Bleifreie Funktionswerkstoffe soll ein von Forschern des Fraunhofer-Institutes für Werkstoffmechanik (IWM) entwickeltes Computersimulationsverfahren schneller und gezielter aufspüren.
Die Umstellung auf bleifreie Produkte ist in vollem Gang. Die Crux: Umweltfreundliche Alternativen müssen genauso leistungsfähig sein wie die bleihaltigen Varianten. Ein Beispiel sind Einspritzsysteme von Dieselmotoren.
Die Automobilindustrie hat eine harte Nuss zu knacken: ,,Bleifreie Werkstoffe” heißt die Herausforderung. Dahinter verbirgt sich eine EU-Umweltrichtlinie, die nach einem Stufenplan sämtliche bleihaltigen Materialien und Bauteile aus Autos verbannt – unter anderem piezo-elektrische Bauteile. Diese sind beispielsweise wichtig für Dieselmotor-Injektoren, die die Zufuhr des Treibstoffs in den Verbrennungsraum steuern.
Das Problem: Bisher ist Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) der Stoff der Wahl, wenn es um schnell schaltbare piezoelektrische Anwendungen im Auto geht. Alternativen zu finden ist schwer, denn im Rohzustand haben alle alternativ einsetzbaren Materialien noch nicht die gewünschten Eigenschaften.
Das Simulationsverfahren der IWM-Forscher bringt die Suche voran. ,,Wir müssen potentielle Kandidaten chemisch und physikalisch so modifizieren, dass sich das Ersatzmaterial am Ende ähnlich gut wie PZT verhäl”, sagt Professor Christian Elsässer, Gruppenleiter am IWM.
Ein solcher Kandidat ist Kalium-Natrium-Niobat (KNN). Es ist wie PZT als Einkristall ferroelektrisch, doch als technische Keramik mit unkontrollierten atomaren Fehlstellen im Kristallgitter als Werkstoff noch unbrauchbar. ,,Deshalb müssen wir aus der Not eine Tugend machen und die richtigen Dotierungen beziehungsweise Fremdatome einbringen, um die Eigenschaften des keramischen KNN zu verbessern”, erklärt Elsässer.
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. Solche und viele andere Größen gilt es im Voraus zu ermitteln.
Forscher erledigen dies mit Hilfe der ,,Physik im Computer” Das ist keine triviale Aufgabe, denn die quantenmechanischen Berechnungen benötigen komplexe atomistische Modellsysteme und große Rechnerkapazität. Dafür lässt sich viel Zeit und Geld bei der Materialentwicklung sparen.
Auf diese Weise kann die Automobilindustrie schneller ans bleifreie Ziel kommen. Auch zum Speichern von immer größeren Datenmengen auf kleinstem Raum sind ferroelektrische Kondensatorbauteile im Rennen um Rekorde konkurrenzfähig.
