Innovative Werkstoffe in der Industriellen Anlagentechnik

Ein offensichtlicher Bereich, auf den sich die Bemühungen konzentrieren, sind die in der industriellen Produktion verwendeten Materialien. Durch das Engineering von Materialien auf atomarer Ebene ist es möglich, sie mit verbesserten Eigenschaften auszustatten (z. B. Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Kräften, erhöhte Leitfähigkeit usw.). Diese neu geschaffenen Hochleistungswerkstoffe sind für die Industrie von entscheidender Bedeutung, nicht zuletzt, weil sie zu neuen industriellen Anlagen und Produkten führen und damit Prozessoptimierung sowie Innovation vorantreiben können. Insgesamt liegt der Schwerpunkt bei den innovativen Werkstoffen derzeit auf drei Aspekten: Nachhaltigkeit, Leichtbau und intelligente Werkstoffe (vom Licht generierenden Zement bis hin zu Werkstoffen, die sich selbst heilen können).

Materialien mit gemeinsamen Merkmalen werden traditionell in vier Gruppen eingeteilt: Metalle, Keramik, Polymere und Verbundwerkstoffe. Neben diesen vier Gruppen sind auch Halbleiter und Biomaterialien zu erwähnen, die jedoch separate Kategorien darstellen.

Um ein Material einer dieser vier Gruppen zuzuordnen, analysieren spezialisierte Techniker eine Reihe von Variablen, die durch die Eigenschaften des Materials definiert sind (mechanische, technische, thermische, elektrische und chemische Eigenschaften). Die mechanische Beständigkeit ist beispielsweise die Fähigkeit einer Struktur, äußeren Kräften zu widerstehen, ohne sich plastisch zu verformen; zu den chemischen Eigenschaften gehört die Korrosionsbeständigkeit, d. h. die Eigenschaft, Schäden durch direkte Oxidation oder chemische Korrosion zu verhindern.

Metalle sind feste chemische Elemente bei Raumtemperatur (23 °C) und einem atmosphärischen Druck von 1 atm (mit der einzigen Ausnahme von Quecksilber). Sie zeichnen sich durch ihren Glanz, ihre Lichtundurchlässigkeit, ihre Härte sowie durch zwei mechanische Eigenschaften aus: ihre Verformbarkeit, die es ermöglicht, sie zu dünnen Blechen zu zerkleinern, und ihre Duktilität, die es erlaubt, sie zu dünnen Drähten zu dehnen. Weitere physikalische Eigenschaften sind die hohe Dichte, die gute Schmelzbarkeit und vor allem die hohen Koeffizienten der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit.

Das Wort Keramik leitet sich von dem griechischen Begriff "Keramus" ab, der Ton bedeutet. Dies gibt einen guten Hinweis darauf, worum es sich dabei handelt: feste Verbindungen, die durch die Anwendung von Hitze und Druck gebildet werden und aus mindestens einem Metall (oft handelt es sich dabei um ein Leichtmetall) und einem Nichtmetall bestehen. Typische Eigenschaften von Keramik sind leichte Formbarkeit, geringe Kosten und Dichte, Korrosions- und Hochtemperaturbeständigkeit. Beispiele sind Karbide (Siliziumkarbid, SiC), Nitride (Siliziumnitrid, Si3N4), Oxide (Aluminiumoxid, Al2O3), Silikate (Zirkoniumsilikat, ZrSiO4) usw.

Ein Polymer ist ein Makromolekül, das durch die Wiederholung kleiner und einfacher chemischer Einheiten (Monomere) gebildet wird, die kovalent miteinander verbunden sind. Polymerisation ist die Bezeichnung für den Prozess, bei dem die verschiedenen sich wiederholenden Einheiten (Monomere) reagieren, um eine Polymerkette zu bilden.

Während natürliche Polymere wie Asphalt und Gummi schon seit der Antike verwendet werden, kamen synthetische Polymere erst im 19. Jahrhundert auf, als Goodyear 1839 das Verfahren der Kautschuk-Vulkanisation entdeckte. Von da an führte eine Vielzahl von Entwicklungen zu kommerziellen Produkten, die seither weit verbreitet und weiterentwickelt wurden. So führte die Nitrierung von Cellulose zu Nitrocellulose und später zu Zelluloid, was die Filmindustrie beflügelte. Die anschließende Acetylierung von Cellulose führte unter anderem zu Cellophan. Die heutzutage am häufigsten eingesetzte Polymere sind Polyethylen, Polypropylen usw.

