Eine neue chinesische Keramik kann sich tatsächlich wie Metall biegen

Oct 04, 2023

NiseriN/iStock

Mit der Anmeldung stimmen Sie unseren Nutzungsbedingungen und Richtlinien zu. Sie können sich jederzeit abmelden.

Chinesische Forscher haben die erste Keramiksubstanz der Welt geschaffen, die sich wie Metall biegen kann. Sollte diese Entwicklung zutreffen, könnte sie künstliche Gelenke und die Motorleistung verbessern.

Vor dieser Entdeckung glaubte man allgemein, dass Flexibilität und Festigkeit einer Keramik Gegensätze seien und dass sich das eine verschlechtern würde, wenn das andere besser würde.

Chen Kexin, ein Materialwissenschaftler, der die Forschung leitete, sagt, dass das neue Material das erste Mal sei, dass Wissenschaftler gleichzeitig stärker und leichter gemacht hätten. Es hat die Härte von Keramik und die Flexibilität von Metall.

„Diese Keramik kann in vielen Branchen technologische Revolutionen bewirken“, sagte Chen, Professor an der Abteilung für Ingenieurs- und Materialwissenschaften der National Natural Science Foundation of China.

Am 27. Oktober veröffentlichten Chen und Mitarbeiter der Tsinghua-Universität ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Science. In einem Meinungsbeitrag in derselben Ausgabe von Science sagte Erkka Frankberg von der Universität Tampere in Finnland, dass die Entdeckung „zu Materialien führen könnte, die leichter und fester sind als selbst die besten Metalllegierungen von heute“.

baranozdemir/iStock

„Seit ich vor 30 Jahren meine Karriere begonnen habe, wird weltweit über die Plastizität von Keramik geforscht. Man kann sagen, dass wir heute endlich einen Durchbruch bei diesem Thema erzielt haben“, sagte Chen.

Die Wissenschaftler schufen Nanosäulen mit zwei unterschiedlichen Kristallformationen aus Siliziumnitrid. Wenn eine äußere Kraft auf eine Kristallstruktur einwirkt, kann sie sich in einen anderen Typ verwandeln. Dadurch kann sich das Material biegen, bevor es wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrt.

Der Stoff könnte besonders vorteilhaft für die Herstellung von Flugzeugmotoren sein. Keramische Materialien sind langlebig, leicht und hitzebeständig. Flexible Keramikmotoren funktionieren möglicherweise bei deutlich höheren Temperaturen und mit weitaus besserer Kraftstoffeffizienz als typische Legierungsmotoren.

Ein Keramikmotor könnte sich viel schneller bewegen als ein Legierungsmotor, da er viel leichter wäre. Die Belastung anderer Komponenten wird durch die Gewichtsreduzierung des Motors verringert.

Der Stoff könnte auch auf Automotoren angewendet werden. Ein Keramikmotor verfügt möglicherweise über einen kleineren Kühlmitteltank, da Keramikmaterialien eine höhere Hitzebeständigkeit als Legierungen aufweisen. Die höheren Verbrennungstemperaturen eines Keramikmotors könnten zu mehr Schub und weniger Umweltverschmutzung führen.

Keramiken aus Siliziumnitrid können beim Gelenkersatz Metall ersetzen, da sie biokompatibel, leicht und resistent gegen Bakterien sind. Die meisten Prothesengelenke aus Metall müssen alle zehn Jahre ausgetauscht werden, was teuer und schmerzhaft ist.

„Künstliche Gelenke aus Keramik können nach der Implantation ein Leben lang halten“, erklärte Chen.

Chen sagte auch, dass das Material zur Herstellung von Lagern verwendet werden könnte, einem wesentlichen Bestandteil von Windkraftanlagen, die den Generator mit den Lüfterflügeln verbinden. Die Haltbarkeit jedes Lagers, das im Betrieb mehreren Tonnen Druck standhalten muss, wirkt sich auf die Gesamtlebensdauer des Systems aus.

„Mit unserer flexiblen Siliziumnitrid-Keramik könnten Lager hergestellt werden, die länger halten, was die Kosten für Windkraft im Durchschnitt senken würde“, erklärt Chen.

„Aufgrund unserer Experimente ist es möglich, dieses flexible Keramikmaterial in großem Maßstab herzustellen. Im Bereich der High-End-Geräte gibt es einen offensichtlichen Preisvorteil“, fügte er hinzu.

Als Beispiel führte er die teuren Seltenerdmineralien an, die zur Herstellung der einkristallinen Turbinenschaufeln für Düsentriebwerke verwendet werden. Gleichzeitig wird das teuerste Siliziumnitrid für rund 200 US-Dollar pro Kilogramm verkauft.

„Wir werden dieses Keramikmaterial auf der Grundlage unserer aktuellen Arbeit weiter verbessern. Sobald man eine Tür öffnet, verbirgt sich eine weite Welt dahinter“, sagte Chen.

Sie können sich die Studie selbst in der Fachzeitschrift Science ansehen.

Studienzusammenfassung:

„Kovalent gebundene Keramik weist herausragende Eigenschaften auf – darunter Härte, Festigkeit, chemische Inertheit und Beständigkeit gegen Hitze und Korrosion –, doch ihre breitere Anwendung ist aufgrund ihrer Sprödigkeit bei Raumtemperatur eine Herausforderung. Im Gegensatz zu den Atomen in Metallen, die entlang von Gleitebenen gleiten können Um Spannungen aufzunehmen, müssen die Atome in kovalent gebundenen Keramiken aufgrund der starken und gerichteten Eigenschaften kovalenter Bindungen die Bindung aufbrechen. Dies führt schließlich zu einem katastrophalen Versagen bei Belastung. Wir stellen einen Ansatz für die Gestaltung verformbarer kovalent gebundener Siliziumnitrid-Keramiken (Si3N4) vor, die über diese Funktion verfügen eine Zweiphasenstruktur mit kohärenten Grenzflächen. An den kohärenten Grenzflächen wird ein sukzessiver Bindungswechsel realisiert, der eine spannungsinduzierte Phasenumwandlung erleichtert und schließlich eine plastische Verformbarkeit erzeugt.“