Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 10.10.14


Hochleistungskeramiken im Automobilbau

Vortrag von Sebastian Herlitz im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", SS 2014


Gliederung:


Einstieg: 1982 gab es schlechte Nachrichten für Europas Autoindustrie: Die Japaner haben den ersten Keramikmotor zum laufen gebracht. Das keramische Triebwerk aus dem Fernen Osten ließ sich damals gerade noch als sensationelle Spielerei herunterreden, mittlerweile spielen Keramiken im Autobau jedoch eine unersetzbare Rolle. Ein Keramikmotor würde durch den sehr geringen Reibungswiderstand von Keramiken deutlich weniger Schmiermittel verbrauchen und außerdem ca. die 3-fache Lebensdauer normaler Motoren erreichen. Durch die hohe Hitzebeständigkeit der keramischer Bauteil könnte der Wirkungsgrad um bis zu 20% gesteigert werden und würde gleichzeitig kaum Kühlung benötigen. Das damalige Ziel war der adiabatischer also ohne Wärmeaustausch arbeitende Dieselmotor. Trotz zahlreicher Vorteile ist der Keramikmotor auch im Jahr 2014 noch nicht realisierbar. Es gibt jedoch zahlreiche andere Anwendungen technischer Keramiken im Automobilbau.

1 Keramische Bauteile

1.1 Zündkerze

Funktion: Durch eine Zündspule wird Spannung erzeugt die auf die Zündkerze übertragen wird. Der so entstehende Zündfunke springt von der isolierten Mittelelektrode auf die Masse-Elektrode über und entzündet so das Luft-Treibstoff-Gemisch.

Die Isolation einer herkömmlichen Zündkerze besteht aus Aluminiumoxid. Sie verhindert beim oben beschriebenen Prozess das Überschlagen der angelegten Hochspannung auf die Fahrzeugmasse und kann durch die hohe thermische Leitfähigkeit des Materials die entstehende Verbrennungswärme an den Zylinderkopf ableiten.

Zündkerze
Abb. 1:Zündkerze [6]

Aluminiumoxid zeigt jedoch auch Eigenschaften wie Reibungs- und Verschleißfestigkeit und wird deshalb auch für die Panzerung von Fahrzeugen eingesetzt, wobei es die doppelte Schutzwirkung im Vergleich zu Panzerstahl erzielt. Aufgrund der hohen Sprödigkeit muss Aluminiumoxid jedoch kachelartig auf die Fahrzeugoberfläche aufgebracht werden.

1.2 Porsche Ceramic Composite Brake System (PCCB)

Die Bremsscheiben (SiC) und die Isolation der Bremsen (ZrO2) des PCCB bestehen aus technischen Keramiken. Durch beide Werkstoffe kann das Gewicht des Bremssystems gegenüber vergleichbaren Systemen aus Gusseisen um mehr als 50% verringert werden, die Bremsscheiben weißen zusätzlich wenig Abrieb (Fading-Effekt) und hohe Korrosionsbeständigkeit auf und sorgen so für eine Haltbarkeit des Bremssystems von garantierten 300.000 km.

PCCB
Abb. 2: PCCB [7]

1.3 Bremsenisolation

Gerade die Isolation des Bremsensystems muss korrosionsbeständig sein. Beim Bremsvorgang können Temperaturen von bis zu 800 °C entstehen, herkömmliche Bremsflüssigkeiten sieden jedoch schon bei 210 °C. Man braucht also einen guten thermischen Isolator. Hier bietet sich Zirkondioxid durch seine niedrige Wärmeleitfähigkeit, Verschleiß- und Bruchfestigkeit und seine Sauerstoffionen-Leitfähgkeit an. Aufgrund der letzten Eigenschaft kommt Zirkondioxid auch in der Lambdasonde zum Einsatz.


