weit fortgeschritten ist die Erprobung eines Dämpfungssystems an den Seitenleitwerken von Flugzeugen, die vor allem in steilen Anflugwinkeln bisher zu einer enormen Materialbelastung durch Vibrationen führte. „Mit den in die Beplankung eingebrachten Biegeaktoren können wir Gegenschwingungen auslösen und die Bauteile stabilisieren“, so Ursula Herold-Schmidt von Daimler Chrysler Aerospace, Friedrichshafen.
Die Piezo-Keramik befindet sich auch im Versuchsstadium bei Drehgelenk-Lagerungen des ICE, Hubschrauberrotor-Blättern oder Verdichtern von Turbinenanlagen. Selbst ein neuer Scheibenwischer für Daimler Chrysler, bei dem der Andruck des Blattes anstelle von Federn durch sensorgesteuerte Piezo-Bauteile übernommen wird, existiert bereits als Prototyp – sprengt bisher jedoch noch jegliche realistischen Preishoffnungen. MANFRED SCHULZE/KÄM
Hochleistungskeramik für Hochtemperatur-Brennstoffzellen bis 1000 °C: Perowskit-Katoden liegen auf dem Festelektrolyten aus ZrO2 mit 8 Mol % Y2O3 . Bei zu hoher Stromdichte werden aus dem Perowskit mehr Sauerstoffionen gezogen als aus der Luft nachgeliefert werden. Die Grenzschicht zerfällt.
Mikroporösität fördert die Sauerstoff-Aufnahme in der Perowskit-Katode und damit die Lebensdauer bei höherem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.

Von Manfred Schulze/Käm

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