Die Herstellungsroute über Precursoren eröffnet keramischen Werkstoffen neue Möglichkeiten. Sie lassen sich mit Verfahren der Kunststofftechnik präzise formen und ihre Eigenschaften lassen sich gezielt einstellen.
Beispielhafte geometrische Gestaltungsmöglichkeiten der neuen Keramik
Global Precursor Ceramics
Was in der Entwicklung der Keramik mit Steinzeug, Ton und Porzellan begann, ist noch lange nicht zu Ende: Keramische Werkstoffe werden beständig neu- und weiterentwickelt, das Leistungsspektrum erreicht immer neue Höhen. In jüngster Zeit haben Hochleistungskeramiken auf Basis bestimmter Oxide, Carbide, Nitride oder Boride die Entwicklung angeführt. Herkömmliche Werkstoffe haben sie in einigen Sparten verdrängt und teilweise ist es sogar gelungen, ganz neue Werkstoffbereiche zu erschließen. Exemplarisch dafür steht die zunehmend beliebtere Anwendung von Keramiken in Wälzlagern, entweder mit Keramikwälzlager im Stahlring oder als vollkeramisches Lager.
Keramische Werkstoffe lassen sich in Silicat-, Oxid- und Nichtoxidkeramiken einteilen, die jeweils wiederum zahlreiche Untergruppen mit einzelnen Materialtypen enthalten, wie Horst Briehl im Kapitel Keramische Werkstoffe des Buchs Chemie der Werkstoffe erläutert. Silicatkeramiken wie Tongut, Mullit oder auch Glaskeramik werden im allgemeinen aus Mineralien der oberen Erdrinde erzeugt und kommen beispielsweise für die Herstellung von Porzellan, Ziegel oder feuerfesten Steinen zum Einsatz. Oxidkeramiken auf Basis von beispielsweise Aluminiumoxid oder Ferrit zeichnen sich durch ihre große Hitzebeständigkeit von teilweise über 1800 °C aus und zählen damit zu den Hochtemperaturwerkstoffen, während die teuren Nichtoxidkeramiken aus Carbiden, Nitriden, Boriden oder Siliciden extreme Härten, ausgezeichnete Festigkeiten und hohe chemische Resistenzen aufweisen.
Verbundwerkstoffe aus Keramik und Metall vereinen den hohen Schmelzpunkt und die Härte von Keramik mit der Zähigkeit, der Temperaturwechselbeständigkeit und der Schlagfestigkeit metallischer Werkstoffe. Zum Einsatz kommen diese sogenannten Cermets als Schneidwerkstoffe oder für die Auskleidung von Verbrennungskammern oder Metallschmelzen.
Keramikeigenschaften nähern sich Stahl an
Die Herstellung von Hochleistungskeramiken gliedert sich in die Schritte:
- Pulverherstellung und -aufbereitung
- Formgebung, zum Beispiel durch Extrudieren, Kalandern, Spritzgießen oder Pressen, und Nachbearbeitung des Grünlings
- Ausheizen von Dispersionsmitteln, Bindemitteln und Weichmachern
- Sintern und Nachbearbeitung des Weißkörpers
Trotz ihrer besonderen Eigenschaften nimmt man mit dem Einsatz von keramischen Werkstoffe auch Nachteile in Kauf. Dazu zählt neben der Sprödigkeit des Materials auch der hohe Preis. Insbesondere die Ausgangsmaterialien für Nichtoxidkeramiken sind teuer, ebenso die Nachbearbeitung der Weißkörper. Die aufwendige Herstellung von Keramikbauteilen geht zudem mit einer eingeschränkten geometrischen Gestaltungsfreiheit einher. Im Einsatz bereiten die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metallen und Keramiken oftmals Probleme.
Ein besonderes Herstellungsverfahren verspricht nun jedoch eine Keramik mit neuartigen Eigenschaften, die nicht nur bekannte Nachteile konventioneller keramischer Werkstoffe überwinden soll, sondern auch hochspezifische und teure Stahlzusammensetzungen zu substituieren vermag. Im Artikel Metal-like Ceramic: Keramischer Werkstoff mit neuartigen Eigenschaften der Keramischen Zeitschrift 2/22 stellt Michael Schubert, Technikleiter der Firma Global Precursor Ceramics, den Metal-like Ceramic (MLC) genannte Werkstoff vor. Mit 3,6 g/cm3 ist MLC etwa halb so schwer wie Stahl, mit 1.000 HV im Vergleich zu Stahl sehr hart, tragfähig, hochkorrosionsbeständig und temperaturbeständig bis 800 °C. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von MLC liegt mit 8·10-6/K deutlich über dem von Silizium-Nitrid-Keramik (3,5·10-6/K) und damit näher an dem von beispielsweise Wälzlagerstahl (11·10-6/K).
Polymer als Ausgangsmaterial
Neue Möglichkeiten bei der Formgebung ermöglicht dabei der Herstellungsprozess über die Precursorroute. Ausgangsmaterial ist ein mit aktiven und passiven Füllstoffen angereichertes Silikonharz, also ein Polymer. Es kann mit typischen Verfahren der thermoplastischen Kunststofftechnik wie der Extrusion oder dem Spritzguss präzise und endkonturnah in Form gebracht werden. Der entstehende Grünling wird anschließend gehärtet, wodurch das Material plexiglasähnliche Eigenschaften annimmt und sich mit geringem Werkzeugverschleiß drehen, fräsen oder anderweitig mechanisch bearbeiten lässt.
Erst mit der anschließenden Pyrolyse bei über 800 °C wandelt sich die polymere Matrix vollständig in ein keramisches Produkt um. Der Volumenschwund von 5 bis 8 % ist dabei deutlich geringer als bei konventionellen Keramiken, wo der Schwund bis zu 20 % beträgt. Schubert zufolge lassen sich mit dem Verfahren Bauteile in einer bislang ungeahnten Präzision und zu einem konkurrenzfähigen Preis herstellen, beispielsweise im Rahmen einer Kleinserienproduktion.
Precursorkeramik mit "herausragenden Vorteile"
Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, das sich ebenfalls mit Precursorkeramiken beschäftigt, berichtet gar von herausragenden Vorteilen, die sich durch diese Art der Keramikherstellung eröffnen. Zusammensetzungen, Mikrostrukturen und damit verbundene Eigenschaften von Keramiken ließen sich damit gezielt synthetisieren und auf nanoskaliger Ebene einstellen.
Laut der Universität Bayreuth lassen sich zudem die Materialeigenschaften durch eine gezielte thermische Nachbehandlung von polymer bis keramisch einstellen. Damit eigneten sie sich insbesondere für die Herstellung von thermisch und chemisch sehr beständigen polymeren und keramischen Beschichtungen sowie für keramische Fasern und Faserverbundwerkstoffe.