Technik: Die neue Rolle der Metalle
© Albrecht E. Arnold / pixelio.de (Ausschnitt)
Es war wohl der bedeutendste technische Fortschritt des Menschen nach der Zähmung des Feuers, und eng mit ihm verknüpft: Unter bestimmten Bedingungen entsteht aus Gestein und Holzkohle eine Klasse harter und widerstandsfähiger, aber trotzdem leicht zu verarbeitender Materialien. Seither begleiten die Metalle den Menschen und sind über Jahrtausende seine wichtigsten und vielseitigsten Werkstoffe geblieben.
Doch die Wunderstoffe haben auch Nachteile, die sich besonders bei modernen Spezialanwendungen schmerzhaft bemerkbar machen. Da ist das hohe spezifische Gewicht vieler Metalle und Legierungen, insbesondere hochfester Stähle, außerdem ihre Anfälligkeit für Korrosion und hohe Temperaturen – selbst für Speziallegierungen ist ab etwas über 1100 Grad Schluss mit der Stabilität.
Deswegen drängen neue Hochleistungswerkstoffe die Metalle auf breiter Front zurück. Im Flugzeugbau und bei anderen Anwendungen, bei denen das Gewicht entscheidend ist, kommen zunehmend Kompositmaterialien auf Kohlefaserbasis zum Einsatz, die zum Beispiel im neuen Boeing 787 Dreamliner schon 50 Prozent des Gesamtgewichts ausmachen. In Kraftwerksturbinen werden statt Legierungen vermehrt hitzebeständige Spezialkeramiken verwendet, und die Kotflügel eines Autos bestehen heutzutage auch meistens aus Kunststoff.
Nähert sich das Zeitalter der Metalle also langsam dem Ende? Sicherlich nicht, denn metallische Werkstoffe haben auch einige Stärken, die sie für viele Anwendungen nach wie vor zum Standard machen. In modernen Flugzeugen mögen Metalle kaum die Hälfte des Gesamtgewichts ausmachen, für viele kritische Teile sind sie nach wie vor erste Wahl. Dazu gehören Turbinenteile, Fahrwerk und tragende Strukturen. Ihre Rolle dort verdanken sie einerseits ihrer hohen Bruchfestigkeit – Stähle sind die festesten bekannten Materialien –, andererseits auch dem Umstand, dass ihre Eigenschaften gut kalkulierbar sind: Sie sind gegenüber Druck und Zug gleich widerstandsfähig und zeigen keine Vorzugsrichtung. Deswegen sind auch ihre Belastungsgrenzen leicht zu bestimmen. Wann und wie Komposite und Keramiken versagen, ist dagegen bisher nur bruchstückhaft bekannt. Auch ihre elektrischen und magnetischen Eigenschaften sind mit anderen Materialien nur schwer zu reproduzieren.
Für moderne Anwendungen reicht das natürlich nicht aus – gefordert sind vor allem bessere Metalle, deren Eigenschaften durch neue Zusammensetzungen und Herstellungsverfahren genau kontrolliert werden. Titanlegierungen haben nur die Hälfte der Dichte von Stahl, bei gleicher Widerstandsfähigkeit. Ein geringer Anteil Aluminium erzeugt auf Stahl eine Schicht aus Aluminiumoxid, die Korrosion effektiv unterbindet. Neben der bloßen Zusammensetzung spielt für die Zukunft auch die Struktur im Mikro- und Nanomaßstab eine entscheidende Rolle: Gezielt eingefügte Defekte in der Kristallstruktur beeinflussen die Festigkeit, die mittlere Korngröße die Duktilität.
Dank derartiger Entwicklungen verändert sich die Rolle der Metalle rasant. Seit dem Beginn der Industrialisierung haben sich Metalle und ihre Legierungen als stabile und widerstandsfähige Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen bewährt, aus denen sie nun von modernen Kunststoffen verdrängt werden. Stattdessen verlagert sich der Fokus auf Legierungen mit maßgeschneiderten Eigenschaften für spezielle Aufgaben.
Tatsächlich nutzen wir heutzutage mehr Metalle als jemals zuvor in der Menschheitsgeschichte – exotische Stoffe wie Ruthenium, Osmium oder Niob sind aus Hightechlegierungen kaum noch wegzudenken. Die Technik der Zukunft mag in Plastik daherkommen, doch unter der Oberfläche sind Metalle, nun in Form modernster Spezialwerkstoffe, wichtiger als je zuvor. (lf)
Doch die Wunderstoffe haben auch Nachteile, die sich besonders bei modernen Spezialanwendungen schmerzhaft bemerkbar machen. Da ist das hohe spezifische Gewicht vieler Metalle und Legierungen, insbesondere hochfester Stähle, außerdem ihre Anfälligkeit für Korrosion und hohe Temperaturen – selbst für Speziallegierungen ist ab etwas über 1100 Grad Schluss mit der Stabilität.
Deswegen drängen neue Hochleistungswerkstoffe die Metalle auf breiter Front zurück. Im Flugzeugbau und bei anderen Anwendungen, bei denen das Gewicht entscheidend ist, kommen zunehmend Kompositmaterialien auf Kohlefaserbasis zum Einsatz, die zum Beispiel im neuen Boeing 787 Dreamliner schon 50 Prozent des Gesamtgewichts ausmachen. In Kraftwerksturbinen werden statt Legierungen vermehrt hitzebeständige Spezialkeramiken verwendet, und die Kotflügel eines Autos bestehen heutzutage auch meistens aus Kunststoff.
Nähert sich das Zeitalter der Metalle also langsam dem Ende? Sicherlich nicht, denn metallische Werkstoffe haben auch einige Stärken, die sie für viele Anwendungen nach wie vor zum Standard machen. In modernen Flugzeugen mögen Metalle kaum die Hälfte des Gesamtgewichts ausmachen, für viele kritische Teile sind sie nach wie vor erste Wahl. Dazu gehören Turbinenteile, Fahrwerk und tragende Strukturen. Ihre Rolle dort verdanken sie einerseits ihrer hohen Bruchfestigkeit – Stähle sind die festesten bekannten Materialien –, andererseits auch dem Umstand, dass ihre Eigenschaften gut kalkulierbar sind: Sie sind gegenüber Druck und Zug gleich widerstandsfähig und zeigen keine Vorzugsrichtung. Deswegen sind auch ihre Belastungsgrenzen leicht zu bestimmen. Wann und wie Komposite und Keramiken versagen, ist dagegen bisher nur bruchstückhaft bekannt. Auch ihre elektrischen und magnetischen Eigenschaften sind mit anderen Materialien nur schwer zu reproduzieren.
Für moderne Anwendungen reicht das natürlich nicht aus – gefordert sind vor allem bessere Metalle, deren Eigenschaften durch neue Zusammensetzungen und Herstellungsverfahren genau kontrolliert werden. Titanlegierungen haben nur die Hälfte der Dichte von Stahl, bei gleicher Widerstandsfähigkeit. Ein geringer Anteil Aluminium erzeugt auf Stahl eine Schicht aus Aluminiumoxid, die Korrosion effektiv unterbindet. Neben der bloßen Zusammensetzung spielt für die Zukunft auch die Struktur im Mikro- und Nanomaßstab eine entscheidende Rolle: Gezielt eingefügte Defekte in der Kristallstruktur beeinflussen die Festigkeit, die mittlere Korngröße die Duktilität.
Dank derartiger Entwicklungen verändert sich die Rolle der Metalle rasant. Seit dem Beginn der Industrialisierung haben sich Metalle und ihre Legierungen als stabile und widerstandsfähige Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen bewährt, aus denen sie nun von modernen Kunststoffen verdrängt werden. Stattdessen verlagert sich der Fokus auf Legierungen mit maßgeschneiderten Eigenschaften für spezielle Aufgaben.
Tatsächlich nutzen wir heutzutage mehr Metalle als jemals zuvor in der Menschheitsgeschichte – exotische Stoffe wie Ruthenium, Osmium oder Niob sind aus Hightechlegierungen kaum noch wegzudenken. Die Technik der Zukunft mag in Plastik daherkommen, doch unter der Oberfläche sind Metalle, nun in Form modernster Spezialwerkstoffe, wichtiger als je zuvor. (lf)
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