Poröse anorganische Werkstoffe

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff

Von porösen Werkstoffen spricht man je nach Literaturzitat, wenn wenigstens 30% bis 70% des Gesamtvolumens aus einer Vielzahl von Hohlräumen besteht. Diese können eine schaumartige geschlossene oder schwammartige offene Strukturen zeigen, wobei geschlossene Porensysteme überwiegend in mechanischen und offene Porensysteme überwiegend in anderen funktionellen Anwendungen eingesetzt werden. Der technisch sinnvolle Durchmesser der Poren erstreckt sich vom Nanometerbereich bis hin zu mehreren Millimetern. Die Poren und ihre Zellwände können dabei in Form und Ausprägung völlig homogene bis völlig heterogene Anordnungen und Verteilungen zeigen. In technischen Anwendungen überwiegt jedoch der Wunsch nach einem homogenen Aufbau, da hiermit die angestrebten Eigenschaften über das ganze Werkstückvolumen  einheitlich vorliegen und besser berechenbar sind. In diesem Beitrag wird die große Gruppe poröser Polymerwerkstoffe nicht behandelt, da sie hinsichtlich thermischer und mechanischer Belastbarkeit nicht mit anorganischen Stoffen konkurrieren können.

Über Verfahren zur Herstellung poröser metallischer Werkstoffe wurde bereits von Plinius dem Älteren im Kontext der Goldschmiedekunst berichtet. Kenntnisse in dieser Technologie sind demnach vermutlich deutlich älter als 2000 Jahre. Einfache technische Anwendungen in industriellem Maßstab gibt es seit ca. 90 Jahren. Moderne hochfeste poröse Werkstoffe haben in den letzten 15 Jahren vor allem durch den Trend Leichtbau wieder vermehrt Aufmerksamkeit erfahren, da sie verschiedene einzigartige Eigenschaftskombinationen sowohl in Struktur- wie auch Funktionsanwendungen zeigen, die ihnen entsprechende dichte Volumenwerkstoffe nicht besitzen. Hierzu gehören im Wesentlichen die gleichzeitige Optimierbarkeit von Schwingungs-, Biege- und Bruchfestigkeit, Volumengewicht, Fähigkeit zur (mechanischen und thermischen) Energieabsorption, Oberfläche-zu-Volumenverhältnis, Wärmeleitfähigkeit, katalytische Eigenschaften bei hohen Temperaturen, oder Permeabilität für Flüssigkeiten und Gase. Sie stellen damit auch sehr wichtige Funktionen vor allem für die moderne Energietechnik bereit. Vielfältige Vorbilder gibt es in der Natur, im funktionell-strukturellen Bereich z.B. Holz, Korallen, Knochen oder Zähne, als natürliches Zufallsprodukt z.B. Bimsstein, und in nicht-strukturellen funktionellen Bereichen z.B. Lungenalveolen, Nieren oder Leber.

Beispiele in modernen technischen Applikationen sind Elektroden für NiMH- und NiCd-Batterien, Aluminiumschäume in Bauelementen zur Schwingungsdämpfung oder Energieabsorption bei Fahrzeugunfällen, metallische Auftriebselemente in maritimen Anwendungen, Tarnelemente gegen Radaraufklärung, selbstschmierende offenporige Lager aus Stählen und Keramiken, metallische und keramische Wärmetauscher, thermische Isolierungen aus glasartigen Aerogelen, metallische und keramische Katalysatorträger sowie Feinstaubfilter im Abfasweg von Kraftfahrzeugen, hochselektive keramische Membranen zur Gastrennung, keramische Kerzenfilter in Kraftwerken, oder (bioaktive) Implantate in Prothetik und restaurativer Medizin.

Die derzeit wichtigsten metallischen Werkstoffe sind Aluminium und Legierungen auf Aluminiumbasis, Nickel und Nickel-Basis-Legierungen, verschiedene Stähle, Legierungen auf Basis von Titan oder Magnesium, sowie metallische Gläser auf Palladiumoder Zirkoniumbasis. Wichtige anorganischnichtmetallische Werkstoffe sind die Keramiken Aluminiumoxid, Aluminiumtitanat, Zirkondioxid, Siliziumcarbid, Siliziumdioxid, keramische Silikatverbindungen wie Mullit und Cordierit, sowie silikatische Gläser. Im Prinzip können alle metallischen und keramischen Werkstoffe sowie Gläser in poröser Form hergestellt werden.

