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Hochleistungskeramiken - vielversprechende, aber schwierige Werkstoffe

Gebrannter Ton ist das erste künstliche Material der Menschheit gewesen. Moderne Hochleistungskeramiken verfügen über unvergleichlich mehr hervorragende Eigenschaften, sind aber auch spröde. Bei keinem anderen Werkstoff liegen Vorteilhaftes und Nachteiliges so eng beieinander. So vollzieht sich der Durchbruch in viele Anwendungsbereiche nicht so schnell wie erwartet. Gleichwohl sind Hochleistungskeramiken als Werkstoffe der Zukunft und als Garanten für viele neue Technologien anzusehen.

Von Günter Petzow und Fritz Aldinger



Die Werkstoffe und die mit ihnen verbundenen Techniken sind für alle modernen Industrien strategisch wichtig, da sie unmittelbar die Wettbewerbsfähigkeit von Produkten und damit die der Unternehmen selbst beeinflussen. Besonders groß ist das Interesse an neuen Werkstoffen immer dann, wenn mit ihrer Hilfe neue technische Konzepte zum Durchbruch kommen oder für bestimmte Anwendungen gezielt Eignungsprofile optimiert werden können.

Wenn dies auch gleichermaßen für alle Werkstoffe gilt, so haben doch überall in letzter Zeit das Umweltbewußtsein, der steigende Energiebedarf und die beschränkte Verfügbarkeit mancher Rohstoffe die Aufmerksamkeit auf eine in vieler Hinsicht vielversprechende Werkstoffklasse gelenkt: die Hochleistungskeramiken (Bild 1). Im Ensemble aller Werkstoffe gehören zu den Keramiken alle festen Materialien, die weder metallisch noch organisch sind; darunter bilden die Hochleistungskeramiken eine neue, eigenständige Gruppe, die bereits beachtliche Anwendungserfolge zu verzeichnen hat und der zudem ein hohes Potential für weitere technische Nutzungen zugeschrieben wird.

Diese Werkstoffgruppe ist so jung, daß noch nicht einmal die Nomenklatur feststeht – Bezeichnungen wie Ingenieur- oder Sonderkeramiken, high-tech ceramics, advanced oder fine ceramics sind ebenfalls gebräuchlich. Sie basiert auf Materialien, die prinzipiell seit langem bekannt sind: Oxiden, Nitriden, Carbiden und Boriden vorzugsweise des Aluminiums, des Siliciums und der Metalle der 4. und 6. Nebengruppe des periodischen Systems der Elemente. Bemerkenswert ist dabei vor allem, daß vorzugsweise leichte Elemente wie Sauerstoff, Stickstoff, Silicium und Kohlenstoff, die auf der Erde reichlich und leicht verfügbar sind, am Aufbau der Hochleistungskeramiken beteiligt sind. Aus einer Gruppe von anorganischen Verbindungen ist somit eine eigenständige Werkstoffklasse geworden, die im Grunde genommen mit den traditionellen Keramiken – wie den Töpferwaren und Porzellanen, die aus Naturstoffen wie Tonen, Sanden und Kaolinen hergestellt werden – so gut wie nichts mehr gemein hat (Bild 2).

Herstellung und Verarbeitung

Hochleistungskeramiken werden wie viele konventionelle Keramiken und alle pulvermetallurgischen Werkstoffe aus Pulvern hergestellt, die man zu einem sogenannten Grünkörper verpreßt und anschließend durch Sintern verdichtet. Beim Sintern verbacken die Pulverteilchen entweder direkt (Festphasensintern) oder mittels einer Schmelze, die wie ein Kleber wirkt (Flüssigphasensintern).

Die Festigkeit der entstehenden Keramik hängt wesentlich von Defekten ab, die bei dem komplizierten Verdichtungsprozeß immer auftreten (Bild 3). Unregelmäßigkeiten im Grünkörper, beispielsweise Dichteschwankungen, Tex-turunterschiede und Konzentrationsinhomogenitäten, oder auch durch unsauberes Hantieren eingeschleppte Fremdteilchen können beim anschließenden Sintern in den seltensten Fällen ausgeglichen werden. Im allgemeinen vergrößern sich die Fehler aufgrund der beim Sintern des Grünkörpers ablaufenden unterschiedlichen Schwindungsvorgänge.

