Der „SpongeBob Schwammkopf“ der Keramikwelt: Diese Keramik ist sowohl leicht als auch wärmespeichernd!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Li Kewei (Institut für Festkörperphysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Wenn es um keramische Werkstoffe geht, sind sie, glaube ich, jedem ein Begriff. Die Keramikindustrie ist eine der ältesten Industrien. Bereits 24.000 v. Chr. entstand die erste Keramikindustrie. Zunächst entdeckten die Menschen, dass man durch Sintern von Ton und Wasser Objekte in verschiedenen Formen herstellen konnte. Dies war der Vorgänger der Keramik. Mit der Entwicklung und dem Fortschritt der Brenntechnologie ist Keramik allmählich zu einem unverzichtbaren Material im menschlichen Leben und in der Produktion geworden.

Mit der Übernahme und Weiterentwicklung der Keramikherstellungstechnologie haben sich Keramikprodukte allmählich von grob zu fein verändert und die Sinterbedingungen haben sich von niedrigen zu hohen Temperaturen entwickelt. Gleichzeitig wurde die Keramikfamilie weiter ausgebaut und verbessert. Im heutigen Werkstoffsystem werden alle anderen Werkstoffe außer organischen Werkstoffen und metallischen Werkstoffen, also anorganischen nichtmetallischen Werkstoffen, zusammenfassend als keramische Werkstoffe bezeichnet.

Es gibt viele Arten von keramischen Materialien, poröse Keramik ist eine davon

Keramische Werkstoffe lassen sich entsprechend ihrer Funktion in Strukturkeramik und Funktionskeramik unterteilen. Da es sich bei keramischen Werkstoffen um eine Art Feststoff handelt, der durch Hochtemperatursintern anorganischer, nichtmetallischer Werkstoffe entsteht, weisen sie üblicherweise einen hohen Schmelzpunkt, eine hohe Härte und eine gute chemische Stabilität auf.

Wenn es darum geht, die mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften von Werkstoffen hervorzuheben, müssen wir Strukturkeramiken einsetzen. Strukturkeramik erfreut sich in der Luft- und Raumfahrt großer Beliebtheit. Man kann sie auf den Blättern von Flugzeug- und Raketentriebwerken sowie an Schlüsselteilen wie der Nasenspitze und der Vorderkante der Flügel von Hochgeschwindigkeitsflugzeugen sehen.

Funktionskeramik sind keramische Werkstoffe, die durch Ausnutzung ihrer besonderen Funktionen auf physikalische Eigenschaften wie Elektrizität, Licht, Magnetismus, Schall und Wärme hergestellt werden. Auch seine Familie ist riesig. Beispiele hierfür sind isolierende und dielektrische Keramiken, die in Funkgeräten und Schaltungselementen verwendet werden, piezoelektrische Keramiken und transparente Keramiken, die in Sensoren verwendet werden usw. Obwohl sie unauffällig sind, sind sie wie Donner in der Stille.

Keramische Verbundkomponenten des Motors (links) und transparente Funktionskeramiken (rechts)

(Fotoquelle: Composites.com)

Wenn wir keramische Materialien erwähnen, denken wir oft zuerst an Dicke und Festigkeit. Dies liegt daran, dass diese gängigen Keramikmaterialien eine sehr hohe Dichte aufweisen. In der großen Familie der Keramikmaterialien sind poröse Keramiken aufgrund ihrer einzigartigen Struktur und Eigenschaften jedoch allmählich in den Fokus aller gerückt.

Bei der sogenannten porösen Keramik handelt es sich, wie der Name schon sagt, um eine Art keramisches Material mit einer großen Anzahl winziger Poren. Diese Poren, die geschlossen oder miteinander verbunden sein können, verleihen poröser Keramik eine Reihe einzigartiger physikalischer und chemischer Eigenschaften. Die Porosität poröser Keramiken liegt üblicherweise zwischen 10 % und 90 %, und die Porengröße kann im Bereich von Nanometern bis Mikrometern liegen.

Poröse Oxidkeramik

(Fotoquelle: China Powder Network)

Die Anwendung poröser Keramik begann im späten 19. Jahrhundert. Während des Herstellungsprozesses können durch die Anpassung verschiedener Produktionsparameter und -bedingungen Poren unterschiedlicher Anzahl, Größe und Form im Inneren der Keramik erzeugt werden. Diese Poren können mikroskopisch oder makroskopisch sein und verschiedene Formen aufweisen, wodurch eine einzigartige poröse Struktur entsteht.

Poröse Keramiken weisen nicht nur die Vorteile der hohen chemischen Stabilität, der hohen Temperaturbeständigkeit, der Korrosionsbeständigkeit und der hohen Festigkeit gewöhnlicher Keramikmaterialien auf, sondern sind aufgrund ihrer großen Oberfläche und Hohlraumstruktur auch leicht, weisen eine gute Adsorptionsleistung und eine gute Wärmedämmleistung auf, weshalb sie in den Bereichen Umweltschutz, Energie, chemische Industrie, Pharmazie, Biomedizin und anderen Bereichen weit verbreitet sind.