Ein Verbundwerkstoff ist ein Material, das aus zwei oder mehr verschiedenen Materialien besteht (Metalle und Polymere, Metalle und Keramik oder Polymere und Keramik). Verbundwerkstoffe kombinieren die besten Eigenschaften der Materialien, aus denen sie bestehen.

Glasfaser ist zum Beispiel ein mit Glas verstärkter Kunststoff, bei dem zur Härte des Glases die Flexibilität des Polymers hinzu kommt. Ein weiteres bekanntes Beispiel sind Kohlenstofffasern, die im Bauwesen häufig in Betonstrukturen verwendet werden, um deren Festigkeit zu erhöhen. Auch die Automobilindustrie nutzt diese Technologie bei der Konstruktion von leichten Fahrzeugen, um deren Leistung aufgrund ihres geringen Gewichts zu verbessern.

Das Konzept der Hochleistungswerkstoffe basiert auf der bewährten Erfahrung, bestehende Werkstoffe zu verbessern oder sogar völlig neue Werkstoffe auf der Grundlage bereits bestehender Werkstoffe zu schaffen. Einfach ausgedrückt, geschieht dies durch die Zugabe spezifischer Zusatzstoffe und die Anwendung spezieller Verfahren auf bestehende Materialien. Diese neuen Materialien ermöglichen dann die Entwicklung neuer Technologien. Ein bahnbrechender Moment in der Geschichte dieser Materialien war die Patentierung von Bakelit im Jahr 1909, einem frühen Kunststoff, der von elektrischen Isoliergehäusen bis hin zu Schusswaffen, von Küchenutensilien bis hin zu Spielzeuge usw. kommerziell genutzt wurde. Ein modernes Beispiel sind metallische Gläser, die dank ihrer gleichzeitig erhöhten Plastizität und mechanischen Widerstandsfähigkeit in allen Arten von elektronischen Geräten verwendet werden. In diesem Zusammenhang spielt die Nanotechnologie eine große Rolle, denn sie ermöglicht es, die Eigenschaften bestehender Materialien in etwas Neues zu verwandeln. Auch die Wartungsprozesse werden ständig verbessert. Ein gutes Beispiel dafür sind Schweißprodukte, die mit Hilfe von Mikro-Laser-Schweißtechnologien hergestellt werden.

Hochleistungslegierungen werden dank ihrer Kombination aus erhöhter Widerstandsfähigkeit und geringerem Gewicht in praktisch allen Industriezweigen eingesetzt. Sie haben bereits ein enormes industrielles und kommerzielles Gewicht in Deutschland und der ganzen Welt und sind als solche für die Schaffung zahlreicher Arbeitsplätze der nächsten Generation verantwortlich, was zu einem beträchtlichen technologischen Fortschritt in der Industrie und in der Gesellschaft gleichermaßen führt.

Vereinfacht ausgedrückt, ermöglichen die Legierungen dem Stahl, durch das zugesetzte Metall (Aluminium, Chrom, Mangan, Nickel, Wolfram usw.) zusätzliche Eigenschaften zu erlangen. Diese Legierungen können eine höhere Elastizität aufweisen, wodurch sie leicht formbar sind, sowie verbesserte mechanische Eigenschaften, die sie widerstandsfähiger gegen Stöße, Verschleiß und Hitze machen.

Aufgrund ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit eignen sich Titanlegierungen beispielsweise für Anwendungen in der petrochemischen Industrie, während Nickellegierungen in Industrien mit Hochtemperaturöfen eingesetzt werden. Es gibt Kobaltlegierungen, die sehr abriebfest sind und deshalb häufig in der Eisenbahnindustrie verwendet werden.

Die Suche nach leichten und ultraleichten Materialien war schon immer ein Schwerpunkt der Industrie. Insbesondere die Automobil- und die Luftfahrtindustrie haben ein offensichtliches Interesse daran, Lösungen zu finden, die das Gewicht von Fahrzeugen reduzieren, ohne die Widerstandsfähigkeit gegenüber allen möglichen Elementen zu beeinträchtigen. Diese Suche wurde in letzter Zeit durch die Entwicklung von Elektromotoren verstärkt, die, da sie in Bezug auf die erzeugte Leistung noch nicht auf dem Niveau herkömmlicher Verbrennungsmotoren liegen, von einer geringeren Belastung stark profitieren würden. Solche Werkstoffe haben das Potenzial, die Herstellungskosten zu senken, da die Produkte bei geringerem Materialeinsatz effizienter werden und gleichzeitig die Produktionszeit verkürzt werden kann. Neben dem geringeren Verbrauch bieten leichtere Fahrzeuge auch bessere Leistungen in Bezug auf Beschleunigung und Verzögerung. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass ultraleichte Materialien auch für andere Industriezweige wie die IT-Branche oder das Gesundheitswesen von großem Interesse sind (man denke an Implantate, Prothesen usw.).

