Verfahrenstechnik 5/2017

VERFAHRENSTECHNIK IM

VERFAHRENSTECHNIK IM ALLTAG I SERIE Mit Durchblick Superharte Fenster aus transparenter Keramik Forscher haben bei Desy ein superhartes Fenster aus einer weit verbreiteten Industriekeramik hergestellt. Es ist das erste durchsichtige Werkstück aus Siliziumnitrid, wie das japanischdeutsche Team im Fachblatt „Scientific Reports“ berichtet. Kubisches Siliziumnitrid bildet sich unter hohem Druck und ist die dritthärteste Nanokeramik nach Diamant, kann aber wesentlich höheren Temperaturen standhalten. Autor: Till Mundzeck, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit, Deutsches Elektronen-Synchrotron Desy, Hamburg „Siliziumnitrid ist eine sehr beliebte Keramik in der Industrie“, erläutert Desy-Forschungsleiter Dr. Norimasa Nishiyama. „Es wird vor allem für Kugellager, Schneidwerkzeuge und Motorteile in der Auto- und Flugzeugindustrie verwendet.“ Der keramische Werkstoff ist extrem stabil, da die Silizium-Stickstoff-Bindung sehr stark ist. Unter Normalbedingungen besitzt Siliziumnitrid eine hexagonale Kristallstruktur, und gesinterte Werkstücke aus diesem Material sind nicht durchsichtig. Bei einem Druck von mehr als 13 GPa verändert sich die Kristallstruktur von Siliziumnitrid zu einer kubischen Symmetrie, die Experten als Spinell-Typ bezeichnen. „Die kubische Variante von Siliziumnitrid ist erstmals 1999 von einer Forschergruppe an der TU Darmstadt erzeugt worden, aber das Wissen über dieses Material ist noch sehr begrenzt“, sagt Nishiyama. Sein Team nutzte eine Hochdruckpresse, um hexagonales Siliziumnitrid einem Druck von 15,6 GPa und einer Temperatur von 1800 °C auszusetzen. Dabei entstand ein durchsichtiges Stück kubisches Siliziumnitrid (c-Si 3 N 4 ) mit einem Durchmesser von ungefähr 2 mm. „Es handelt sich um die erste transparente Probe dieses Materials“, betont Nishiyama. Gleichmäßige Verteilung Untersuchungen mit einem Transmissions- Rasterelektronenmikroskop an der Univer- sität Tokio zeigten, dass die Hochdruck- Probe des Materials nur sehr dünne Korngrenzen besitzt. „Außerdem verteilen sich in der Hochdruck-Phase Sauerstoff-Verunreinigungen in dem gesamten Material und sammeln sich nicht wie unter Normalbedingungen an den Korngrenzen. Das ist entscheidend für die Transparenz“, sagt Nishiyama. „Das kubische Siliziumnitrid ist die härteste und zäheste transparente Spinell-Keramik, die je erzeugt wurde“, fasst Nishiyama zusammen. „Kubisches Siliziumnitrid ist die dritthärteste Keramik, die wir kennen, nach Diamant und kubischem Bornitrid. Borverbindungen sind jedoch nicht transparent, und Diamant ist an der Luft nur bis etwa 750 °C stabil. Kubisches Siliziumnitrid dagegen ist transparent und bis 1400 °C stabil.“ Wegen des zur Herstellung nötigen hohen Drucks ist die Fenstergröße allerdings aus praktischen Gründen begrenzt. „Das Rohmaterial ist billig, aber für die Produktion transparenter Werkstücke benötigen wir etwa doppelt so viel Druck wie für künstlichen Diamant“, sagt Nishiyama. „Es ist relativ einfach, Fenster mit einem Durchmesser von einem bis 5 mm herzustellen. Aber alles über einem Zentimeter wird schwer zu erreichen sein.“ www.desy.de 58 VERFAHRENSTECHNIK 5/2017

VORSCHAU IM NÄCHSTEN HEFT: 6/2017 ERSCHEINUNGSTERMIN: 26. 05. 2017 • ANZEIGENSCHLUSS: 10. 05. 2017 03 01 02 04 01 In der Industrie stellen explosionsgefährdete Umgebungen hohe Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit der dort verbauten Schaltkomponenten Der direkte Weg Internet: www.verfahrenstechnik.de E-Paper: www.engineering-news.net Redaktion: redaktion@verfahrenstechnik.de 02 Eine große Herausforderung für den Einsatz von Tablets in Prozessanlagen stellen die erschwerten Arbeitsbedingungen dar 03 Ein neu entwickeltes Verfahren zur kombinierten Entstaubung, Entschwefelung und Entstickung von Abgas wird bei einem Unternehmen in China eingesetzt 04 Um präzise und zuverlässig Füllstände in einem Zuckersilo erfassen zu können, kommt ein berührungsloses Radar-Messgerät zum Einsatz (Änderungen aus aktuellem Anlass vorbehalten) VERFAHRENSTECHNIK 5/2017 59