Technische Keramik Neue Keramik aus China ist so biegsam wie Metall

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Chinesische Forscher haben ein neues Keramik-Material entwickelt, das so biegsam ist wie Metall. Die Weltneuheit vereine die Härte von Keramik und die Flexibilität von Metall und habe daher großes Potenzial als Werkstoff in der Auto- und Raumfahrtindustrie.

Bislang galten die Verformbarkeit und die Stärke von Keramik als zwei entgegengesetzte Eigenschaften - verbesserte man die eine, verringerte sich typischerweise die andere. Ein neues, von chinesischen Forschern entwickeltes Material vereine aber die Härte von Keramik und die Plastizität von Metall, schreibt der Leiter des Forscherteams, Chen Kexin von der Abteilung für Ingenieur- und Materialwissenschaften der chinesischen Nationalstiftung für die Naturwissenschaften (NSFC).

„Wir präsentieren einen Ansatz für das Design von verformbarem, kovalent gebundenem Siliziumnitrid (Si3N4), das eine Zweiphasen-Struktur mit kohärenten Schnittstellen besitzt,“ schreiben Chen und seine Ko-Autoren, darunter Zhang Jie vom „State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing, School of Material Science and Engineering” an der Pekinger Qinghua-Universität im Magazin „Science“.

Methode der kovalenten Bindungsbrechung/Rotation/Wiederbindung

Das neue Keramik-Material zeichne sich dank einer innovativen Methode der „kovalenten Bindungsbrechung/Rotation/Wiederbindung“ durch eine Plastizität aus, die mit der von Metall vergleichbar sei, heißt es auf der Webseite der Qinghua-Universität.

Diese Entdeckung eines verformbaren Keramik-Materials könne zur Entwicklung von „Materialien führen, die leichter und stärker sind als selbst die besten Metall-Legierungen, die es heute gibt,“ schreibt die Wissenschaftlerin Erkka Frankberg von der Tampere University in Finnland in einem begleitenden Artikel in derselben Ausgabe des Magazins Science vom 27. Oktober.

Flexible Keramik-Motoren für die Raumfahrt

Das sei unter anderem für flexible Keramik-Motoren für die Raumfahrt interessant, die damit bei wesentlichen höheren Temperaturen arbeiten und eine bessere Treibstoff-Effizienz erreichen könnten, schreibt die South China Morning Post. Aber auch die Autoindustrie und andere Industrien könnten von dem neuen Material profitieren, denken die an der Entwicklung beteiligten Wissenschaftler. So könnten damit etwa bessere und leichtere Verbrennungsmotoren gebaut werden.

Auch könnte das neue Keramik-Material zur Entwicklung besserer künstlicher Gelenke führen, hieß es. Künstliche Gelenke müssten heutzutage oft nach etwa zehn Jahren erneuert werden, mit den entsprechenden Kosten und Belastungen für die Patienten, schreibt die South China Morning Post.

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Künstliche Gelenke und Wälzlager aus Keramik

„Künstliche Gelenke aus Keramik können nach ihrer Implantation lebenslang halten,“ sagt der Forscher Chen Kexin. „Diese Keramik kann technologische Revolutionen in vielen Industrien auslösen.“

Ein weiteres Beispiel seien die Wälzlager in Windturbinen, die den Generator mit den Rotorblättern verbinden, so der Forscher. Jedes dieser Lager müsse mehrere Tonnen Druck ertragen und ihre Haltbarkeit bestimme die Lebensdauer der gesamten Anlage. Sein flexibles Silizium-Nitrid-Keramik könne zur Fertigung von Lagern mit einer längeren Lebensdauer genutzt werden und so „die Durchschnittskosten der Windenergie reduzieren“, glaubt Chen.

Keramik ist eine chinesische Erfindung und in vielen chinesischen Medienberichten war ein deutlicher Stolz auf diesen jüngsten Erfolg bei seiner Weiterentwicklung zu spüren. Schon vor 30 Jahren, als er seine Karriere begann, habe es weltweit Experimente gegeben, um die Plastizität von Keramik zu erhöhen. „Endlich haben wir einen Durchbruch geschafft,“ sagte Chen.

Brüchigkeit von Keramik setzte bisher Grenzen im Einsatz

In der Tat werden fortgeschrittene Keramik-Materialien heutzutage in vielen High-Tech-Bereichen eingesetzt, unter anderem wegen ihres relativ leichten Gewichts, ihrer Hitze-Resistenz und ihrer Härte. Doch Forschungen im Bereich der Keramik-Motoren beispielsweise waren stets an der Brüchigkeit des Materials gescheitert.

Die chinesischen Forscher lösten das Problem der Sprödigkeit von Keramik, indem sie Silizium-Nitrid-Keramik zur Formung eines Materials einsetzten, das zwei verschiedene Typen von Kristall-Strukturen gleichzeitig enthält, schreibt die South China Morning Post. Wenn diese externem Druck ausgesetzt werden, könne sich die eine davon in die andere verwandeln. So könnte sich der Werkstoff verbiegen, dann aber wieder seine ursprüngliche Form einnehmen.

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