Wie entstehen die Poren in poröser Keramik?

Je nach Komplexität des Herstellungsprozesses und der Porosität der hergestellten porösen Keramik können die Herstellungsverfahren für poröse Keramik im Allgemeinen in das Partialsinterverfahren, das Replika-Template-Verfahren, das Opfertemplate-Verfahren und das Direktschaumverfahren unterteilt werden.

Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses poröser Keramik

(Bildquelle: Referenz 1)

Das partielle Sintern ist derzeit eine häufig verwendete Methode zur Herstellung poröser Keramikmaterialien. Einfach ausgedrückt werden Keramikpartikel oder Keramikfasern zu einem Grünkörper gepresst und dann unter Hochtemperaturbedingungen gesintert, um eine Verbindung zwischen den Partikeln oder Fasern herzustellen. Gleichzeitig werden die Pulverpartikel durch Oberflächendiffusion bzw. Verdampfung und Kondensation gebunden. Um eine gleichmäßige poröse Struktur in der Keramik zu bilden, wird das Sintern vor Erreichen der vollständigen Dichte abgebrochen. Durch Variation der Partikelgröße des Ausgangspulvers und des partiellen Sintervorgangs können die Porengröße und Porosität der porösen Keramik variiert werden. Bei Keramikmaterialien, die mit dieser Methode hergestellt werden, wirken sich die Sinterhälse zwischen den Körnern, die Porosität und die Porengröße direkt auf ihre Leistung aus.

Die Opfertemplatmethode wird auch als Porenbildner-Zugabemethode bezeichnet. Seine Hauptvorteile sind niedrige Kosten und eine komfortable Bedienung. Das Prinzip besteht darin, dem Keramikschlicker eine bestimmte Menge Porenbildner hinzuzufügen. Während des Sinterprozesses wird der Porenbildner durch Hitze zu Gas zersetzt, wodurch Poren entstehen. Obwohl diese Methode einfach durchzuführen ist, ist es schwierig, die Porenverteilung zu kontrollieren, was zu einer mangelnden Gleichmäßigkeit des Endprodukts führt.

Bei der Replika-Vorlagenmethode handelt es sich wörtlich um die Replikation der Vorlage anderer Materialien, um poröse Keramiken mit hoher Volumenporosität und offenen Porenwänden herzustellen. Am Beispiel eines Schwamms wird die Vorlage zunächst mit einer Keramiksuspension, einer Vorläuferlösung usw. imprägniert und der verbleibende Teil durch Zentrifugieren oder andere Methoden entfernt. Nachdem die mit Keramik imprägnierte Schablone getrocknet ist, wird sie einer Wärmebehandlung unterzogen, um den organischen Schwamm zu zersetzen und schließlich die Keramikschicht bei hoher Temperatur zu verdichten. Diese offenen Einheiten sind miteinander verbunden, sodass Flüssigkeit mit einem relativ geringen Druckabfall durch die poröse Keramik fließen kann. Mit diesem Verfahren lassen sich poröse Keramiken mit hoher Porosität, hoher Festigkeit und geringer Dichte herstellen. Allerdings ist es schwierig, Keramiken mit kleinen und geschlossenen Poren herzustellen, und die Form der Poren wird durch die Vorlage begrenzt.

Bei der Methode des direkten Aufschäumens wird die Keramiksuspension zunächst stabilisiert und getrocknet und dann gesintert, um eine verfestigte Struktur zu erhalten. Sein Vorteil liegt darin, dass das hergestellte Material eine starke Porenstruktur und wenige Defekte aufweist. Durch mechanisches Rühren oder Zugabe eines Treibmittels wird Gas in die Suspension eingebracht, um einen feinen und stabilen Schaum zu bilden, der dann getrocknet und gesintert wird, um poröse Keramik zu erhalten. Dieses Verfahren lässt sich leicht industrialisieren und ermöglicht die Herstellung poröser Keramiken mit offener oder geschlossener Porenstruktur und hoher Porosität. Daher ist die Stabilisierung der Blasen in Keramiksuspensionen von entscheidender Bedeutung. Die derzeit am häufigsten verwendete Stabilisierungsmethode besteht in der Zugabe von Tensiden, um die Energie der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche zu reduzieren und so die Reaktionsbedingungen bis zu einem gewissen Grad zu steuern.

Poröse Keramiken haben eine überlegene Leistung und werden in vielen Bereichen eingesetzt

Da es sich um ein poröses Material handelt, können wir uns natürlich vorstellen, dass seine Masse geringer ist als die von gewöhnlichen Keramikmaterialien. Durch die große Anzahl an Porenstrukturen im Inneren werden die Schallwellen oder die Wärme nach dem Einleiten in die Keramik von deren poröser Struktur zerstreut, wodurch der Zweck der Schallabsorption und Wärmeisolierung erreicht wird. Da poröse Keramik sowohl über die hervorragenden mechanischen Eigenschaften als auch über die schallabsorbierenden und wärmeisolierenden Eigenschaften keramischer Materialien verfügt, kann sie an Orten mit hohen Anforderungen an die Schalldämmung eingesetzt werden, beispielsweise in Hochhäusern, Tunneln und Kinos.

