Kugelsicher, leicht und transparent – Spinell ist besser als Glas
Amerikanische Materialforscher haben aus dem Mineral Spinell eine technische Keramik mit außergewöhnlichen Eigenschaften entwickelt: Spinell ist so transparent wie Glas, aber leichter, kratzfest und kugelsicher. Neben militärischen Anwendungen könnte das Material auch für Smartphones oder Kameralinsen verwendet werden.
Aus dem Material Spinell lassen sich beispielsweise kugelsichere Fensterscheiben oder Fahrzeugpanzerungen bauen.
Foto: Jamie Hartman/U.S. Naval Research Laboratory
Seit zehn Jahren forscht und experimentiert Jas Sanghera mit seinem Team am US Naval Research Laboratory (NRL) an einem Material, das äußerst vielversprechend, wenn nicht gar revolutionär ist. Spinell sieht aus wie Glas, ist aber eine technische Keramik, die wesentlich leichter und deutlich widerstandsfähiger ist. Sanghera und seine Kollegen wollen ihre Forschungsergebnisse jetzt der Industrie zur Verfügung stellen. Die könnte aus Spinell kugelsichere Fensterscheiben, gepanzerte Fahrzeuge oder unkaputtbare Handy-Displays und Kameralinsen herstellen.
Forscher stiegen bei der Herstellung von Spinell auf Sinterung um
Die interessanten Eigenschaften von Spinell (englisch: spinel) sind in der Materialforschung keine neue Entdeckung. Spinell ist ein häufig vorkommendes Mineral und chemisch gesehen ein Magnesiumaluminat, das auch synthetisch hergestellt werden kann. Durch Fremdbeimengungen verschiedener Metallionen können die unterschiedlichsten Farben entstehen, etwa ein roter Spinell, der als Edelstein geschliffen werden kann und einem Rubin zum Verwechseln ähnlich sieht. Mit dem reinen, farblosen Spinell haben die NRL-Forscher so lange experimentiert, bis sie daraus ein glasklares Material mit bemerkenswerten Eigenschaften herstellen konnten.
Beim Sintern wird der Spinell-Nanopuder nicht geschmolzen, sondern so stark zusammengepresst, dass sich die Partikel verdichten und alle Lufträume verschwinden.
Quelle: Jamie Hartman/U.S. Naval Research Laboratory
Der Durchbruch in ihrer Spinell-Forschung gelang Sanghera und seinen Kollegen, als sie die Herstellungsmethode wechselten. Zunächst hatten sie Spinell-Puder in einem Schmelzofen bei über 2000 Grad Celsius geschmolzen, um daraus eine Kristallstruktur in einer bestimmten Form entstehen zu lassen. „Diese hohen Temperaturen sind ein großes Problem“, sagt Sanghera. „Der Prozess ist sehr teuer und weil das geschmolzene Material mit der Umgebung reagiert, gibt es zahlreiche Unreinheiten.“ Als Alternative stiegen die Forscher auf das Sinter-Verfahren um.
Hohe Qualität durch sehr reine Chemikalien und gleichförmige Mischung
Hierbei wird der pudrige Spinell unter erhöhtem Druck und Hitze zusammengepresst. Das Ausgangsmaterial wird aber nicht geschmolzen, sondern so stark zusammengepresst, dass sich die Partikel verdichten und alle Lufträume verschwinden. Das Ergebnis ist ein glasklares Material, das in die unterschiedlichsten Formen gepresst werden kann. Die NRL sei zwar nicht die erste Forschungseinrichtung gewesen, die das Sintern als Verfahren bei der Herstellung von Spinell eingesetzt habe, sagt Sanghera. Aber durch den Einsatz von sehr reinen Chemikalien, die gleichförmig miteinander gemischt wurden, konnten sie die Qualität des fertigen Materials deutlich verbessern.
Als Verfahren bei der Herstellung von Spinell wird am US Naval Research Laboratory (NRL) Sintern eingesetzt
Quelle: Jamie Hartman/U.S. Naval Research Laboratory
An einem Problem wollen die Forscher auch weiterhin arbeiten, denn die Oberflächenstruktur der Presse drückt sich beim Sintern auf dem Spinell-Werkstoff ab. „Das kann man wegschleifen und anschließend polieren, aber dies ist der teuerste Teil des gesamten Prozesses“, sagt Sanghera. Jetzt will das Naval Research Laboratory die Herstellungsmethode für Spinell dem Verteidigungsministerium und der privaten Industrie zur Verfügung stellen, denn Anwendungen gebe es viele, meint Sanghera.
Anwendungen: Fahrzeugpanzerung, kugelsichere Fenster, Handy-Displays
Das Militär könne etwa Spinell als durchsichtige Panzerung für Fahrzeuge einsetzen oder auch als Gesichtsschutz. Ebenso könnten herkömmliche kugelsichere Fenster, die aus mehreren Lagen Kunststoff und Glas bestehen, durch Spinell ersetzt werden. Die Spinell-Gläser würden nicht nur deutlich dünner, sondern leichter sein als Glasfenster. Hinzu kommt, dass sich eine beschädigte Stelle in der Spinell-Oberfläche nicht wie bei einem Sprung im Glas durch das gesamte Material fortsetzt.
Reinigung einer Infrarot-Kamera: Eine Spinell-Oberfläche verkratzt und erodiert nicht, lässt aber – anders als Glas – Infrarot-Strahlen durch. Eine Spinell-Optik wäre also insbesondere für Infrarot-Kameras, die im All oder auf Flugzeugen stationiert sind, ideal.
Quelle: Michael Russell/U.S. Navy
Außerdem verkratzt und erodiert die fertige Spinell-Oberfläche nicht, lässt aber, anders als Glas, Infrarot-Strahlen durch. Insbesondere für Infrarot-Kameras, die im All oder auf Flugzeugen stationiert sind, wäre eine Spinell-Optik also ideal. Für den Normalverbraucher könnte die neue Technik spätestens dann spannend werden, wenn es Handy-Displays aus Spinell gibt, die keine Kratzer bekommen und jeden Sturz überstehen.
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