Vom Baum zur Hochleistungskeramik

Ein Rennwagen muss bremsen und anhalten können. Dabei werden Bremsscheiben und -beläge glühend rot. Bei moderaten Temperaturen sind Teile aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff schwarz. Solche für den Rennsport entwickelten Spezialbremsscheiben und andere stark belastete Teile wie Lager würden Autoindustrie und deren Zulieferer sicher auch in Familienkutschen einbauen – wenn sie erschwinglich wären. Das Potenzial dazu besitzt ein faserhaltiger Werkstoff, der leicht übertrieben als »nachwachsende Keramik« bezeichnet werden kann. Verkokte Flachs-, Hanf- oder Holzfasern bilden das Carbongerüst. Mit flüssigem Silicium getränkt, bildet sich das sehr feste, verschleiß- und temperaturbeständige Siliciumcarbid.

»Bereits in den Kohlefaserplatten steckt einiges Know-how«, weiß Dr. Stefan Siegel, Gruppenleiter am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe IKTS. »Startmaterial sind Platten aus harzbeschichteten Pflanzenfasern, die uns Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Holzforschung bereitstellen. Carbonisierung heißt der Prozess, bei dem wir den Naturfaserverbund unter Luftausschluss auf Temperaturen über 1 000 °C erhitzen.« Wichtig ist es dabei, dass der Schwindungsprozess – also eine Volumenreduktion – homogen und verzugsfrei abläuft. Am Ende bleibt Kohlenstoff zurück; die anderen Bestandteile haben sich weitgehend zersetzt und verflüchtigt.« Diese nun schwarzen Platten können beispielsweise als Konstruktionselemente oder als Dämmmaterial in Öfen verwendet werden. Die Naturfaser- oder Carbonisathalbzeuge können aber auch mit industrieüblichen Bearbeitungsverfahren wie Sägen, Bohren oder Fräsen zu Bauteilen gestaltet werden.

Doch nun zur Siliciumcarbid-Keramik. Oberhalb von etwa 1 400 °C wird Silicium flüssig und dringt in die bis zu einem Quadratmeter großen Platten oder bearbeiteten Beiteile wie in einen Schwamm ein. Binnen kurzer Zeit reagiert das Silicium mit dem Kohlenstoff und bildet so eine faserhaltige Keramik. Im Gegensatz zur Carbonisierung ändern die Teile in diesem Schritt ihre Form nicht mehr.

Die Nachbearbeitung eines harten Keramikwerkstoffes wie Siliciumcarbid ist aufwendig. Für Produzenten von mechanisch und thermisch hochbelasteten Teilen im Maschinenbau zeichnet sich mit der »Holzkeramik« eine einfacher handhabbare und kostengünstige Alternative ab, denn der Werkstoff lässt sich bereits im weichen Zustand in Form bringen.