Robert Klatt
Der Verbundwerkstoff 9PHEB ist leicht, hat eine hohe Druckfestigkeit und gute Isolationseigenschaften. Er könnte deshalb Raumschiffe, Flugzeuge und andere Einsatzbereiche mit Extrembedingungen revolutionieren.
Guangzhou (China). Keramik mit einem hohen Porenanteil kommt seit Langem in der Raumfahrt zum Einsatz, etwa bei den Hitzeschutzkacheln des Space Shuttle, weil ihre Wärmeisolation besonders gut ist. Die Materialien können somit die extrem niedrigen Temperaturen im Weltraum sowie die extrem hohen Temperaturen beim Wiedereintritt in die Atmosphäre aushalten. Die Keramikelemente sind dank der vielen Poren aber leicht zerbrechlich.
Forscher der Guangzhou University (GU) haben laut einem Bericht der South China Morning Post (SCMP) deshalb ein neues Material entwickelt, das nicht zerbrechlich ist und trotzdem hervorragende Wärmeisolationseigenschaften besitzt.
Laut der Publikation im Fachmagazin Advanced Materials besteht das Keramikmaterial 9PHEB aus neun Komponenten. Der Verbundwerkstoff konnte in Experimenten seine Wärmeisolation, seine Festigkeit und seine Form bei bis zu 2.000 Grad Celsius beibehalten. Obwohl seine Porosität bei 50 Prozent liegt, besitzt es bei Raumtemperatur eine Druckfestigkeit von 337 Millionen Pascal (337 MPa). Dies ist deutlich höher als bei Stahl (250 MPa) und übertrifft alle zuvor entwickelten porösen Keramiken.
Weitere Experimente zeigten, dass das Material bei 1.500 Grad Celsius seine Festigkeit nahezu komplett behält (98,5 %). Drucktests bei 2.000 Grad Celsius führten lediglich zu kleinen Deformation, während normale Keramik bei dieser Temperatur brüchig wird. Die Forscher haben 9PHEB bei hohen Temperaturen zudem um 49 Prozent gedehnt. Überraschenderweise zerbrach der Verbundwerkstoff dadurch nicht, sondern seine Druckfestigkeit nahm zu (690 MPa).
Laut den Wissenschaftler sind für die besonderen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs seine unterschiedlichen Schichten verantwortlich. Ein Großteil der Poren (92 %) befindet sich auf einer Mikroebene, die primär für die gute Wärmeisolation verantwortlich ist. Die hohe Festigkeit des Materials wird durch starke Verbindungen auf der Nanoebene erreicht. Hinzukommt das entropische Design auf der atomaren Ebene, das die Steifigkeit erhöht und die Wärmeleitfähigkeit reduziert.
Das Material 9PHEB eignet sich laut den Forscher für Einsätze unter Extrembedingungen, etwa in der Luft- und Raumfahrt. Es könnte beispielsweise dazu verwendet werden, Hyperschall-Flugzeuge leichter zu machen, weil es mehrere andere Werkstoffe, die zuvor kombiniert werden mussten, ersetzen kann. Denkbar ist außerdem der Einsatz im Energiesektor. Wann in China die Serienproduktion des Materials beginnen wird, ist bisher nicht bekannt.
Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.202311870
