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In Beanspruchungssituationen beständige Keramik

In den letzten Jahrzehnten hielt die Keramik Einzug in nahezu alle Gebiete – angefangen bei der Technik bis hin zur Biomedizin. Sie bringt Vorteile wie eine hervorragende Härte, elektrische Isolierung und Beständigkeit gegenüber aggressiven Chemikalien oder thermischen Umgebungsbedingungen mit sich. Dank revolutionärer verformbarer Keramikverbundwerkstoffe konnte die letzte Hürde überwunden werden – die Sprödigkeit.

Industrielle Technologien

Seit Tausenden Jahren verwenden die Menschen Keramik und Metalle zur Herstellung von Gegenständen, angefangen bei Vasen über Werkzeuge bis hin zu Bauteilen. Entgegen der weitverbreiteten Meinung, dass Metalle beständiger sind und Keramik brüchiger ist, sind Keramikmaterialien unter Kompression sehr hart und stabil. Sie sind jedoch spröde, das heißt, sie sind minimal verformbar und können recht plötzlich brechen. Metalle hingegen sind form- und dehnbar – können also in verschiedene Formen gepresst oder gezogen werden, ohne zu zerbrechen. Das EU-finanzierte Projekt SISCERA hat diese Unterschiede ausgeglichen: Das Team brachte die weltweit erste Keramik mit vorhersehbarer umwandlungsinduzierter Plastizität auf den Markt.

Grenzen erkennen

Unregelmäßig verteilte kritische Defekte in der Keramik, die während der Herstellung entstehen, verursachen Sprödigkeit und führen letztlich zum Bruch der Keramik. Die Vorteile der Verwendung von Keramik werden häufig durch die Notwendigkeit der Reduzierung von Defekten durch teure und zeitaufwendige Herstellungs- und Testverfahren aufgewogen. Mit den Keramikverbundwerkstoffen von SISCERA wird der Bruch minimiert und ist wesentlich vorhersehbarer. Der SISCERA-Koordinator Nicolas Courtois von Anthogyr erklärt: „Unsere Keramikverbundwerkstoffe sind einzigartig, da sie signifikant verformt werden können, bevor sie unter einer definierten und abstimmbaren Belastung brechen. Außerdem steht der Bruch nicht mit Defekten in Zusammenhang, sodass konventionelle Gestaltungs- und Verarbeitungsverfahren angewendet werden können. Dadurch können [unsere Verbundwerkstoffe] in der Gestaltung einfacher übernommen werden und der Mehrwert der Keramik steigt. Insgesamt verknüpfen unsere Keramikverbundwerkstoffe die Vorteile von Metallen und der Keramik wie die chemische Stabilität, die Trägheit und Abnutzung sowie die Abrasionsbeständigkeit miteinander.“ Das macht sie zu einer attraktiven Alternative zu Metallen für viele technische Anwendungen.

Von Knochen bis hin zu Industrie- und Verbrauchsgütern

Jérôme Chevalier, stellvertretender Forschungsdirektor am INSA Lyon, zuständig für Gesundheits- und Biotechnik, sagt: „Zu Beginn des Projekts mussten wir wieder in die Entwicklung einsteigen, um neue Gestaltungsanforderungen zu erfüllen. Dank dieser anfänglichen Herausforderung lieferten wir ein Materialportfolio, das auf die Anwendung und nicht wie anfangs geplant auf eine einzige Lösung zugeschnitten werden kann.“ Primärer Zielmarkt des SISCERA-Teams war der Markt der biomedizinischen Implantate. Hauptaugenmerk lag auf Implantaten, die in den Knochen einwachsen sollen (Osseointegration), wie Zahn- und Gelenkimplantate. Das Team verfolgte einen Ansatz mit gestaltungsspezifischem Material, um die speziellen geforderten Eigenschaften eines Zahnimplantats wie Festigkeit, Belastbarkeit, Stabilität und Oberflächenmodifikation zu gewährleisten. Die Keramik zeigte eine verbesserte Osseointegration. Die Ergebnisse zeigten, dass die Kombination von Material- und Oberflächenmodifikation die derzeitigen Titanimplantatoberflächen übertrifft. Es entsteht schneller eine stärkere Adhäsion zwischen Knochen und Implantat – nach vier Wochen ist sie doppelt so stark. Das Zahnimplantat befindet sich inzwischen in der klinischen Validierungsphase. Laut Courtois und Chevalier gibt es für diese einzigartigen Materialien zahlreiche bisher unentdeckte Anwendungsmöglichkeiten. „Am Ende des Projekts zeigten wir, dass die plastische Umwandlung reversibel ist. Somit verfügen wir über ein Keramikmaterial mit Formgedächtnis“, fügen sie an. Ein Keramikverbundwerkstoff ist bereits für die industrielle Verwendung verfügbar, und eine mögliche Anwendung im großen Maßstab im Bereich Verbrauchsgüter wird derzeit getestet. Diese revolutionären Keramikverbundwerkstoffe, die erheblich verformt werden können, ohne dass sie brechen, werden Anwendungsbereiche von der Biomedizin bis hin zur Technik entscheidend verändern.

Schlüsselbegriffe

SISCERA, Keramik, Metalle, Verbundwerkstoffe, Zahnimplantat, Osseointegration, Sprödigkeit, verformbar, Formgedächtnis, Plastizität

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