Prof. Dr. Walter Krenkel, Dr. Günter Motz: Keramische Materialien auf Basis präkeramischer Polymere

Der durch Korrosion entstehende volkswirtschaftliche Schaden in den Industrieländern wird auf ca. 4 % des Bruttosozialproduktes beziffert. Auch vor dem Hintergrund abnehmender Rohstoffreserven gewinnt somit die Vermeidung von Korrosion und Verschleiß vor allem von metallischen Bauteilen enorm an Bedeutung. Dies ist einerseits durch den Einsatz besonders korrosions- und verschleißbeständiger metallischer Legierungen oder die Substitution durch Keramiken möglich. Allerdings sind Speziallegierungen oft sehr teuer und nur in wenigen Fällen lässt sich ein Bauteil aus Metall durch Keramik ersetzen. Andererseits genügt es oft, dass nur die Oberfläche des Bauteils durch eine entsprechende Beschichtung die notwendigen Anforderungen erfüllt.

Der Lehrstuhl Keramische Werkstoffe der Universität Bayreuth befasst sich seit ca. 20 Jahren mit der Entwicklung von keramischen Materialien auf Basis präkeramischer, meist auf Silizium basierender Polymere. Gegenüber der klassischen Herstellung von Keramiken über das Sintern von Pulvern bei sehr hohen Temperaturen bietet diese sogenannte Precursortechnologie den Vorteil, dass alle Formgebungsmethoden der Kunststoffverarbeitung nutzbar sind. Daher wurde die Precursortechnologie zu Beginn ihrer Entwicklung vor ungefähr 50 Jahren vorwiegend zur Herstellung von Keramikfasern für Hochtemperaturanwendungen eingesetzt, die über die Pulvertechnologie nicht zugänglich sind. Parallel hierzu erfolgte die Entwicklung von schadenstoleranten keramischen Verbundwerkstoffen, indem spezielle Keramikfaser- bzw. Kohlenstofffasergelege mit dem präkeramischen Polymer infiltriert und anschließend bei Temperaturen über 1000 °C in eine Keramik umgewandelt werden. Am Anfang der 1990er Jahre wurde erstmals über Versuche berichtet, präkeramische Polymere auch zur Herstellung von Keramikbeschichtungen zu verwenden. Dieser neue Ansatz hat die Vorteile, dass die Schichten über einfache Lackierverfahren wie Tauchen, Sprühen oder Pinseln aufgebracht und bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen in Keramikschichten umgewandelt werden. Dabei ist die Schichthaftung auf Metallen sehr gut, da eine direkte chemische Anbindung der Schicht an das Substrat erfolgt. Eine spezielle Vorbehandlung der Metalloberfläche ist daher nicht erforderlich.

Der Lehrstuhl Keramische Werkstoffe ist weltweit die einzige Forschungseinrichtung, die diese Arbeiten kontinuierlich ausgebaut und weiterentwickelt hat. So wurden zunächst sehr dünne (1 bis 3 µm), thermisch und chemisch sehr stabile Schichten entwickelt, die als einzige in der Lage sind, Kupfer bis 500 °C oder Stähle bis über 1000 °C vor Oxidation und Korrosion zu schützen. Da diese dünnen Schichten aber nicht verschleißbeständig sind, lag der Fokus in den letzten Jahren bei der Entwicklung dicker, verschleißbeständiger Korrosionsschutzschichten. In Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl Metallische Werkstoffe und dem Energieversorgungsunternehmen EnBW wurde das bisher mit 100 µm dickste Keramikschichtsystem auf Basis der Precursortechnologie hergestellt. Dieses ist auch unter den extremen Bedingungen einer Müllverbrennungsanlage stabil und schützt Stahlrohre wirksam vor Korrosion und Verschleiß. Ein weiteres Schichtsystem wurde für die thermische Isolation von Auspuffanlagen für automobile Anwendungen bis 1200 °C entwickelt, um beim Kaltstart eines Fahrzeugs den Wärmeverlust zu verringern. Dadurch wird der Abgaskatalysator schneller aktiviert und der Schadstoffausstoß verringert. Weitere Forschungsarbeiten befassen sich mit der Entwicklung funktioneller Schichten mit stark wasserabweisenden (superhydrophoben) Eigenschaften oder mit der Beschichtung flexibler Solarzellen, um unter Weltraumbedingungen deren Überhitzung durch eine stark verbesserte Wärmeabstrahlung zu vermeiden.

Kontakt:

Prof. Dr. Walter Krenkel
Leiter des Lehrstuhls Keramische Werkstoffe
E-Mail: cme@uni-bayreuth.de
Telefon: 0921-555501
Raum: Ludwig-Thoma-Str. 36 b, 95440 Bayreuth

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