Der Verarbeitungsprozeß der Hochtechnologie-Keramiken ist mehrstufig und dem der Pulvermetallurgie in vielem sehr ähnlich. Er fängt mit der Pulverherstellung an, der sich die Aufbereitung, die Formgebung, das Verdichten sowie die Fertigteilprüfung hinsichtlich Gefüge und Eigenschaften anschließen. In jeder Stufe können Fehler auftreten, die in der nachfolgenden nicht mehr zu korrigieren sind. Einige dieser Probleme, deren Lösung für die Prozeßtechnik von großer Bedeutung ist, seien kurz angeführt: Bei der Pulverherstellung ist es die möglichst innige (molekulare) Vermischung, bei der Aufbereitung das Vermeiden harter Agglomerate, bei der Formgebung das Erzielen hoher Dichte und beim Pressen das von glasfreien Korngrenzen.

Bereits die Präparation des Ausgangsmaterials ist also entscheidend für die Qualität des Endprodukts. Für Hochleistungskeramiken muß mit extrem feinem Pulver gearbeitet werden; die Größe der Teilchen liegt zwischen 0,1 und 0,005 Mikrometern (tausendstel Millimetern). In solch feinen Pulvern bilden sich sehr leicht Agglomerate mit Abmessungen zwischen 10 und 100 Mikrometern, welche die Herstellung gleichmäßiger Grünkörper verhindern. Selbst beim Pressen mit hohen Drücken bleiben darin noch Relikte der Agglomerate erhalten; der Körper sintert dann ungleichmäßig, und es entstehen festigkeitsmindernde Fehler im Werkstück. Eine Grundvoraussetzung sind also sinteraktive Pulver von höchster Reinheit mit Teilchengrößen im Submikrometerbereich. Weltweit hat sich deren Herstellung zunehmend auf die chemische Synthese verlagert, weil dadurch Feinstpulver – im Einzelfall sogar ohne weitere Mahlung – hergestellt werden können.

Wenn also schon das Pulver über die Qualität des Werkstücks entscheidet, ist eine rückkoppelnde Kontrolle zwischen den einzelnen Verfahrensstufen unerläßlich. Das gilt insbesondere auch für den Übergang von der Laborpräparation in die Pilot- oder Großfertigung. Erfahrungsgemäß ist gerade dieser Schritt extrem schwierig und wirft häufig Probleme spezieller Art auf.

Die durch die Verarbeitungstechniken bedingte Fehlervielfalt ist letztlich die Ursache für die schwierige Reproduzierbarkeit der guten Eigenschaften von Hochleistungskeramiken, also für ihre Unzuverlässigkeit. Diese Nachteile werden aber durch zunehmende verfahrenstechnische Beherrschung des Herstellungsprozesses weitgehend reduziert und spielen eine immer geringere Rolle.

Der Erfolg solcher Bemühungen kann an der Steigerung der Festigkeit und Zuverlässigkeit der gesinterten Keramiken gemessen werden. Maß für die Zuverlässigkeit ist der (nach einem schwedischen Ingenieur benannte) Weibull-Parameter, wobei ein hoher Wert eine geringe Streuung der Festigkeit charakterisiert – schlechthin das Ziel jeder Keramikentwicklung für den Einsatz im Maschinen- und Motorenbau. Ein Weibull-Parameter von 32, bis vor kurzem für keramische Werkstoffe als nicht machbar angesehen, ist durchaus mit dem von Metallen zu vergleichen.

Hohe Zuverlässigkeit ist die Voraussetzung für eine sichere Prognose der Einsatzdauer, die als Grundlage jeder Konstruktion dient. Die Herstellung keramischer Werkstoffe erfordert also in noch höherem Maße, als das bei anderen Werkstoffen der Fall ist, ein integriertes, auf jeder Stufe vom Rohstoff bis zum Bauteil angepaßtes Vorgehen.


