Werkstoffe für Extrembereiche: Härte- und Hitzespezialisten

Die Antworten auf diese Fragen sind teilweise komplex, aber auch faszinierend. Schon alleine die Tatsache, dass sich Diamanten schleifen und mittlerweile auch synthetisch herstellen lassen, stellt nicht nur Wissenschaftler vor interessante Denkaufgaben. Denn in den Extrembereichen der Werkstoffkunde und der Thermodynamik stößt der gesunde Menschenverstand immer wieder an seine Grenzen. Die letzten Geheimnisse der Natur spielen in der industriellen Anwendung eine immer größere Rolle. Denn Fortschritt besteht heutzutage vor allem in der Überwindung sichtbarer oder messbarer physikalischer Grenzen. Solche Fortschritte, auch in physikalischen Grenzbereichen, sind Motor der modernen Industrie.

Der Härtetest: mechanische Ritzfähigkeit eines Werkstoffs
 

Grundsätzlich gilt die physikalische Regel, dass es zu fast jedem Werkstoff mindestens einen weiteren geben muss, der härter, hitze- oder kältebeständiger ist als der zu bearbeitende Werkstoff selbst. Solche Werkstoffe werden „Werkzeugwerkstoffe“ genannt. Sie haben die Fähigkeit, andere Werkstoffe, die „weicher“ sind, mit wenig zusätzlichem Kraftaufwand zu bearbeiten. Allerdings gibt es auch Werkstoffe, die in einer industriell relevanten Zeit nur mit sich selbst bearbeitet werden können.

Der härteste derzeit bekannte Stoff ist Diamant. Seine Oberfläche hält jedem anderen Naturmaterial stand.

Härte und Hitzebeständigkeit: plausibler Zusammenhang
 

Die hitzebeständigsten Materialien sind zugleich auch die härtesten. Mineralien zählen zu den härtesten und damit auch hitzebeständigsten Werkstoffen. Diese Tatsache erforschte der deutsch-österreichische Mineraloge Friedrich Mohs und seine Studien gipfelten in der Mohsschen Skala, welche die Härte verschiedener Stoffe klassifiziert. Ein Diamant ist dabei der widerstandsfähigste natürliche Werkzeugwerkstoff, den wir kennen. Er weist einen Härtegrad von 10 Mohs auf. Der Diamant grenzt als härtestes Naturmineral die nach oben geschlossene Skala ab.

Diamanten können nur mit Schleifpapier aus Diamantenstaub geschliffen werden. Und das funktioniert auch nur, weil die innere Struktur eines Diamanten nicht in alle Richtungen den gleichen Härtegrad aufweist. Bis zum Jahre 2010 hat es gedauert, bis Wissenschaftler des Fraunhofer Instituts für Werkstoffmechanik eine erste plausible Erklärung dafür vorlegen konnten, warum sich das härteste Material der Welt auch mit einem weniger harten Material schleifen lässt. Denn in der Praxis sind Schleiftechniken für Diamanten schon seit Jahrhunderten bekannt. Das Geheimnis liegt u. a. darin, dass Diamanten in bestimmte Richtungen, also in ihrer anisotropischen Eigenschaft, Schwachpunkte zeigen. Die wissenschaftliche Auflösung dieses Rätsels bewegt sich auf atomarer Ebene. Festzuhalten ist vorerst, dass auch Laserstrahlen sich die größte Schwäche aller Materialien und Werkstoffe zunutze machen: deren Oberfläche. Denn dort befinden sich die „Ränder“, wo die Atome des Werkstoffs mit den Atomen ihrer Umgebung nutzbare Berührungspunkte hergeben. Laserstrahlen können so ausgerichtet werden, dass sie diesen Grenzrand buchstäblich „aufmischen“. Die Oberfläche eines Materials ist also grundsätzlich immer angreifbar. Was bei Diamanten weiterhin nicht möglich ist: der perfekte Rundschliff.

Ein handelsüblicher, also auch nur im Handel als solcher bezeichneter „rundgeschliffener“ Diamant weist trotzdem eine Vielzahl einzelner Facettenschliffe auf – und sieht nur mit dem bloßen Auge betrachtet einigermaßen rund aus. Ein Trost wird der Wissenschaft bleiben – durch den eigentlich „unperfekten“ Facettenschliff erhalten Diamanten erst ihren unnachahmlichen optischen Reiz!

Werkstoffe und Hitze: Wie präzise sollten Thermometer werden?
 

Noch viel faszinierender als die Möglichkeit, das härteste Material der Welt bearbeiten zu können, ist die Tatsache, dass sich Diamanten sogar künstlich herstellen lassen – in beachtlichen Mengen. Auch wenn diese nur ein paar Millimeter klein und nicht lupenrein sind, die industrielle Fertigung von Diamanten ist ein gutes Beispiel für den steten Forschungstrieb der Menschheit. Hier kommt nun die Industriekeramik ins Spiel – als härtester und damit auch hitzebeständigster Werkstoff und Werkzeugwerkstoff, der in der industriellen Produktion zur Anwendung kommt. In einem Keramikofen lassen sich Temperaturen erzielen, mit denen Diamanten „gekocht“ werden könnten. Diamanten benötigen allerdings das Zusammenspiel von Druck und Hitze, um aus Kohlenstoff einen harten Kristall entstehen zu lassen. Bei der Herstellung eines künstlichen Diamanten spielt der Druck hingegen eine weitaus wichtigere Rolle als die Temperatur. Mit sogenannten Würfelpressen wird ein sehr energieaufwendiger Druck von bis zu 80.000 bar erzeugt, der den Kohlenstoff auf Temperaturen bis zu 1.800 Grad Celsius hinauftreibt, um die Bedingungen zu simulieren, unter denen natürliche Diamanten einst entstanden. Als Werkzeugwerkstoff für die Druckpressen kommt somit nur Keramik infrage. Hochwertige Oxidkeramik kann einer Temperaturbelastung bis über 1.900 Grad Celsius standhalten, bis es dann auch an die Grenze der eigenen Materialermüdung getrieben wird. Um erklären zu können, wie die Natur einst Diamanten formte, bräuchte man allerdings äußerst hitzebeständige und sehr lange Thermometer. Nur so ließe sich feststellen, wie echte Diamanten in Millionen Jahren und in einer Tiefe von rund 150 Kilometern entstehen und entstanden sind. Dieses Naturwunder ist bis dato noch nicht entschlüsselt.

Fazit: Neueste Erkenntnisse oder wissenschaftlicher Unfug?
 

Dem in den Medien veröffentlichten Paradoxon, dass der Diamant als härtestes Material der Welt bei einer Temperatur von ca. 800 Grad Celsius auch verbrennen kann, bleibt nur hinzuzufügen: Stetes Feuer kann wahrscheinlich auch einen Keramikofen von innen aushöhlen. Dazu reichen über Jahrmillionen gesehen vielleicht auch schon 22 Grad Celsius Zimmertemperatur.

Immerhin sind eifrige Wissenschaftler dabei, immer mehr Geheimnisse der Natur zu enträtseln und so den industriellen Fortschritt voranzutreiben. So wäre die Herstellung von Werkzeugen oder Bohrern mit Diamantbeschichtung zur Bearbeitung harter Materialien vor einigen Jahren noch undenkbar gewesen. In naher Zukunft wird die Wissenschaft weitere Mysterien entschlüsselt haben, die heute noch Rätsel aufgeben. „Der Fortgang der wissenschaftlichen Entwicklung ist im Endeffekt eine ständige Flucht vor dem Staunen“, wie Albert Einstein einst bemerkte.