Die Zukunft: Transparente und sehr widerstands-
fähige Materialien, die im Rahmen eines EU-Projektes untersucht wurden.
Faserverstärkte Werkstoffe:

Bald transluzent oder transparent?

„Die Untersuchungen haben gezeigt, dass eine weitgehende Übereinstimmung der optischen Eigenschaften der Verbundkomponenten primär Voraussetzung für Transluzenz ist“, erklärt Prof. Dagmar Hülsenberg, Leiterin des Instituts für Werkstofftechnik der TU Ilmenau. Die Herstellung solcher Komposite ist allerdings eine Gradwanderung, weil eine Optimierung der zunächst widersprüchlichen Anforderungen an die gewünschte maximale Verstärkung einerseits und die bestmögliche Durchsichtigkeit andererseits erforderlich ist. Erleichtert wird dieser Weg dadurch, dass man Zwischenschichten zum Beispiel aus Titanoxid oder Bornitrid mittels CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition) auf die Fasern aufbringt. Die Erhöhung von Festigkeit und Bruchzähigkeit ist an die Wirksamkeit unterschiedlicher Verstärkungsmechanismen geknüpft. Hierbei übernimmt die Zwischenschicht, etwa in der Stärke von 30 Nanometern (Milliardstel Meter), eine Schlüsselrolle.

Um transparente, extrem widerstandsfähige Materialien geht es auch im Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe (IKTS) in Dresden. Ursprünglich ging es um die Entwicklung von Kolben für Halogenlampen, die durch das heiße Plasma stark beansprucht sind. Selbst Quarzgläser und bisher verwendete Keramiken halten dem hohen Gasdruck nicht stand und können platzen. Das IKTS hat mit Aluminiumoxid, auch als Korund bekannt, eine Lösung gefunden. Wie seine farbigen Geschwister Saphir und Rubin schmilzt Korund erst oberhalb von 2.000°C, doch kann er nicht einfach – wie bei Gläsern üblich – geschmolzen und anschließend in Form gegossen oder geblasen werden. Da die erstarrte Schmelze kristallisiert, resultieren ungünstige mechanische Eigenschaften. Deshalb verwendet man eine Temperatur etwa 200 K unterhalb des Schmelzpunktes, bei der die Pulverkörnchen sintern, also oberflächlich verbacken. Die Partikel werden dadurch größer – durch die Porigkeit streut das Licht, deshalb sind diese Hochleistungskeramiken meist trüb wie Milchglas.

Einen Ausweg haben die „Fraunhofer“ im Rahmen des EU-Projektes „Starelight”, gefunden. „Entscheidend für die Transparenz ist zunächst, dass ein Rohstoff mit Korngrößen deutlich unter einem drittel Mikrometer eingesetzt wird. In der fertigen Keramik sind sie nicht wesentlich größer als ein halber Mikrometer. Daher wird das Licht kaum gestreut“, betont Dr. Andreas Krell, Projektleiter des IKTS. Möglich wird dies bei einer um 600 K niedrigeren Sintertemperatur als bisher. „Wir konnten die Prozesse so aufeinander abstimmen, dass die Keramik trotz dieser niedrigeren Temperatur am Ende nahezu porenfrei ist. Transparenz und hohe Festigkeit sind die Folge“, so Krell. Dieser interessante Ansatz mit Nanopulvern ließe sich möglicherweise auch auf andere Systeme, wie faserverstärkte Gläser, übertragen.