Werkstoffe – Technologiefeld der Zukunft

Materialeigenschaften optimieren

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Praktisch alle Zukunftsanalysen sprechen den Werkstoffen eine Schlüsselrolle im Spektrum der Technologien zu. Dies beinhaltet bekannte Werkstoffe, die neue Eigenschaften bekommen können, aber auch komplette Neuentwicklungen.

Dr. Thomas Kretschmer, Jürgen Kohlhoff, Fraunhofer INT, Euskirchen

Zur Charakterisierung der Entwicklungslinien in diesem Bereich hat sich im deutschen Sprachgebrauch der Begriff „Neue Werkstoffe“ durchgesetzt (eine ungenaue Übersetzung des englischen „Advanced Materials“). Darüber hinaus kristallisiert sich in letzter Zeit eine übergeordnete Sicht heraus, die zur Kennzeichnung dieses Hochtechnologiefeldes dienen kann. Dabei handelt es sich um Konzepte, bei denen zunächst die beabsichtigte Nutzung oder eine Produktidee im Vordergrund stehen und erst dann das passende Material definiert wird.
Das Prinzip der Optimierung der Materialeigenschaften hat wesentlich dazu beigetragen, dass die konventionellen Werkstoffklassen, d. h. in erster Linie Metalle, Keramiken, Polymere und Halbleiter, nach wie vor im gesamten Technikbereich eine dominierende Rolle einnehmen. Insbesondere hinsichtlich des damit verbundenen Marktvolumens werden sie diese Stellung auch zukünftig behalten. Darüber hinaus steckt sogar in jeder dieser Werkstoffklassen noch ein beträchtliches technologisches Potenzial.
An erster Stelle sind hier die Metalle zu nennen, deren große technische Bedeutung vor allem auf ihrer guten Formbarkeit, der charakteristischen Leitfähigkeit und ihrer Eignung zur Verbesserung der Eigenschaften durch Legierungsbildung basiert. Ihre Qualität lässt sich häufig noch dadurch steigern, dass man sie starken thermischen und mechanischen Belastungen aussetzt. So kann z. B. Verformen oder eine gezielte Wärmebehandlung die Festigkeit erhöhen. Als die derzeit wichtigsten Entwicklungslinien bei den Metallen gelten die Leichtbauwerkstoffe (Aluminium- und Magnesiumlegierungen, Schaummetalle), die Hochtemperaturwerkstoffe (Superlegierungen, Intermetallische Verbindungen), die Spezialstähle sowie die Magnetwerkstoffe.
In Ergänzung, aber auch teilweise in Konkurrenz zu den metallischen Werkstoffen gibt es derzeit große Anstrengungen, für Anwendungen mit höchsten Anforderungen hinsichtlich Temperatur- und Verschleißfestigkeit Keramiken einzusetzen. Voraussetzung für die praktische Nutzung ihrer günstigen mechanischen Eigenschaften sind jedoch noch wesentliche Verbesserungen bei der Sprödigkeit und Zuverlässigkeit. Darüber hinaus verfügen Keramiken aufgrund ihrer polykristallinen Struktur über bestimmte nichtmechanische physikalische Eigenschaften, mit denen sie für manche Anwendungen sogar konkurrenzlos sind, wie z. B. als keramische Hochtemperatursupraleiter.
Die Bemühungen auf dem Gebiet der Polymere gelten inzwischen weniger der Synthese chemisch ganz neuer Verbindungen als vielmehr der Beeinflussung der Mikrostrukturen und der geeigneten Kombination bereits bekannter Verbindungen (Copolymere, Polymerlegierungen). Bei den Strukturpolymeren verspricht eine Reihe von Spezialentwicklungen, wie z. B. höchstfeste oder hochtemperaturfeste Kunststoffe, zukünftig ein beträchtliches Potenzial. Darüber hinaus werden bestimmte Funktionspolymere insbesondere für elektrische und optische Anwendungen immer wichtiger.
Maßgeschneiderte Werkstoffe