Allerdings ist es auch angebracht, die Gründe zu analysieren, warum diese Materialien noch nicht weit verbreitet sind. Zunächst einmal sind sie teuer und daher für die Massenproduktion nicht immer kosteneffizient. Sie sind auch nicht immer in den für die Massenproduktion erforderlichen großen Mengen verfügbar, so dass sie eher in Nischen- oder Prestige Produkten eingesetzt werden. Trotz ihrer Vorteile haben nicht alle Leichtbauwerkstoffe die gleichen Eigenschaften wie andere Werkstoffe (sie können z. B. spröde und weniger dehnbar oder weniger korrosionsbeständig sein).

Spezielle Beschichtungen können die Korrosion durch Oxidation, chemische Einflüsse und andere Einflüsse verhindern. Dazu gibt es verschiedene Arten von Beschichtungen, z. B. Zink, Nickel, Chrom usw. Keramische Beschichtungen werden häufig zum Schutz von Werkstoffen gegen Korrosion in aggressiven Umgebungen verwendet; diese Beschichtungen können durch thermisches Spritzen oder Streichen aufgebracht werden.

Es gibt eine Reihe vielversprechender Entwicklungen für künftige Hochleistungsmaterialien, wie z. B. biobasierte Polymere. Derzeit basieren die meisten in der Industrie verwendeten Polymere noch auf fossilen Brennstoffen, und mit der zunehmenden Konzentration auf Nachhaltigkeit verlieren sie an Attraktivität. Biobasierte Polymere hingegen bestehen zumindest teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen wie Mais, Zuckerrohr und anderen biologisch erneuerbaren Ressourcen.

Graphen ist ein Nanomaterial, das nur aus Kohlenstoff besteht, wobei sich die Atome zu hexagonalen Strukturen verbinden. Dieses Material ist leicht, elektrisch leitfähig, starr und wasserfest. Seit seiner Entdeckung im Jahr 2004 hat Graphen großes Interesse bei der Forschungsgemeinschaft geweckt und Investitionen in Millionenhöhe ausgelöst, während die Wissenschaftler versuchen, eine kostengünstigere Methode zu entwickeln, um es in großem Maßstab herzustellen. Graphen gilt als Material der Zukunft, da es in verschiedenen Bereichen wie der Nanochemie und dem Nano-Engineering eingesetzt werden kann. Unternehmen auf der ganzen Welt nutzen Graphen bereits in großem Umfang zur Entwicklung innovativer Produkte in Bereichen wie Medizin, Technik, Elektronik, Energie usw. Obwohl Graphen das Wunder-Kind der innovativen Materialien sein mag, wird seine Leader-Position bereits von Carbyne unter Druck gesetzt. Diese Form des Kohlenstoffs, die 2016 erstmals synthetisiert wurde, soll das stärkste aller bekannten Materialien auf der Erde sein, Graphen eingeschlossen. Es besteht aus einer eindimensionalen Kette von Kohlenstoffatomen, die hochreaktiv ist. Das starre Material soll doppelt so stark sein wie Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhren.

Industrielle Werkstoffe lassen sich grob in vier Gruppen einteilen: Metalle, Keramik, Polymere und Verbundwerkstoffe. Sie alle weisen eine Vielzahl spezifischer Eigenschaften auf, die sie für potentielle industrielle Anwendungen unterschiedlich geeignet machen. Allen gemeinsam ist, dass sie zur Entwicklung neuer Materialien weiterentwickelt werden können, um leichtere, intelligentere und nachhaltigere Produkte und Prozesse zu ermöglichen.

Lesen Sie diesen Artikel, um die Unterschiede zwischen den eingesetzten Materialien zu verstehen und einen Einblick in die Zukunft zu erhalten. Schauen Sie sich dann in unserer Produktwelt um, damit Sie leicht die richtige Lösung für Ihre Projekte finden.