Zur Herstellung schaumartiger Metalle gibt es eine Vielzahl  unterschiedlicher Verfahren, die in der Praxis alle über die Schmelzphase arbeiten. Hierzu gehören das Zumischen fester Treibmittel, das Einblasen von inerten oder reaktiven Gasen, sowie das Gießen in so genannte syntaktische Formkörper aus metallischen oder keramischen Hohlkügelchen. Das Aufschäumen erfolgt zum Beispiel durch sich bei hohen Temperaturen zersetzende feste Treibmittel wie Titanium- oder Magnesiumdihydrid oder Kalziumcarbonat für Aluminium, durch die in-situ-Bildung von Kohlenmonoxid und -dioxid bei Stählen aus der Reaktion von Kohlenstoff mit Eisenoxid oder durch das Freisetzen von bei hohen Temperaturen in der Schmelze gelösten Gasen während des Abkühlens. Eine wesentliche Herausforderung dieser Verfahren besteht darin,
die Porosität in den festen Zustand einzufrieren.

Ein interessanter Weg ist, durch Zugabe keramischer Partikel die Schäume bereits in der Schmelzphase zu stabilisieren, ein anderer die partielle Oxidation der Zellwände. Die Herstellung schwammartiger Metalle, wie sie z.B. für Wärmetauscher, für die Hochtemperaturfiltrierung, für Implantate oder in Festkörper-Brennstoffzellen benötigt werden, erfolgt überwiegend über die pulvermetallurgische Route. Hier werden definierte Pulvermischungen über unterschiedliche Pressverfahren zu Formkörpern verdichtet und durch unvollständiges Sintern in offenporigen Strukturen konsolidiert.

Poröse Keramiken werden überwiegend im Schlickergussverfahren hergestellt. Dabei können über verschiedene Zusätze durch ein Gelieren des Schlickers oder über eine chemische Vernetzung der einzelnen Pulverkörner durch Polymeradditive eine feste Struktur in den Schlicker eingebracht werden. Diese Struktur wird anschließend durch Ausheizen von Additiven und Wasser mit nachfolgendem Sintern ohne kritische Formänderung in einen keramischen Festkörper überführt. Ein anderer Weg ist, eine so genannte Opferstruktur, z.B. ein offenporiger Polymerkörper, mit einem Schlicker zu infiltrieren. Die Opferstruktur wird beim nachfolgenden Sinterprozess ausgeheizt oder verbrannt. Eine interessante Alternative stellt die Nutzung von Holz als Basisstruktur und z.B. Siliziumschmelze oder siliziumorganischen Polymeren dar. Hier wird die zelluläre Matrix des organischen Ausgangsmaterials durch Erhitzen unter Sauerstoffabschluss in ein formgleiches Kohlenstoffgerüst überführt. Dieses kann dann bei hohen Temperaturen mit flüssigem Silizium infiltriert werden, es erfolgt eine Reaktion zu Siliziumcarbid. Im Falle des Infiltrierens mit Polymermaterial können je nach  Ausgangspolymer neben Siliziumcarbid auch andere keramische Werkstoffe gebildet werden.

Poröse metallische und keramische Werkstoffe haben in den letzten Jahren in verschiedenen Branchen wie Automobil- und Energiewirtschaft oder Luft- und Raumfahrt erhebliche Marktanteile gewonnen, viele neue Technologien stehen vor dem Durchbruch. Allerdings ist besonders bei geschäumten Metallen deren hoher Preis ein Hemmnis für eine weitere Marktdurchdringung. Mithilfe von Simulationen und neuen Fertigungsverfahren wie z.B. dem additiven Rapid Manufacturing erwartet man hier mittelfristig  deutliche Verbesserungen im Preis-Leistungsverhältnis.

*Fraunhofer Institut für
Naturwissenschaftlich-Technische
Trendanalysen
Appelsgarten 2, 53879 Euskirchen
berichtet in jeder Ausgabe exklusiv
über Werkstofftrends

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