Schematische Darstellung der Wärmeübertragung in poröser Keramik:

(a) Zufällig angeordnete poröse Mikrostruktur und (b) geschlossene Kanäle senkrecht zum Wärmefluss

(Bildquelle: Referenz 2)

Das Material ist voller Poren, daher verfügen poröse Keramiken über eine beträchtliche Oberfläche, was einen natürlichen Vorteil für die Gasadsorption und Katalyse bietet. Aufgrund der hohen Temperaturbeständigkeit des Keramikmaterials selbst ist seine Verwendung in Hochtemperatur-Abgasreinigern und Abwasserbehandlungsanlagen bequemer. Beispielsweise kann der von Dieselmotoren ausgestoßene schwarze Rauch nicht nur gefiltert werden, sondern auch CO, NOX, CnHm und andere Gase katalytisch in ungiftiges CO2, N2 und H2O usw. umgewandelt werden, was zu unserem Umweltschutz beiträgt. [3]

Darüber hinaus wurden auf der Grundlage traditioneller Biokeramiken poröse Biokeramiken entwickelt, beispielsweise künstliche Knochen, künstliche Gelenke usw. Die netzartige poröse Keramik weist eine dreidimensionale Netzwerkstruktur auf, die fast der des schwammartigen Knochens des menschlichen Körpers entspricht. Diese poröse Netzwerkstruktur ermöglicht es Knochengewebe, in die Poren hineinzuwachsen, wodurch eine sicherere Fixierung zwischen dem Implantat und dem Organismus entsteht. Es weist eine bessere Biokompatibilität und stabilere physikalische und chemische Eigenschaften als die meisten Metallmaterialien auf und hat keine toxischen Nebenwirkungen, sodass es eine hervorragende Alternative für Patienten darstellt, die eine Knochentransplantation benötigen. In den letzten Jahren sind poröse Biokeramiken auch in der Forschung zu anorganischen Biomaterialien zu einem heißen Thema geworden. [3,4]

Schallabsorbierende Platten aus poröser Keramik (a), Abgasreiniger aus Keramikträgern für Autos (b), Zahnprothesen aus Zirkonoxidkeramik (c) und poröse Keramik für die Knochenreparatur (d)

(Bildquelle: Referenzen 5, 6 und 3D ScienceValley)

Die Leistungsfähigkeit poröser Keramik geht weit darüber hinaus. Seine komplexe innere Struktur macht es zu einem natürlichen Isolator und kann als Abschirmmaterial für elektromagnetische Wellen verwendet werden. Darüber hinaus eignet es sich aufgrund seiner guten Stabilität und Haltbarkeit gut als mikroelektromechanisches System. Es kann am Körper getragen werden, sogar am Handgelenk und an den Schuhsohlen, und dient als Sensor zur Erkennung menschlicher Aktivitäten, um den Menschen so besser zu dienen. [7]

Mit der Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie schreiten auch die Herstellungstechnologie und die Leistungsfähigkeit poröser Keramikmaterialien stetig voran und ihre Entwicklung ist im Aufwind. Durch die präzise Kontrolle der Mikrostruktur und Porengröße können in Zukunft porösere Keramikmaterialien mit komplexeren Porenstrukturen und idealer Porosität entwickelt werden, deren Anwendung langfristig wirtschaftlicher, effizienter und zuverlässiger wird. Seine hervorragende Leistung wird sicherlich in jedem Winkel unseres Lebens glänzen. Poröse Keramik hat großes Potenzial!

Quellen:

[1] Herstellungsverfahren und Forschungsstand poröser Keramiken

[2] Hammel EC, Ighodaro OLR, Okoli O I. Verarbeitung und Eigenschaften fortschrittlicher poröser Keramik: Eine anwendungsbasierte Übersicht[J]. Ceramics International, 2014, 40(10): 15351-15370.

[3] Kurze Analyse von acht Anwendungen poröser keramischer Materialien

[4] Zhu Xinwen, Jiang Dongliang, Tan Shouhong. Herstellung, Eigenschaften und Anwendungen poröser Keramik: (II) Struktur, Eigenschaften und Anwendungen poröser Keramik [J]. Journal of Ceramics, 2003, 024(002):85-91.

[5] Poröse schallabsorbierende Keramik: ein neuartiges Material zur Schalldämmung und Lärmreduzierung

[6] Zusammenfassung der Herstellungstechnologie und Anwendung poröser Keramik

[7] Chen Y, Wang N, Ola O, et al. Poröse Keramik: Leicht im Gewicht, aber schwer in der Energie- und Umwelttechnologie[J]. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik: R: Berichte, 2021, 143: 100589.