Mehrphasenwerkstoffen

Mehrphasenwerkstoffe bezeichnet eine Klasse von Werkstoffen, die aus mindestens zwei unterschiedlichen Phasen bestehen, die durch innere Grenzflächen voneinander getrennt sind. Typisch ist eine Matrixphase mit einer zweiten Verstärkungsphase, die als Partikel, Fasern oder lamellare Schichten vorliegen kann. Die Phasen weisen unterschiedliche chemische Zusammensetzungen, Kristallstrukturen, Mechaniken und Wärmeleitfähigkeiten auf. Durch die gezielte Kombination der Phasen ergeben sich Eigenschaften, die die einzelnen Bestandteile allein nicht erreichen würden.

Mikrostruktur und Mechanismen. Die Anordnung, Größe, Form und Verteilung der Phasen beeinflussen Festigkeit, Härte, Steifigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit. Typische Verstärkungsmechanismen umfassen Lastübertragung von der Matrix auf die Verstärkung, Vernachlässigung von Rissen durch Deflektion oder Verzweigung, sowie Brücken- oder Ausziehmechanismen, die Energie bei Rissausbreitung aufnehmen. Die Grenzflächenqualität zwischen den Phasen ist entscheidend für die Haftung und das Gesamtschalterverhalten.

Typen und Beispiele. Zu den Mehrphasenwerkstoffen zählen metallische Matrixverbunde (z. B. Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe MMCs wie Aluminium- oder Titanmatrix mit SiC- oder Al2O3-Verstärkungen), keramische Matrixverbunde (CMCs), cermetartige Systeme (Keramik-Metall-Verbundwerkstoffe) sowie polymerbasierte Verbundwerkstoffe. Cemented carbides wie WC-Co sind eine verbreitete Form Von Mehrphasensystemen.

Herstellung und Anwendungen. Herstellungsmethoden umfassen Pulvermetallurgie, Sintern, Gießen, Hot Isostatic Pressing und additive Fertigung. Anwendungen finden sich in verschleißintensiven Bauteilen, Werkzeugen, Leichtbaustrukturen, Wärmeschutzbauteilen sowie in der Automobil-, Luftfahrt- und Elektronikindustrie.

Herausforderungen. Wichtige Themen sind die Gestaltung der Phasenanordnung, die Abstimmung der thermo-mechanischen Eigenschaften, Kosten und Recyclierbarkeit sowie das Verständnis der Mikrostrukturskalierung.