Aufbau und Eigenschaften

Die allein schon kombinatorisch sich ergebende Mannigfaltigkeit der Verbindungen jener chemischen Elemente, aus denen Hochleistungskeramiken bestehen (Bild 4), charakterisiert auch deren Eigenschaften. Trotz vieler Gemeinsamkeiten unterscheiden sie sich auf vielfache Weise, weil sich die chemischen Bindungsarten überlagern. Die jeweiligen Kristallstrukturen einer metallisch, ionogen oder kovalent dominierten Keramik beeinflussen die Stoffeigenschaften mit. Ein Teil der Hochleistungskeramiken hat daher beispielsweise metallischen Charakter, insbesondere in bezug auf thermische und elektrische Eigenschaften. Vorherrschend sind jedoch die Ionenbindung und die kovalente Bindung.

Die Vielfalt der Eigenschaften macht die Hochleistungskeramiken attraktiv, wobei die hervorragenden Hochtemperatureigenschaften, die gute Verschleißfestigkeit (Bild 5) und Wärmedämmung sowie die extreme Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit besonders hervorstechen. Solche Besonderheiten finden sich bei keiner anderen Werkstoffgruppe. Interessant sind zudem viele Eigenschaftskombinationen wie gute Wärmeleitung und hohe elektrische Isolation oder gute Schneidfestigkeit und hohe Thermoisolation.

Sprödigkeit

Vorteilhafte Eigenschaften kommen jedoch nur zur Geltung, wenn die nachteiligen unterdrückt oder eliminiert werden. Das Anwendungsspektrum der Hochleistungskeramiken könnte noch erheblich breiter sein, wenn es gelingt, die Kenntnis- und Erfahrungslücken zu schließen und die technische Optimierung dieser schwierigen Werkstoffklasse voranzubringen. Allerdings stößt man dabei im Falle der Sprödigkeit auf grundsätzliche Probleme.

Alle keramischen Werkstoffe – auch die Hochleistungskeramiken – können Spitzenspannungen, wie sie bei schlagartigen mechanischen Beanspruchungen oder starken Temperaturwechseln entstehen, nicht wie die Metalle durch plastische Verformung abbauen. Sie zerbrechen spontan. Unter üblichen Bedingungen ist die Plastizität der Keramiken so gering, daß sie fast immer im elastischen Bereich der Spannungs-Dehnungs-Kurve versagen.

Die makroskopische Beschreibung der Zähigkeitsverbesserung von Keramiken sagt noch nichts darüber aus, wie sie zu erreichen sei. Dazu muß man die Spannungsverteilung bei einem Riß detailliert untersuchen. Die Spannung vor der Rißspitze wird durch Einlagerungen, Korngrenzen, Inhomogenitäten, Poren oder Mikrorisse beeinflußt. Diese bewirken energieverzehrende Prozesse wie Rißverzweigung sowie Bildung und Vergrößerung von Mikrorissen. Eine Erhöhung des Rißwiderstandes bedeutet einen Schritt in Richtung auf die hypothetische Streckgrenze. Aber auch dann breitet sich der Riß nach Erreichen einer kritischen Spannung katastrophal aus. Erst wenn die vorhandenen Inhomogenitäten auch bereits laufende Risse aufhalten, kann ein metallähnlicher (quasiduktiler) Verlauf erreicht werden.

Damit zeichnen sich Möglichkeiten zur Verbesserung des Bruchwiderstandes von Keramiken ab; und weil sie nicht an das Kristallgitter geknüpft sind, können sie unter Umständen auch auf andere Sprödstoffe wie die Gläser übertragen werden. Wichtige Beispiele für solche Verstärkungsmechanismen sind die Einlagerung von Teilchen und Whiskern (einkristallinen Fäserchen) sowie die Devitrifikation, die Kristallisation der Glasphase in den Korngrenzen. Alle diese Mechanismen bezwecken prinzipell die Aufnahme von Bruchenergie.

Etwas vereinfacht ergeben sich zwei Wege, die Sprödigkeit zu verringern: Minderung der kritischen Fehlergröße, die durch eine höhere Verarbeitungsqualität bis hin zur Fertigung in Reinräumen erreicht werden kann, und Erhöhung des kritischen Bruchwiderstandes, die durch Gefügeoptimierung ohne oder mit zusätzlichen Verstärkungsmechanismen zu erzielen ist (Bild 5).

