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Empa-Forscherin Annalena Erlacher zeigt eine Materialprobe. © Empa

Bei Herstellung von technischer Keramik wird ein sog. Grünkörper aus feinen Partikeln – den Körnern – geformt. Wird der Grünkörper gebrannt, in der Fachsprache gesintert, fügen sich die Körner zu einem durchgehenden Material zusammen. Jeder Prozessschritt wird präzise kontrolliert. Unterschiedliche Ausgangsmaterialien, Korngrößen und Sinterprozesse ermöglichen es Materialforschenden, massgeschneiderte Hochleistungskeramiken für alle möglichen Anwendungen vom Maschinenbau bis hin zur Medizin zu entwickeln. «Es ist bereits gut verstanden, wie sich die Größe und Dichte der Körner und die Art des Sinterverfahrens auf die Materialeigenschaften auswirken», sagt Empa-Forscher Michael Stuer, Gruppenleiter im Labor für Hochleistungskeramik. In einem vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) unterstützten Projekt richten Stuer und sein Team ihren Blick deshalb nicht auf die Körner, sondern dazwischen, auf die sogenannten Korngrenzen.

Das Ziel: Über Korngrenzen bestimmte Materialeigenschaften erreichen

Jede Farbe in dieser mittels Elektronenrückstreubeugung erstellten Abbildung entspricht einer anderen Ausrichtung des Korns. © Empa

Um in diese Vielfalt eine systematische Ordnung reinzubringen, arbeitet Erlacher mit Aluminiumoxid. Keramiken auf der Basis dieses Minerals sind sehr verbreitet und äusserst gut untersucht. Das macht es den Forschenden möglich, sich auf die noch wenig bekannten Einflüsse der Korngrenzflächen zu fokussieren. In Zukunft können ihre Erkenntnisse auch auf andere Keramiken übertragen werden. «Wir wollen eine Korngrenzentechnik entwickeln: Ein Werkzeug, mit dem man die Materialeigenschaften der Keramik steuern kann», sagt Stuer.

Zu diesem Zweck untersucht Erlacher zunächst, wie sich eine gezielte Dotierung mit Seltenen Erden auf die Korngrenzen auswirkt. Danach will sie unterschiedliche Partikelgrössen unter die Lupe nehmen sowie den Einfluss von Druck beim Sintern besser verstehen. Außerdem wollen die Empa-Forschenden Kollaborationen auf dem jungen Gebiet aufbauen, um der technischen Keramik mit der Korngrenzentechnik zu neuen Höhen zu verhelfen. «Durch eine gezielte Manipulation der Korngrenzen könnte man etwa die mechanischen und die optischen Eigenschaften von Keramik kontrollieren», so Stuer. Allein mit dem Aluminiumoxid wären damit neue oder verbesserte Anwendungen in der Optik, der Mikroelektronik und der Medizin möglich.

Quelle: Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt