Saphir ist das zweithärteste aller natürlichen Materialien und wird aufgrund seiner besonderen chemischen Eigenschaften häufig als Saphirglas eingesetzt. Ein großes Manko ist jedoch der Preis. CeramTec bietet mit dem Werkstoff Perlucor eine transparente Keramik, die besonders belastbar, sehr beständig und in der Produktion günstiger als Saphir ist.
Die Anforderungen zu Beginn des groß angelegten Entwicklungsprojektes waren klar definiert: Entstehen soll ein transparenter Werkstoff, der hohen Belastungen standhält und gleichzeitig kostengünstiger als vergleichbare Materialien ist. Herausgekommen ist Perlucor – ein hochreiner keramischer Werkstoff mit imponierenden Eigenschaften. „Mit der Entwicklung von Perlucor haben wir einen entscheidenden Schritt gemacht. Mithilfe von Perlucor gelingt der Vorstoß in vollkommen neue Dimensionen für transparente Lösungen“, erklärt Dr. Lars Schnetter, Bereichsleiter Forschung und Entwicklung bei CeramTec-Etec.
Hohe chemische Beständigkeit
Aufgrund ihrer Reinheit und Bindungsstärke weist die transparente Keramik Perlucor eine hohe chemische Beständigkeit auf. Um diese nachzuweisen, wurden Auslagerungsversuche mit einer Vielzahl unterschiedlicher chemischer Substanzen wie Natronlauge, Kalilauge, Schwefelsäure, Salzsäure, Zitronensäure oder Milchsäure durchgeführt. Dazu legte Dr. Schnetter Rundteile mit einem Durchmesser von 27 mm für eine Dauer von sieben Tagen bei Raumtemperatur in die Behälter mit hochkonzentrierten Säuren und Laugen. Die Bestimmung der Inline- sowie der Real-Inline-Transmission erfolgte an polierten Werkstücken sowohl vor als auch nach der chemischen Behandlung. So konnten Rückschlüsse auf die Resistenz des Materials gegenüber korrosiven Medien gezogen werden. Das Ergebnis: Auch nach einer Woche konnte keine der Säuren oder Laugen der transparenten Keramik wirklich Schaden zufügen. Perlucor ist deshalb zum Beispiel als Prozessfenster in Chemieanlagen und Messinstrumenten einsetzbar. Im Umkehrschluss ermöglicht die Verwendung von Perlucor auch Einsätze, ohne dass es zu Produktverunreinigungen kommt.
Transparenz im Infrarotbereich
Auch die thermische Belastbarkeit von Perlucor ist sehr gut. So besitzt die transparente Keramik gegenüber Glas eine um bis Faktor drei höhere Erweichungstemperatur. Hierzu wurden Versuche mit Perlucor-Rundproben in einem Laborofen mit verschiedenen Maximaltemperaturen und Haltezeiten durchgeführt. Die Versuchstemperaturen lagen zwischen +900 und +1300 °C und wurden je 2 bzw. 12 h gehalten. Dabei wurde die Transparenz von Perlucor vor und nach der Temperaturbehandlung gemessen. Die Veränderung der Transparenz ist ein Maß für eine Veränderung des Gefüges oder des gesamten Werkstückes und drückt somit die Temperaturbeständigkeit aus.
Das Besondere an diesen Versuchsergebnissen: Wo konventionelles Glas schon lange geschmolzen wäre, blieb Perlucor vollkommen unbeschadet. Deshalb ist die transparente Keramik beispielsweise auch für den Einsatz als Sichtfenster in Hochtemperaturöfen bei Temperaturen von bis zu +1600 °C einsetzbar. Da die tatsächliche Schmelztemperatur mit über +2000 °C sogar noch höher liegt, ist auch eine große Sicherheitsreserve vorhanden.
Der hohe Transparenzgrad, auch bei Wellenlängen von über 6 µm, eröffnet Perlucor im optischen Bereich weitere Einsatzgebiete. So eignet sich die transparente Keramik für Fenster im Infrarotbereich wie beim Schutz von Pyrometern. Grundsätzlich ist Perlucor auch für den Einsatz bei Infrarotsensoren jeglicher Art verwendbar.
Hohe Festigkeit
Neben der hohen Transparenz von mehr als 80 % – was einer relativen Transparenz von über 90 % entspricht – überzeugt Perlucor auch mit einer großen Festigkeit und Härte, die die Werte von Glas um das Drei- bis Vierfache überschreiten. Eine Härteprüfung, die nach Vickers (DIN EN ISO 6507-1) durchgeführt wurde, bestätigt dies. Hierzu wurde eine regelmäßige, vierseitige Diamantpyramide mit einer definierten Prüfkraft senkrecht auf den Werkstoffen Perlucor und Saphir angebracht und für 10 bis 15 s in die Werkstücke eingedrückt. Dabei entstand an der Probenoberfläche ein pyramidenförmiger Eindruck, anhand dessen die Härte über die verwendete Prüfkraft und die Eindrucksfläche berechnet wurde. Ein signifikanter Unterschied bestand in den Ausbrüchen, die aus der Krafteinwirkung an der Materialoberfläche resultieren. Während bei Saphir aufgrund seiner hohen Sprödigkeit bei größeren Lasten großflächige Ausbrüche entstanden, waren die Eindrücke bei Perlucor auch bei hohen Lasten noch scharf zu erkennen. Hieraus lässt sich eine höhere Mikro-Schädigungstoleranz des polykristallinen Werkstoffs deuten. Damit ist Perlucor auch für den Einsatz unter sehr hohen Verschleißbedingungen ideal geeignet.
Individuelle Herstellung
Die Standardgröße von Perlucor beträgt 90 x 90 mm. Aus diesem Format können auch Sonderkonturen gefertigt werden. Die Plattenstärke kann individuell auf 0,1 mm genau hergestellt werden und liegt in der Regel zwischen 2 und 10 mm. Um größere Flächen zu erzeugen, lassen sich die Perlucorformen zu Multi- Tile-Verbünden kombinieren. Die Fügekanten werden mithilfe des speziell von CeramTec entwickelten Verfahrens so gefügt, dass die Fugen und Stoßkanten nur noch zu erahnen sind und so eine nahezu durchgängig transparente Fläche geschaffen wird.
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