Eine sehr positive Auswirkung der Gefügeoptimierung ist die erhöhte Toleranz gegenüber mechanischen Beanspruchungen. Das macht sich auch bei der Bearbeitung günstig bemerkbar. Während beispielsweise Schleifen und Sägen bei herkömmlichen Keramiken zwangsläufig Oberflächenrisse verursachen, übersteht eine entsprechend optimierte Zirkoniumoxid-Keramik diese Prozeduren praktisch ohne Schädigung. So können auch sehr dünne Teile – zum Beispiel Blättchen von nur 80 Mikrometern Dicke, was weniger ist als die Dicke einer Rasierklinge – durch normales Überschleifen hergestellt werden.

Eine plastische Verformung von Hochleistungskeramiken ist in der Regel auszuschließen und kann nur unter extremen Bedingungen (höchsten Drücken und Temperaturen), die jedoch für eine technische Fertigung nicht relevant sind, erreicht werden. Allerdings ist bei sehr feinkörnigen Hochleistungskeramiken mit Korngrößen im Nanometerbereich eine plastische Formgebung möglich.

Anwendung

Nach den wichtigsten in der Praxis genutzten Eigenschaften werden die Hochleistungskeramiken in Elektro- und Magnetokeramik, Optokeramik, Chemo- und Biokeramik, Thermokeramik, Mechanokeramik und Nuklearkeramik unterteilt. Diese Werkstoffgruppen können wieder nach ihren Einsatzgebieten klassifiziert werden (Bild 6).

In sehr grober Vereinfachung unterscheidet man oft auch lediglich die Struktur- und die Funktionskeramik. Zu den Strukturkeramiken, manchmal auch Industrie- oder Ingenieurkeramik genannt, zählt man Werkstoffe, die vorwiegend mechanischen Belastungen standhalten müssen. Funktionskeramik sind Werkstoffe, die elektrische, magnetische, dielektrische, optische oder auch andere überwiegend nichtmechanische Funktionen haben.

Ein Problem bei dieser Einteilung liegt darin, daß fast alle Funktionskeramiken auch mechanischen Beanspruchungen (oft sogar sehr hohen) unterliegen, selbst wenn bei ihrem Einsatz andere Werkstoffeigenschaften genutzt werden oder sogar im Vordergrund stehen. Ob eine bestimmte Keramik zur Struktur- oder Funktionskeramik gerechnet wird, unterliegt somit häufig der Ansicht des Betrachters. Dies gilt vor allem für Wärmedämmstoffe, Wärmeleiter und Substrate (bei denen oft erhebliche mechanische Spannungen als Folge von Temperaturunterschieden entstehen), des weiteren für Implantate sowie für Brennstoffzellen, bei denen die mechanischen Eigenschaften ebenso wichtig sind wie die funktionellen. Daher ist diese Unterscheidung wenig hilfreich.

Keramische Werkstoffe können jedenfalls Extremes leisten. Sie dienen zum Beispiel als Wärme- und Korrisionsschutzschichten, als Gleitringdichtungen und Schneidwerkzeuge, Laserkristalle und Knochenersatz. Sie haben die Computertechnologie und die Telekommunikation vorangebracht; für den Motoren- und Turbinenbau sind sie aufgrund ihrer besonderen Qualitäten geradezu prädestiniert. Die Anwendungsbreite der Hochleistungskeramiken wird ohne Zweifel noch expandieren.

Zu dieser optimistischen Prognose berechtigt, daß neue Produkte für neue Technologien – zum Beispiel der Automobilmotor mit vielen keramischen Teilen – schon in den nächsten Jahren verstärkt auf den Markt drängen werden (siehe Seite 14). Die größten Zuwachsraten werden für Biokeramiken erwartet, ebenfalls sehr hohe für optische Fasern und Motorenkeramik. In allen drei Fällen muß allerdings berücksichtigt werden, daß die Marktvolumina zur Zeit noch sehr gering sind; doch werden in Japan immerhin schon jährlich etwa 400000 keramische Turbolader-Rotoren aus Siliciumnitridlegierungen gefertigt, die Temperaturen zwischen 900 und 1000 Grad Celsius und ungefähr 160000 Umdrehungen pro Minute aushalten (Bild 2 rechts).