2 Beständigkeit in Lösungsmitteln

Keramische Werkstoffe stehen vor allem in Konkurrenz zu Metallen und Kunststoffen. Ein klarer Vorteil der Keramiken ist die wesentlich höhere Beständigkeit in anorganischen und organischen Lösungsmitteln, wie beispielsweise Salzsäure, Wasser oder Aceton.


3 Herstellungsprozess

Herstellungsprozess
Abb. 3: Herstellungsprozess

Der Ausgangsstoff wird bei Silikatkeramiken aus Naturprodukten wie Kaolin oder Mullit gewonnen. Zur Synthese von oxidischen und nicht-oxidischen Keramiken werden meist synthetisierte, stöchiometrische Pulver verwendet. In der Masseaufbereitung werden die Komponenten durch Mahlen homogenisiert. Im nächsten Schritt der Formgebung wird das Bauteil in eine Form gepresst die der Endform möglichst nahe kommt um teure Nachbearbeitungen zu vermeiden. Hier muss berücksichtigt werden dass das Bauteil beim Sintervorgang um ca. 20% schrumpft. Unter Sintern versteht man die Verdichtung eines pulverförmigen Materials unter Temperatureinwirkung mit Druckeinwirkung. Die Temperatur muss hierbei unterhalb des Schmelzpunkts der Hauptkomponente liegen. Hierbei kommt es nun zum Schrumpfen des Materials um den oben erwähnten Faktor. Erst nach diesem Schritt zeigt dass Bauteil seine charakteristischen Eigenschaften. Die abschließende Endbearbeitung ist sehr kostenintensiv was an der hohen Verschleißfestigkeit und Härte technischer Keramiken liegt. Hierfür werden teure Werkzeuge verwendet die wiederum aus keramischen Verbundwerkstoffen bestehen.


Zusammenfassung

Hochleistungskeramiken sind im Allgemeinen nicht-metallische, anorganische Verbindungen die aus synthetischen Pulvern eng definierter Zusammensetzung hergestellt werden. Man unterscheidet drei Arten von Keramiken: Oxidkeramiken, Silikatkeramiken und Nichtoxidkeramiken, deren wichtigste Eigenschaften hohe Härte, Korrosions-, Verschleiß- und Hochtemperaturbeständigkeit, sowie thermische/elektrische Isolationsfähigkeit als auch thermische/elektrische Leitfähigkeit sind. Da keramische Werkstoffe jedoch sehr teuer sind, kommen sie meist nur dort zum Einsatz, wo Metalle und Kunststoffe an ihre Grenzen stoßen.

Keramik-Übersicht 
Abb. 4: Keramische Werkstoffe


Literatur

  1. Holleman, Arnold; Wiberg, Egon: (2007). Lehrbuch Anorganische Chemie. Berlin/New York: Walter de Gruyter.

  2. Die Zeit. (26. November 2013). Von http://www.zeit.de/1982/48/leicht-zu-heiss/seite-1  abgerufen

  3. Keramverband. (26. November 2013). Von http://www.keramverband.de/keramik/pdf/05/sem05_14.pdf abgerufen

  4. Keramverband. (2013. November 26). Von http://www.keramverband.de/keramik/pdf/Foliensatz75dpi.pdf abgerufen

  5. Mercedes-Benz. (26. November 2013). Von http://mercedes-benz-nachrichten.de/wp-content/uploads/2010/06/AMG-V8-Motor.jpg abgerufen

  6. NGK. (26. November 2013). Von http://www.ngk.de/technik-im-detail/zuendkerzen/grundlagen-zuendkerzen/aufbau-einer-zuendkerze/ abgerufen

  7. PCA Cayman Register. (26. November 2013). Von http://caymanregister.org/images/FAQimages/PCCB_1280w_1.jpg abgerufen

  8. Porsche. (26. November 2013). Von http://www.porsche.com/germany/models/cayenne/cayenne-s/safety/porsche-ceramic-composite-brake-pccb/ abgerufen


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