Bleifreie Werkstoffe

Computersimulation hilft bei der Entwicklung bleifreier Ersatzmaterialien.

Bleihaltige Materialien findet man bei Frequenzfiltern von Handys oder in mechanischen Sensoren und Aktuatoren. Ein weiteres Beispiel sind piezo-elektrische Bauteile für Einspritzsysteme von Dieselmotoren, die die Zufuhr des Treibstoffs in den Verbrennungsraum steuern. Bisher ist Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) der Stoff der Wahl, wenn es um schnell schaltbare piezoelektrische Anwendungen im Auto geht. Alternativen zu finden, die ohne das Schwermetall Blei auskommen, ist jedoch keine leichte Aufgabe, denn im Rohzustand haben alle alternativ einsetzbaren Materialien noch nicht die gewünschten Eigenschaften. Ein Computersimulationsverfahren, das Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg entwickelt haben, bringt jetzt die Suche voran.

 Abb.: Per Computersimulation lassen sich die Möglichkeiten der Dotierung ferroelektrischer Werkstoffe wie Kalium-Natrium-Niobat (KNN) mit Fremdatomen wie Kupfer (Cu) berechnen. (Bild: Fraunhofer IWM)

Mit dem Simulationsverfahren lassen sich bleifreie Funktionswerkstoffe schneller und gezielter aufspüren. Ziel ist es, potentielle Kandidaten chemisch und physikalisch so zu modifizieren, dass sich das Ersatzmaterial am Ende ähnlich gut wie PZT verhält. Ein solcher Kandidat ist Kalium-Natrium-Niobat (KNN). Es ist wie PZT als Einkristall ferroelektrisch, doch als technische Keramik mit unkontrollierten atomaren Fehlstellen und Korngrenzen im Kristallgitter ist KNN als Werkstoff zunächst unbrauchbar. Deshalb müssen Dotierungen beziehungsweise Fremdatome eingebracht werden, um die Eigenschaften des keramischen KNN zu verbessern. Wo und wie diese Dotierungen eingebracht werden müssen, berechnen die Forscher mit Hilfe der Computersimulation: Je nachdem, an welcher Stelle des Kristallgitters Fremdatome – wie etwa Kupfer – sitzen, ergeben sich andere ferroelektrische Eigenschaften. »Auf einem Platz gibt das Kupfer Elektronen ab, an anderer Stelle nimmt es lieber welche auf. Je nach Gitterplatz bilden sich Dipole oder eben nicht«, erläutert Christian Elsässer, Gruppenleiter am IWM. Für die Berechnung der festkörperphysikalischer Größen werden auf Grund komplexer atomistischer Modellsysteme große Rechnerkapazität benötigt. Dafür lässt sich bei der Materialentwicklung sparen, denn es sind weniger Synthese- und Analyse-Experimente im Labor nötig. Auch liefert die Computersimulation wichtige thermodynamische Parameter für den Sinterprozess, etwa die Druck- und Temperaturbereiche, bei denen die Bauteile hergestellt werden müssen.

Fraunhofer-Gesellschaft/MH