Polymerabgeleitete Keramiken mit negativer Wärmedehnung

Negativ wärmedehnende Werkstoffe werden auf Basis präkeramischer Polymere, die mit Füllstoffen mit negativem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (NTE) beladen sind, entwickelt und in einer nachgelagerten Wärmebehandlung (Pyrolyse) in polymerabgeleitete Keramiken umgewandelt werden. Die eingesetzten NTE-Werkstoffe sind β-Eukryptit und Zirkoniumwolframat. Die gewonnenen Erkenntnisse zu den Eigenschaften des völlig neuartigen Werkstoffs fließen in die Entwicklung von Beschichtungen ein, wobei die Schichtbildung über einen Tauchbeschichtungsprozess erfolgt.

Der große Unterschied zwischen den Ausdehnungskoeffizienten der beiden Werkstoffkomponenten führt zu Eigenspannungen im Verbundwerkstoff, die Riss- und Porenbildung verursachen. Mittels numerischer Simulation lassen sich diese Spannungen zwischen Matrix- und Partikelwerkstoff quantifizieren und ihr Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des resultierenden Werkstoffs abschätzen.
           
REM-Aufnahme eines Verbundwerkstoffes mit 50 Vol. % β‑Eukryptit, nach der Pyrolyse bei 800 °C (links) und Ergebnisse der Simulation von Spannungsverteilungen (rechts)
Gelingt die Herstellung von stabilen NTE-Schichten auf hochtemperaturstabilen Werkstoffen, können solche Systeme in temperaturbelasteten Bauteilen, bei denen beispielsweise der Wärmestrom eine wichtige Rolle spielt, zu neuen Anwendungen führen.