Das Konzept der Maßgeschneiderten Werkstoffe (Material Tailoring), das eine gerade beginnende neue Epoche im Werkstoffbereich definiert, weicht grundsätzlich vom bisher üblichen Ablauf des Wertschöpfungsprozesses ab. Bestimmend sind hier nicht die Eigenschaften eines speziellen Materials, sondern von Anfang die gedachte Nutzung.
Ausgehend vom geplanten Produkt wird zunächst ein Nutzungsprofil abgeleitet. Dann wird der hinsichtlich seiner Eigenschaften optimal passende Werkstoff theoretisch entworfen. Die anschließende stoffliche Umsetzung kann durchaus innerhalb der konventionellen Werkstoffklassen erfolgen. In den meisten Fällen handelt es sich jedoch um Verbundlösungen, bei denen die gezielte Kombination verschiedener Materialien zu Eigenschaften führt, die mit keiner der Komponenten allein erreichbar wären.
Neben den Schichtverbunden sind hier vor allem partikel- und faserverstärkte Systeme interessant, bestehend aus einem Basiswerkstoff (Matrix), der durch gezieltes Einbringen von Fasern oder Partikeln verstärkt wird. Als Matrixmaterialien kommen je nach Einsatztemperatur Polymere, Metalle, Keramiken oder Kohlenstoff in Frage. Großtechnisch werden bisher vor allem die glasfaser- und kohlenstofffaserverstärkten Polymere verwendet, während sich faserverstärkte Metall- und Keramik-Matrixverbunde noch in relativ frühem Entwicklungsstadium befinden.
Die neuen Möglichkeiten zur Manipulation im mikroskopischen Maßstab werden zur Herstellung der nanostrukturierten Werkstoffe genutzt, deren Gefügestruktur z. B. aus Kristalliten im Nanometerbereich besteht.
Die Fähigkeit zum Maßschneidern von Materialien ist eine unmittelbare Voraussetzung für eine bereits heute erkennbare zukünftige Epoche. Es handelt sich um das Konzept der sog. Intelligenten Werkstoffe (Smart Materials). Diese sollen in der Lage sein, während der Nutzung auf Änderungen der Umgebungsbedingungen selbstständig zu reagieren und ihre Eigenschaften anzupassen. Daher müssen in solchen Systemen neben einem Trägermaterial, das die strukturellen Eigenschaften bestimmt, im Prinzip weitere funktionale Elemente integriert sein. Erforderlich sind Sensoren zur Wahrnehmung bzw. Intensitätsmessung der Umgebungseinflüsse oder innerer Betriebszustände (z. B. Druck, Temperatur, Feuchtigkeit oder elektromagnetische Felder) sowie Aktoren zur aktiven Beeinflussung von strukturellen oder funktionalen Eigenschaften (z. B. Veränderung von Geometrie, Steifigkeit oder Farbe). Darüber hinaus haben geeignete Steuerungselemente zur Umsetzung der Sensorinformation in Signale zur Regelung der Aktoren zu sorgen.
Ökonomische und technologische Bedeutung
Gemessen an den Umsätzen auf der Rohstoff- oder Halbzeug-/Bauteil-Ebene dürfte die direkt messbare ökonomische Bedeutung neuer Werkstoffe als nicht besonders groß anzusehen sein. Da die eigentliche Wertschöpfung oft erst bei den Endprodukten erfolgt, haben sie einen eher indirekten Wert. Jedoch dienen sie z. B. als Wegbereiter für neue Verfahren oder als Vorreiter für die Enwicklung neuer Produkte und sind häufig unverzichtbar für ganze Produktionszweige.
Eine wichtige Rolle spielen neue Werkstoffe darüber hinaus für die weitere Entwicklung in anderen Hochtechnologiefeldern. So werden z. B. hochinnovative Bereiche wie Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik, Photonik, Optoelektronik und Sensorik entscheidend durch die Fortschritte bei den Halbleitermaterialien, aber auch durch bestimmte Funktionskeramiken geprägt.
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