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02.11.2010 | Automobil + Motoren | Nachricht | Onlineartikel

Simulationsverfahren spürt bleifreie Werkstoffe auf

Autor:
Christiane Brünglinghaus

Mit einem neuen Simulationsverfahren lassen sich nun bleifreie Funktionswerkstoffe ermitteln, die Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) ersetzen können. Entwickelt wurde das Verfahren von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik (IWM) in Freiburg. Hintergrund für die Suche nach umweltfreundlichen Alternativmaterialien ist eine EU-Richtlinie, die sukzessive sämtliche bleihaltigen Materialien aus dem Auto verbannen will.

Bisher wird PZT für schnell schaltbare piezoelektrische Bauteile wie Dieselmotorinjektoren verwendet. Andere Lösungen zu finden, die ohne das Schwermetall Blei auskommen, sei jedoch schwierig, da die alternativ einsetzbaren Materialien noch nicht die gewünschten Eigenschaften aufweisen. Potenzielle Kandidaten müssen physikalisch und chemisch so modifizierbar sein, dass sie sich am Ende ähnlich gut wie PZT verhalten. Ein solches Ersatzmaterial könnte Kalium-Natrium-Niobat (KNN) sein. Es ist wie PZT als Einkristall ferroelektrisch. Doch KNN ist als Werkstoff zunächst unbrauchbar, da es als technische Keramik unkontrollierte atomare Fehlstellen und Korngrenzen im Kristallgitter aufweist. Deshalb müssen die richtigen Dotierungen beziehungsweise Fremdatome eingebracht werden, um die Eigenschaften des keramischen KNN zu verbessern. Dabei hilft nun das Simulationsverfahren. Damit lassen sich die Möglichkeiten der Dotierung ferroelektrischer Werkstoffe wie KNN mit Fremdatomen wie Kupfer berechnen. Je nachdem, an welcher Stelle des Kristallgitters Fremdatome sitzen, ergeben sich andere ferroelektrische Eigenschaften. Diese Eigenschaften und andere festkörperphysikalische Größen können durch quantenmechanische Berechnungen im Voraus ermittelt werden. Dadurch ergebe sich der Vorteil, Zeit und Geld bei der Materialentwicklung zu sparen. Denn zum einen sind nicht so viele Synthese- und Analyse-Experimente im Labor nötig. Zum anderen liefert die Computersimulation auch wichtige thermodynamische Parameter für den Sinterprozess, etwa die Druck- und Temperaturbereiche, bei denen die Bauteile hergestellt werden müssen. "Die Ingenieure erhalten quasi gleich eine Syntheseanleitung für die Materialien", erläutert Prof. Dr. Christian Elsässer, Gruppenleiter am IWM.

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