Von biegsamer Keramik und anpassungsfähigen Flüssigkeiten

Materialforschung ist erfinderisch: Biegsame Keramikbauteile, hochbelastete Maschinenteile, die sogar ohne Schmierstoff auskommen können oder Flüssigkeiten, die von einem Moment auf den anderen fest, zäh und gleich wieder flüssig werden. Vieles ist möglich. Der Sächsische Exzellenzcluster „ECEMP – European Centre for Emerging Materials and Processes Dresden“ stellt auf der Hannover Messe 2010, vom 19. bis 23. April, in Halle 2, Stand E53, seine Projekte vor.

Keramiken sind hoch belastbar, resistent gegen hohe Temperaturen und sehr verschleißfest. Aber sie sind auch spröde und teuer. Im ECEMP-Teilprojekt CeraDuct gehen Keramiken und Metalle eine feste Bindung ein. So lassen sich die Vorteile des Metalls – gute Duktilität – mit denen der Keramik – hohe Festigkeit und Härte – verbinden. Zudem entstehen auf diese Weise Bauteile, die sowohl elektrisch leitend sind als auch isolierend wirken. Das ist zum Beispiel in der Medizintechnik gefragt. Denn in der Chirurgie werden Gefäße geöffnet und mit Hilfe von elektrischem Strom wieder geschlossen. Die Isolationswirkung der Keramik stellt sicher, dass der Strom nur lokal fließt. Ein Vorteil für den Maschinenbau ist, dass sich Bauteile aus Metall einfach in Maschinen integrieren lassen und das Keramik-Metall-Verbundbauteil einfach eingeschweißt oder -geschraubt werden kann.

Reibung bedeutet Verschleiß und Energieverlust, und für Fahrzeuge geht das immer mit einem höheren Spritverbrauch einher. Das gilt sowohl für den Rollwiderstand der Reifen auf der Straße als auch für alle beweglichen Motorenteile. Die Wissenschaftler des ECEMP-Teilprojektes NanoCarbCoat entwickeln nanoskalig strukturierte, selbstschmierende Kohlenstoffschichten, um die Reibungsverluste bewegter Motorenteile deutlich zu minimieren und diese verschleißfester zu machen. Die Schichten bleiben auch unter den hohen Belastungen im Fahrzeugmotor stabil und minimieren den Spritverbrauch und damit den CO2-Ausstoß. Würden alle in Frage kommenden Motorenteile wie Kolbenringe, Nockenwelle, Kolbenbolzen mit derartigen Schichten versehen, könnte das zu einer Verminderung der CO2-Emission zwischen fünf und zehn Prozent führen.

Flüssigkeiten können entweder dünn- oder dickflüssig oder auch zäh sein, aber nicht alles auf einmal. Magnetorheologische Flüssigkeiten (MR-Fluide) – Suspensionen magnetischer Mikro- beziehungsweise Nanopartikel in einer Trägerflüssigkeit – sind anders. Durch die Wechselwirkung der Partikel mit einem Magnetfeld ändert sich die Viskosität der Flüssigkeit – stufenlos und von einem Augenblick zum anderen. Diesen Effekt nutzt man schon seit längerem beispielsweise in Stoßdämpfern. Denn verwendet man statt eines Dämpfungsöls ein MR-Fluid, kann der Stoßdämpfer je nach Bedarf stufenlos auf die erforderlichen Bedingungen – starke Dämpfung, zähes Öl oder schwache Dämpfung, dünnflüssiges Öl – reagieren. Ähnliches planen die Forscher im ECEMP-Teilprojekt SwitchComp. Allerdings sollen hier nicht Flüssigkeiten sondern Festkörper durch das Anlegen eines Magnetfeldes ihre Festigkeit verändern. Das kann man zum Beispiel erreichen, indem man MR-Fluide in Polyurethanschaum einbringt, der dann, je nach Magnetfeld, mal weich, mal hart wird.

ECEMP – Vom Atom zum komplexen Bauteil
Das „ECEMP – European Centre for Emerging Materials and Processes Dresden“ ist ein Sächsischer Exzellenzcluster, in dessen Rahmen Wissenschaftler Mehrkomponentenwerkstoffe mit den zugehörigen Technologien für die Zukunftsfelder Energietechnik, Umwelttechnik und Leichtbau entwickeln. Die verwendeten Materialien gehören zu den drei Werkstoffklassen: metallisch (Stahl, Aluminium, Magnesium, Titan), nichtmetallisch-organisch (Kunststoffe, Naturstoffe) und nichtmetallisch-anorganisch (Keramik, Glas). Das ECEMP umfasst 14 Teilprojekte, an denen 37 Professuren der TU Dresden, der HTW Dresden sowie der TU Bergakademie Freiberg beteiligt sind und wird wesentlich durch deren interdisziplinäre Verknüpfung gestützt. Es wird finanziert aus Mitteln der Europäischen Union (EFRE) und des Freistaates Sachsen.

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ECEMP-Sprecher: Prof. Werner Hufenbach, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, ilk@ilk.mw.tu-dresden.de
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ECEMP-Pressestelle, Dr. Silke Ottow, silke.ottow@ilk.mw.tu-dresden.de
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