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Hightech-Werkstoff im Salzmantel
Jülicher Forscher wollen mit Salz-Trick die Herstellungskosten für MAX-Phasen, Hoch- leistungsmetalle und -keramiken senken
Jülich, 3. April 2019 MAX-Phasen gelten als Material der Zukunft, beispielsweise für Turbinen in Kraftwerken und Flugzeugen, Raumfahrtanwendungen oder medizinische Implantate. Ein neues Verfahren von Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jü- lich macht es nun erstmals möglich, die begehrte Werkstoffklasse im industriellen Maßstab herzustellen: Ein Mantel aus Salz schützt das Ausgangsmaterial bei einer Herstellungstemperatur von über 1.000 Grad vor Oxidation und kann danach mit Wasser einfach wieder abgewaschen werden. Die jüngst im Fachmagazin Nature Mate- rials vorgestellte Methode ist auch auf andere Hochleistungswerkstoffe anwendbar.
Mit dem neuen Verfahren reicht nun schon ein normaler Ofen. Im Bild: Dr. Jesus Gonzalez- Julian (rechts) und Apurv Dash (links)
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Regine Panknin
MAX-Phasen vereinen die positiven Eigenschaften von Keramiken und Metallen. Sie sind hitzestabil und leicht wie eine Keramik, gleichzeitig aber weniger spröde und plastisch verformbar wie ein Metall. Zudem sind sie die stoffliche Basis für die noch wenig er- forschten MXene, die so überraschende elektronische Eigenschaften besitzen wie das Wundermaterial Graphen.
-Phasen in Pulverform herzustellen, so wie es für die industrielle Weiterverarbeitung wünschenswert wäre. In der industriellen
Produktion spielen MAX- -
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Professor Jesus Gonzalez-Julian, Nachwuchsgruppenleiter am Forschungszentrum Jü- lich.
Der Trick mit dem Salz
MAX-Phasen entstehen bei über 1.000 Grad Celsius. Damit die Materialien bei derart ho- hen Temperaturen nicht mit dem Luftsauerstoff reagieren und oxidieren, findet die Her- stellung normalerweise im Vakuum oder in einer Schutzatmosphäre aus Argon statt. Die Jülicher Methode ist im Vergleich dazu verblüffend einfach. Die Forscher ummanteln die Ausgangsstoffe mit einem Salz, Kaliumbromid, das während des Prozesses schmilzt. Ein Vakuum oder eine Argonatmosphäre als zusätzlicher Schutz wird nicht mehr benötigt.
r- Nature Materials und Doktorand am Forschungszentrum Jülich.
Das Salz wirkt außerdem als Trennmittel. Die Komponenten backen nicht mehr zu einem kompakten Feststoff zusammen, sodass die Herstellung feinkörniger Pulver möglich wird. Das ist wichtig, ein langer und energieaufwändiger zusätzlicher Mahlvorgang wird so nicht mehr benötigt. Als positiver Nebeneffekt senkt das Salzbad zudem die Synthese- temperatur, bei der die Ausgangsstoffe eine Verbindung miteinander eingehen, was zu- sätzlich dazu beitragen dürfte, Energie- und Herstellungskosten einzusparen.
Nur mit Salz und Wasser
Verfahren mit geschmolzenem Salz werden bereits seit längerem zur Pulverherstellung für sogenannte nichtoxidische Keramiken eingesetzt. Allerdings nicht an der Umge- bungsluft, sondern in schützender Argon-Atmosphäre, was die Herstellung entsprechend aufwendig und teuer macht.
bei Raumtemperatur vollkommen dicht und undurchlässig wird. Wir konnten jetzt nach- weisen, dass es ausreicht, wenn man den Werkstoff fest genug in ein Salzpellet einkap- selt, um schon vor dem Schmelzen des Salzes bei 735 Grad Celsius den Sauerstoffkon- Dash.
Bei der Erfindung der Methode war wie bei vielen wissenschaftlichen Entdeckungen auch ein wenig Zufall mit im Spiel. Vakuumöfen sind wegen der hohen Anschaffungskos- ten rar und aufwendig zu reinigen. Für die Pulverherstellung war der Jülicher Doktorand daher testweise einmal auf einen normalen Ofen ausgewichen mit Erfolg.
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Das Verfahren ist nicht auf ein bestimmtes Material beschränkt. Die Forscher konnten damit bereits eine Vielzahl unterschiedlicher MAX-Phasen und weitere Hochleistungs- werkstoffe herstellen wie zum Beispiel Titanverbindungen für Bioimplantate und den Flugzeugbau. Als nächstes planen sie nun die Erprobung industrieller Prozesse, mit denen sich die Pulver weiter verarbeiten lassen.
Originalpublikation:
Molten salt shielded synthesis of oxidation prone materials in air Apurv Dash, Robert Vaßen, Olivier Guillon, Jesus Gonzalez-Julian
Nature Materials (published 1 April 2019), DOI: 10.1038/s41563-019-0328-1 Weitere Informationen:
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Prof. Dr. Olivier Guillon
Leiter des Instituts für Energie- und Klimaforschung, Werkstoffsynthese und Herstel- lungsverfahren (IEK-1)
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E-Mail: o.guillon@fz-juelich.de Prof. Dr. Robert Vaßen
Stellvertretender Direktor und Abteilungsleiter des Instituts für Energie- und Klimafor- schung, Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
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E-Mail: r.vassen@fz-juelich.de Dr. Jesus Gonzalez-Julian
Jun.-Prof. und Teamleiter am Institut für Energie- und Klimaforschung, Werkstoffsynthe- se und Herstellungsverfahren (IEK-1)
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E-Mail: j.gonzalez@fz-juelich.de Apurv Dash
Doktorand am Institut für Energie- und Klimaforschung, Werkstoffsynthese und Herstel- lungsverfahren (IEK-1)
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