Autor: Anika Peucker

Poröse Keramik und Keramikschäume: Keine Schaumschläger, sondern robuste Realität

27. April 2017

Sehen Sie sich einmal das Bild der porösen Hochleistungskeramik an: Was sehen Sie? Ich sehe: Eine zellartig, löchrige Struktur. Auf den ersten Blick erscheint sie wenig robust, stabil, hitzebeständig oder langlebig. Doch genau das Gegenteil ist der Fall. Denn all diese Eigenschaften, die uns das Bild nicht zeigt, wir jedoch aus Erfahrung und unserer Forschung kennen, zeichnen poröse Keramik und Schaumkeramik aus. Anwendungsfelder gibt es viele. Zwei stelle ich Ihnen vor. Tauchen Sie mit ein.

Typische Struktur einer offenzelligen Schaumkeramik.
© Fraunhofer IKTS
Typische Struktur einer offenzelligen Schaumkeramik.
Zelluläre Keramik mit offener Porosität (Schaumkeramik).
© Fraunhofer IKTS
Zelluläre Keramik mit offener Porosität (Schaumkeramik).
Keramikbestandteile: Auf die Mischung kommt es an.
© Fraunhofer IKTS
Keramikbestandteile: Auf die Mischung kommt es an.

Mehr Sicherheit in der Metallveredelung

Bei Schmelztauchanlagen beispielsweise für Metall sind die Umlenk- und Führungsrollen stark belastet. Das bedeutet: Ein Risikofaktor für den zuverlässigen Anlagenbetrieb. Denn beim Eintauchen in das heiße Metallbad kommt es thermisch bedingt zur Gasausdehnung in den Hohlräumen der Rollen. Wird das Gas nicht gezielt abgeleitet, steigt der Druck in der Hohlrolle so weit an, dass sie häufig berstet. Poröse Keramiken können dieses Platzen durch einen kontrollierten Druckausgleich verhindern.

Poröse Kermiken, das sind poröse, zelluläre Werkstoffe, die in ihrem Erscheinen an einen Schwamm erinnern, in ihrer Festigkeit und Stabilität jedoch robust sind. Zudem trotzen sie – abhängig vom eingesetzten Keramikmaterial – Temperaturen von mehr als 1000 °C ohne auch nur ihre Form zu verlieren. Dazu kommt, dass sie kaum korrodieren oder verschleißen. Insbesondere Siliciumcarbid (SiC) zeichnet sich als aktive Sicherheitseinrichtung in der Schmelzmetallurgie aus.

Aber zurück zu den Hohllagern. Unsere Wissenschaftler haben nun eine poröse SiC-Keramik mit einer Porengröße von nur 10 µm und ein Porenvolumen von ca. 40 Prozent entwickelt, die gasdurchlässig jedoch für die Metallschmelze selbst undurchlässig ist. In Form einer kleinen Scheibe wird diese in das Lager der Hohlrolle eingesetzt. Die Folge: eine gezielte Entlüftung des Bauteils. Das expandierende Gas, das beim Abtauchen der Rollen in die Schmelze entsteht, sucht sich gleichmäßig seinen Weg in die Schmelze. Die poröse gasdurchlässige Keramik wurde bereits für Aluminium- und Zinkschmelzen unter Labor- und Industriebedingungen erfolgreich getestet.

Die Kollegen entwickeln das Material ständig weiter, variieren die Zusammensetzung, ändern deren Mischungsverhältnis und Porenmorphologie, um neue Anwendungsfelder zu erschließen. Ihnen schießen gerade Ideen für solch neue Anwendungsfelder durch den Kopf? – Sprechen Sie uns an! Lassen Sie sie uns gemeinsam weiterentwickeln und realisieren.

Schaumkeramikbauteile aus verschiedenen Keramiken.
© Fraunhofer IKTS
Schaumkeramikbauteile aus verschiedenen Keramiken.
Korn-Preformen und Verbundwerkstoffe.
© Fraunhofer IKTS
Korn-Preformen und Verbundwerkstoffe.
Schaum-Preformen und Verbundwerkstoffe.
© Fraunhofer IKTS
Schaum-Preformen und Verbundwerkstoffe.

Schaumkeramik verbessert das E-Modul hochbelasteter Metallbauteile

Aber nicht nur zum Druckausgleich eignen sich poröse Keramiken. Auch die Lebensdauer von hochbelasteten Metallkomponenten können sie, beispielsweise in Form von Keramikschäumen, verbessern. Keramikschäume besitzen die gleichen genannten Eigenschaften hinsichtlich Hitzebeständigkeit und Stabilität. Sie unterscheiden sich jedoch in der Feinheit Ihrer Poren. Schaumkeramiken sind in ihrem Porenbild gröber. Die feinsten Schäume, die unsere Wissenschaftler derzeit herstellen, liegen bei einer Porengröße von ca. 200 µm und einem Porenvolumen von 85 bis 90 Prozent. Dennoch ihre Bruchzähigkeit gepaart mit ihrer Formenvariabilität und Leichtigkeit prädestiniert sie dazu, Bauteilen aus Leichtmetall oder Grauguss zu stabilisieren. Obendrauf noch preiswert.

Metallische Bauteile sind in ihrer Festigkeit und Steife limitiert. Sie müssen häufig jedoch hohen mechanischen Beanspruchungen standhalten. Meist wirken ebenso harsche thermische Bedingungen auf die Komponente ein, was sie insgesamt verschleißanfällig macht. Verstärkt man nun nur die beanspruchten Metallteile mit einer porösen Einlage aus Keramik, einer sogenannten Preform, kann das Elastizitätsmodul, ein Stabilitätsfaktor für Material, um 30 Prozent erhöht werden. In Sachen Sicherheit eine bemerkenswerte Größe.

Als Verstärkermaterial werden je nach Randbedingung Preformen aus partikelversinterter Keramik oder Schaumkeramiken verwendet. Der Unterschied liegt insbesondere im enthaltenen Keramikanteil, der Korngröße und Herstellung. Korn-Preformen beinhalten mehr Keramik, Schaumkeramik etwas weniger. Beide wirken sich posititv auf die Lebensdauer der Anlagenkomponenten aus. Nicht nur, weil sich die raue Oberfläche mikrometergenau mit dem Metall verzahnt. Anlagenbetreiber erreichen mit einer Keramikstabilisierung verschleißanfälliger Bauteile preiswerte Qualitäts- und Sicherheitszuwächse. Dies kann ein wettbewerbsbestimmender Faktor sein.

Filter, Katalysatorträger, Brenner, Reformer, Solarreceiver, Heizelement oder auch Knochenersatzmaterial – all diese Felder eröffnen Möglichkeiten für poröse Hochleistungskeramiken. Lesen, sehen oder hören Sie mehr zu unserer Materialforschung, Analyse und Systemen hier im Blog, auf Facebook, Instagram, YouTube oder Twitter. Lassen Sie sich auch gerne informieren: Ganz praktisch mit unserem IKTS-Newsletter.