Leicht im Gewicht und überaus hitzebeständig – Polymermaterial macht Keramik Konkurrenz

Neues dielektrisches Material. Die Lupenaufnahme fokussiert auf die im Polymer enthaltenen Bornitrid-Nanoschichten. Foto: Qing Wang, Penn State

Ein neues, hitzebeständiges, dielektrisches Polymermaterial könnte künftig teure Keramiken als Isolierstoff aus Hochtemperaturanwendungen etwa in Kondensatoren verdrängen.

Allgemein lässt sich nicht behaupten, synthetische Polymere seien, wie man so schön sagt, von einer besonderen Natur. Sie lassen sich nämlich auf Maß schneidern und mit einem anwendungsspezifischen Eigenschaftsprofil versehen. Mal sie sind leicht und flexible, mal robust und widerstandsfähig gegenüber Druck und Biegespannung, mal überaus dehnfähig und reißfest, und manchmal sind sie einfach alles zusammen. Von bestimmten Funktionspolymeren einmal abgesehen, gelten die klassische Polymere beziehungsweise Kunststoffe oder Plastik als Nichtleiter; sie lassen weder einen Strom- noch Wärmefluss zu, was ihren Einsatz als Isolator auch in elektrischen Bauteilen möglich macht, zumindest theoretisch. Einschränkung findet ihre Anwendung bislang dort, wo hohe Temperaturen auftreten, etwa in der Hybrid- und Fahrzeugtechnik, der Luft- und Raumfahrtechnik oder der Erkundung unterirdischer Öl- und Gasreservoirs.

Diesen Anwendungsbereich für Polymer zu erschließen, sind Wissenschaftler der US-amerikanischen Penn State Universität im Begriff zu tun. Ein Team von Wissenschaftlern um Qing Wang, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, haben ein (vernetztes) Polymermaterial hergestellt, dass Bornitrid-Nanoschichten [1] enthält: Es trotzt hohen Temperaturen und behält gleichzeitig die geschätzten Eigenschaften eine Polymers.

Der neue Bornitrid-Polymerverbundwerkstoff kann laut Aussagen der Wissenschaftler Temperaturen von mehr als 480 Grad Celsius unter der Anwendung von hohen Spannungen widerstehen, was es für den Einsatz in einem Hochtemperaturumfeld prädestiniert. Insbesondere das geringere Gewicht des Polymers gegenüber Keramik macht seinen Einsatz in der Fahrzeug- sowie in der Luft- und Raumfahrttechnik interessant.

Hergestellt wird das neue Composite-Material durch Mischen von Polymer und Nanoschichten (siehe Foto oben) und anschließendem Aushärten und Vernetzen unter Einsatz von Wärme oder Licht. Die Nanoschichten sind winzig, nur etwa zwei Nanometer in der Dicke, allerdings rund 400 Nanometer in der seitlichen Ausrichtung, was ihrer Flexibilität im Schichtverbund zugute kommt. Die Kombination besitzt eine einzigartige dielektrische, sprich Isoliereigenschaft, und das Material selbst weise laut den Wissenschaftler eine hohe Spannungsfähigkeit, Wärmebeständigkeit und Biegsamkeit auf. Allerdings, bis es sich in der Praxis bewähren kann, bedarf es noch einiger Zeit. Augenblicklich und absehbar befindet es sich noch im Forschungsstadium. GDeußing

Hintergrundbetrachtung
Bornitrid, chemische Formel BN, ist eine Bor-Stickstoff-Verbindung, die hauptsächlich in zwei Modifikationen vorkommt. Das kubische β-Bornitrid liegt in der von der Diamantstruktur abgeleiteten Zinkblende-Struktur vor und ist ein Hartstoff mit einer Härte etwas unterhalb der von Diamant.

Das kubisches Bornitrid (c-BN) wurde 1957 erstmals synthetisiert, es ist der zweithärteste Werkstoff nach dem Diamant. Es wurde durch General Electric unter dem Namen Borazon eingetragen. Erst in den letzten 15 Jahren hat sich die kommerzielle Produktion von c-BN etabliert. Quelle chemie.de