Neue Keramik verliert Sprödigkeit

Ingenieure der University of California San Diego haben ein neues Verfahren zur Herstellung besonders belastbarer Karamik entwickelt. Dazu reichern sie das Material mit Metallatomen an, die viele Elektronen auf der Außenhülle besitzen. Zu den bekannten Vorzügen der Formbeständigkeit, ausbleibender Korrosion und geringem Oberflächenverschleiß, extremer Härte und Temperaturbeständigkeit gesellt sich damit große Materialrobustheit hinzu.

Das von Kenneth Vecchio geleitete Team konzentriert sich auf eine Klasse von Keramiken, die als Hochentropiekarbide bekannt sind. Diese Materialien weisen stark ungeordnete Atomstrukturen auf, die aus Kohlenstoffatomen bestehen, welche mit mehreren Metallelementen aus der vierten, fünften und sechsten Spalte des Periodensystems verbunden sind. Dazu zählen Titan, Niob und Wolfram. Die Forscher haben herausgefunden, dass der Schlüssel zur Verbesserung der Keramikzähigkeit in der höheren Anzahl sogenannter Valenzelektronen liegt, die für diese Metalle charakteristisch sind. Diese gehen Bindungen mit benachbarten Atomen ein.

Diese zusätzlichen Elektronen sind wichtig, weil sie das Keramikmaterial effektiv duktiler machen, was bedeutet, dass es sich stärker verformen kann, bevor es bricht, ähnlich wie ein Metall, so Vecchio. Um diesen Effekt besser zu verstehen, hat Vecchios Gruppe mit Davide Sangiovanni von der Universität Linköping zusammengearbeitet. Sangiovanni führte die Computersimulationen durch und Vecchios Team stellte die Materialien experimentell her und testete sie.

Fünf Metalle sind der Schlüssel

Das Team hat hochentropische Karbide mit verschiedenen Kombinationen von fünf Metallelementen untersucht. Sie identifizierten zwei Karbide mit hoher Entropie, die dank ihrer hohen Valenzelektronenkonzentrationen eine außergewöhnliche Beständigkeit gegen Rissbildung unter Last oder Spannung zeigten. Eines enthielt Vanadium, Niob, Tantal, Molybdän und Wolfram. Bei der anderen Variante ersetzten sie Niob durch Chrom.

Bei Stress bilden sich in diesen Karbiden atomar große Poren. Die Valenzelektronen stopfen sie, indem sie neue Bindungen mit benachbarten Atomen eingehen, sodass Stabilität und Festigkeit wiederhergestellt wurden. Das verhinderte, dass die Poren sich vergrößern und sich Risse bilden, die zur völligen Zerstörung führen. Die Keramik wird somit unkaputtbar. Die nächste Herausforderung besteht darin, den Laborprozess in die industrielle Anwendung zu überführen. (pte)

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