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Neue keramische Materialien aus Kunststoffen

28.05.1997 - (idw) Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Werkstoffwissenschaften

Neue keramische Materialien aus Kunststoffen

Ein unkonventionelles Verfahren zur Herstellung technischer Keramikmaterialien wurde am Lehrstuhl fuer Glas und Keramik von Prof. Dr. Peter Greil erarbeitet. Die Vorteile des neuen Verfahrens: Die Herstellung ist preiswert, die Einsatzmoeglichkeiten vielseitig. Sie reichen von hochtemperaturbestaendigen Schutzschichten an Komponenten fuer die Energietechnik bis hin zu voellig neuen Gluehkerzen fuer eine optimierte Verbrennung im Dieselmotor.

Keramische Materialien werden traditionellerweise durch eine Hochtemperaturgluehung (Sintern) pulverfoermiger Rohstoffe hergestellt. Ein voellig neuer, stark von chemischen Techniken gepraegter Verfahrensansatz geht dagegen von siliciumhaltigen Kunststoffen ("praekeramischen Polymeren") wie z.B. Poly(carbosilanen), Poly(silazanen) und Poly(siloxanen) aus, die durch thermische Zersetzung (Pyrolyse) in keramische Hochleistungsmaterialien uebergefuehrt werden. Attraktive Vorteile dabei sind: sehr reine Ausgangsstoffe, Nutzung vielfaeltiger Formgebungsmoeglichkeiten der Kunststoffindustrie, fuer Keramiken relativ niedrige Herstellungstemperaturen von nur 1000°C bis 1400°C sowie in weiten Grenzen massschneiderbare Eigenschaften.

Allerdings koennen aus Polymeren nur duenne keramische Schichten und Fasern hergestellt werden, da die beim Aufheizen ablaufende Polymer-Keramik Umwandlung aufgrund einer starken Dichtezunahme vom Polymer (1 g/cm3) zur Keramik (3 g/cm3) mit einer ausgepraegten Schwindung einhergeht. Dadurch werden Risse und Poren erzeugt, so dass massive Bauteile bisher nicht oder nur stark fehlerbehaftet hergestellt werden koennen.

Am Lehrstuhl fuer Glas und Keramik von Prof. Dr. Peter Greil wurde ein neues Verfahren entwickelt, die Fuellergesteuerte Reaktionspyrolyse, mit dem dieses grundsaetzliche Problem geloest wird. Durch Einbau von reaktiven Fuellerpulvern, die durch Reaktion mit Zersetzungsfragmenten des Polymers bei der thermischen Umsetzung in die Keramik eine Volumenexpansion erfahren, kann die Polymerschwindung kompensiert werden und eine masshaltige Bauteilherstellung wird erreicht. Geeignete Fuellstoffe sind Karbid-, Nitrid- oder Oxidbildende Elemente oder Verbindungen wie z.B. Ti, Al, B, CrSi2, MoSi2, etc.

Gegenstand mehrerer grundlagenorientierter, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefoerderter Forschungsvorhaben, ist die Aufklaerung der bei diesem neuen Herstellungsprozess ablaufenden chemischen und physikalischen Strukturbildungsprozesse, um den Zusammenhang zwischen Materialaufbau und Eigenschaften zu verstehen. Dies ist insbesondere deswegen wichtig, weil in diesen neuartigen keramischen Materialien die Eigenschaften durch die Wechselwirkung zwischen hierarchischen Netzwerkstrukturen im Materialaufbau bestimmt werden und dadurch sprunghafte Eigenschaftsaenderungen hervorgerufen werden koennen. Beispielsweise koennen durch geringe Aenderungen der Fuellergehalte oder der Herstellungstemperaturen die elektrischen Eigenschaften von Isolator zu Leiterverhalten veraendert werden. Internationale Kooperationsprojekte zu Teilaspekten dieses Forschungsgebietes werden mit der Universitaet Suwon in Korea sowie dem Shanghai Institute of Ceramics in China durchgefuehrt.

Aufbauend auf diesen Grundlagenarbeiten werden in enger Kooperation mit der Industrie und im Rahmen von mehreren durch das Bundesministerium fuer Bildung und Wissenschaft sowie die EG gefoerderter Vorhaben anwendungsorientierte Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgefuehrt. Beispielsweise wird mit der Erlanger Firma Cesiwid daraus eine hochtemperaturbestaendige Schutzschicht auf Komponenten fuer die Energietechnik (z.B. fuer effizientere Oelbrenner), mit den Firmen MAN Technologie und Burgmann eine verschleissfeste Faserverbundkeramik fuer Hochleistungsgleitringdichtungen (z.B. in Hochdruckkompressoren der off shore Technik) sowie mit der Firma Bosch eine voellig neue Gluehkerze fuer die Optimierung der Verbrennung im Dieselmotor (Schadstoffreduzierung) entwickelt. Durch die neuentwickelten Polymerkeramikwerkstoffe kann eingesetzte Energie effizienter und sparsamer genutzt sowie Umweltbelastungen verringert werden.

Zur Zeit sind mehr als zehn ueber Drittmittel finanzierte wissenschaftliche und technische Mitarbeiter auf dem Forschungsgebiet Polymerkeramik am Lehrstuhl von Prof. Greil taetig.

Kontakt: Universitaet Erlangen-Nuernberg, Prof. Dr. Peter Greil, Lehrstuhl fuer Glas und Keramik, Institut fuer Werkstoffwissenschaften, Martensstr. 5, 91058 Erlangen Tel.: 09131/85 -7543, Fax: 09131/85- 8311


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