Neue keramische Werkstoffe
Im Projekt BISM (Bio-inspired structural materials) wurden keramische Suspensionen unter Verwendung einer als Gefriergießen (Gießen in Eisformen) bekannten Methode gefroren, wodurch keramische Polymerwerkstoffe von herausragender Zähigkeit gebildet wurden. Die so entstandenen porösen Gerüste wurden anschließend mit einem Metall oder Polymer gefüllt, um perlmuttartige Verbundwerkstoffe zu erhalten. Als natürlich vorkommendes Stoffgemisch weist Perlmutt eine Zähigkeit auf, die mehrere Größenordnungen über der ihrer Bestandteile liegt. Die Forscher bedienten sich des Gefriergussverfahrens auch, um hochporöse Zellstrukturen auf Basis von Graphen herzustellen. Hierdurch konnten die Wissenschaftler Dichte, Zellengröße und Form der Struktur verändern, was sich wiederum auf ihre Oberfläche, Elastizität, spezifische Festigkeit, ihren Energieverlustkoeffizienten und ihre Leitfähigkeit auswirkte. Es wurde auch nach möglichen neuen Anwendungen geforscht, für die das Verfahren genutzt werden könnte, etwa im Bereich der Energiedämpfung, für drucktolerante Superkondensatoren oder Katalysatoren und für alle Anwendungen bei denen Absorption, Abscheidung oder Filtration erforderlich ist. Zur Schaffung komplexer Strukturen wurden die im Gefriergussverfahren verwendeten Eisformen um "weiche Formen", insbesondere Emulsionen, erweitert. Hierdurch wurden keramische Partikel geschaffen, deren Zusammenlagerung und Desintegration in einer Emulsion durch äußere Reize gesteuert werden kann. Mit dieser Technik können keramische Gerüste erzeugt werden, die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit und zugleich eine hohe Porosität aufweisen, wobei auf diese Eigenschaften so Einfluss genommen werden kann, dass die gewünschte Porengröße erzielt wird. Die Projektergebnisse bereiteten der groß angelegten Fertigung komplexer poröser Strukturen und Verbundwerkstoffen mit geringem Gewicht den Weg. Durch die Kombination aus Werkstoffwahl und struktureller Steuerbarkeit konnten einzigartige Eigenschaften erzielt werden, die für viele verschiedene Anwendungen zahlreiche neue Möglichkeiten eröffnen. Zu diesen Anwendungen zählen Filter, Gerüste oder keramische Beschichtungen, welche in der Gewebetechnik, bei keramischen Wärmesperrbeschichtungen oder bei Membranen zur Temperatursteuerung zum Einsatz kommen. Durch BISM konnten neue Daten zum Verhalten kolloider Suspensionen und Emulsionen, zum Wachstum von Kohlenstofffasern und zu den Parametern, die für das mechanische Verhalten komplexer Strukturen verantwortlich sind, generiert werden. Für im Bereich Materialwissenschaft, Chemie und Biologie tätige Unternehmen werden die Erkenntnisse aus diesem Projekt daher von großer Bedeutung sein. Von besonders hohem Interesse werden die knochenähnlichen keramischen Werkstoffe sein, die in orthopädischen Implantaten verarbeitet werden sollen. Die keramisch-metallischen Hybridwerkstoffe wurden für die Verwendung bei sehr hohen Temperaturen und unter Extrembedingungen entwickelt.
Schlüsselbegriffe
Keramische Werkstoffe, Strukturwerkstoffe, Gefriergießen, poröse Gerüste, kolloide Suspensionen, Emulsionen