Bei verschiedenen Anwendungen der Elektrokeramik ist ebenfalls weiteres Wachstum zu erwarten, obgleich das Po-tential bereits großenteils realisiert werden konnte. Generell dürften die schon etablierten Anwendungen der Hochleistungskeramik um jährlich 6 bis 10 Pro-zent zunehmen. Höhere Steigerungsraten können nur erzielt werden, wenn neue Produkte wesentliche Marktanteile erobern, zum Beispiel keramische Ventile oder Kugellager.

Das Volumen der von der Hochleistungskeramik abhängigen Folgemärkte wird auf mindestens das Zehnfache dieser Summen geschätzt. Wegen der grandiosen Möglichkeiten einerseits und der technologischen Probleme andererseits ist allerdings eine Einschätzung des wirtschaftlichen Potentials sehr schwer. Ein Handicap der Hochleistungskeramik ist auch die im Vergleich zu eingeführten Werkstoffen geringe Wirtschaftlichkeit. Da eine erfolgreiche Labor- und Technikumsentwicklung wie dargelegt für die Serienfertigung nicht hinreichend ist, muß beträchtlich in produktionsgerechte Einrichtungen investiert werden – ein Risiko, zu dem verständlicherweise nur wenige Unternehmen bereit sind. Es gibt aber Beispiele dafür, daß die Serienproduktion keramischer Bauteile bei Steigerung von Produktionsraten und Ausnutzung von Rationalisierungseffekten die Wirtschaftlichkeit erheblich verbessern kann. Bei der Herstellung von Turbolader-Rotoren ist es zum Beispiel gelungen, die Produktionszahlen in viereinhalb Jahren um etwa das 17fache zu steigern, damit eine Kostensenkung um erstaunliche 93 Prozent zu erreichen und so schon unmittelbar in das Kostenniveau der eingefahrenen Konkurrenzwerkstoffe zu kommen.

Der Einsatz von Hochleistungskeramiken wurde und wird auch immer noch dadurch behindert, daß viele Ingenieure und Konstrukteure keine Erfahrungen mit diesen relativ neuen Werkstoffen haben. Das ändert sich nur sehr langsam. Inzwischen werden aber doch schon bei vielen Anwendungen ihre Vorteile anerkannt, und immer mehr Ingenieure sind bereit, ihren Einsatz zu erwägen.

Die Gründe für die zögerliche Einführung statt eines raschen Durchbruchs auf breiter Marktfront sind technische Probleme bei der Herstellung und Verarbeitung, ungenügende Kenntnisse bei der Konstruktion und Handhabung und die inhärente Sprödigkeit. Hochleistungskeramiken sind schwierige Werkstoffe, deren Beherrschung noch keine Routine ist und zu deren technischer Optimierung viele Kenntnisse und Erfahrungen fehlen: Grundlagenforschung ist weiterhin vonnöten.

Die Ausnutzung des großen Marktpotentials hängt von jeweils erfolgreichen Konstruktionen, der kostengünstigen Herstellung und verbesserter Zuverlässigkeit ab. Deshalb ist weltweit eine systematische wissenschaftliche Durchdringung dieser noch stark in der Entwicklung stehenden Werkstoffgruppe in Gang gekommen, an der führende Forschungslaboratorien von Industrie, wissenschaftlich-technischen Gesellschaften und Universitäten bei oft beachtlicher staatlicher Förderung beteiligt sind. Neue Forschungszentren und Studiengänge sind gegründet worden oder geplant, spezielle technische Entwicklungen und Produktionsprogramme angelaufen oder in Vorbereitung. Dies trifft durchweg für alle Industriestaaten zu; aber auch viele Schwellenländer fördern, oft in Unterschätzung der erforderlichen technischen Aufwendungen, entsprechende Forschungsinitiativen.

Die Beherrschung der Hochleistungskeramiken gilt zunehmend als eine Voraussetzung für künftige technologische Entwicklungen, und zwar nicht nur im High-Tech-Bereich. Mit ihrer Hilfe sind manche Konzepte zu verwirklichen, die bisher am Fehlen geeigneter Werkstoffe scheiterten. Die Hochleistungskeramiken eröffnen also grundsätzlich neue Möglichkeiten der Werkstoff- als einer Schlüsseltechnologie. Zudem werden sie auch mit traditionellen Werkstoffen in einem gewissen Ausmaß konkurrieren können, wenn das Preis-Leistungs-Verhältnis stimmt.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1993, Seite 102
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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