Keramik Wie Korngrenzen Keramik-Eigenschaften beeinflussen

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Keramische Materialien kommen in zahlreichen Bereichen zum Einsatz, sei es in der Medizin, im Maschinenbau oder in der Elektronik. Um ihre Eigenschaften gezielt zu steuern haben Empa-Forscher die Korngrenzen genauer unter die Lupe genommen.

Wer schon einmal getöpfert hat, kennt den Prozess. Man nehme Ton oder Lehm – eine Mischung aus feinsten mineralischen Partikeln mit Wasser – und forme es zu einem noch rohen Grünkörper. Der Grünkörper wird getrocknet und dann bei hohen Temperaturen gebrannt. Was noch formbar und brüchig in den Ofen ging, kommt hart und widerstandsfähig heraus. Man erhält eine Keramik.Ähnliche Prozessschritte kommen auch bei der Herstellung von technischer Keramik zum Einsatz. Auch hier wird ein Grünkörper aus feinen Partikeln – den Körnern – geformt. Wird der Grünkörper gebrannt, in der Fachsprache gesintert, fügen sich die Körner zu einem durchgehenden Material zusammen.Steht bei der Alltagskeramik die Ästhetik im Vordergrund, dreht sich bei technischer Keramik alles um die Materialeigenschaften. Jeder Prozessschritt wird präzise kontrolliert. 

Unterschiedliche Ausgangsmaterialien, Korngrößen und Sinterprozesse ermöglichen es Materialforschenden, maßgeschneiderte Hochleistungskeramiken für alle möglichen Anwendungen vom Maschinenbau bis hin zur Medizin zu entwickeln. „Es ist bereits gut verstanden, wie sich die Größe und Dichte der Körner und die Art des Sinterverfahrens auf die Materialeigenschaften auswirken“, sagt Empa-Forscher Michael Stuer, Gruppenleiter im Labor für Hochleistungskeramik. In einem vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) unterstützten Projekt richten Stuer und sein Team ihren Blick deshalb nicht auf die Körner, sondern dazwischen, auf die sogenannten Korngrenzen.
Obwohl die einzelnen Körner in der gesinterten Keramik sich nicht mehr voneinander trennen lassen, bleiben sie im Material bestehen: mikroskopische kristalline „Stückchen“, die dicht aneinander liegen. Überall, wo zwei Körner aufeinandertreffen, entsteht eine Grenzfläche. Da sich die Korngrenzen physikalisch und chemisch von den Körnern selbst unterscheiden, sind sie für die Materialwissenschaft besonders interessant. Sie können etwa Defekte begünstigen oder aber wünschenswerte Eigenschaften hervorbringen.

Unbegrenzte Möglichkeiten

Die Erforschung der Korngrenzen in polykristalliner Keramik ist eine noch junge Disziplin. Mit Größen im Nanometerbereich und umschlossen von den eigentlichen Körnern lassen sie sich nur schwer vermessen und charakterisieren.  „Früher hat man Bikristalle hergestellt und untersucht, also nur zwei Körner aneinander“, erklärt Stuer. „Wir wollen nun schauen, inwiefern sich die Erkenntnisse aus diesen Grundlagenstudien auf polykristalline Materialien anwenden lassen, wie sie in der echten Welt zum Einsatz kommen.“Das Forschungsprojekt ist ambitioniert. Alleine schon die Geometrie der Korngrenzen ist komplex: Je nach dem, wie die Körner räumlich zueinanderstehen, entstehen unterschiedliche Arten von Grenzflächen. Zudem können Korngrenzen diverse chemische und strukturelle Beschaffenheiten haben. „Es gibt nahezu unbegrenzte Möglichkeiten“, sagt Empa-Forscherin Annalena Erlacher.

Durch eine gezielte Manipulation der Korngrenzen könnte man etwa die mechanischen und die optischen Eigenschaften von Keramik kontrollieren.

Michael Stuer, Gruppenleiter im Labor für Hochleistungskeramik

Um in diese Vielfalt eine systematische Ordnung reinzubringen, arbeitet Erlacher mit Aluminiumoxid. Keramiken auf der Basis dieses Minerals sind sehr verbreitet und äußerst gut untersucht. Das erlaubt den Forschenden, sich auf die noch wenig bekannten Einflüsse der Korngrenzflächen zu fokussieren. In Zukunft können ihre Erkenntnisse auch auf andere Keramiken übertragen werden. „Wir wollen eine Korngrenzentechnik entwickeln: Ein Werkzeug, mit dem man die Materialeigenschaften der Keramik steuern kann“, sagt Stuer.Zu diesem Zweck untersucht Erlacher zunächst, wie sich eine gezielte Dotierung mit Seltenen Erden auf die Korngrenzen auswirkt. Danach will sie unterschiedliche Partikelgrößen unter die Lupe nehmen sowie den Einfluss von Druck beim Sintern besser verstehen. Außerdem wollen die Empa-Forschenden Kollaborationen auf dem jungen Gebiet aufbauen, um der technischen Keramik mit der Korngrenzentechnik zu neuen Höhen zu verhelfen. „Durch eine gezielte Manipulation der Korngrenzen könnte man etwa die mechanischen und die optischen Eigenschaften von Keramik kontrollieren“, so Stuer. Allein mit dem Aluminiumoxid wären damit neue oder verbesserte Anwendungen in der Optik, der Mikroelektronik und der Medizin möglich.